發動機活塞密封圈失效分析

孫繼紅

摘? 要：某活塞發動機采用O形圈動密封，在進行新型潤滑油性能驗證試驗中，密封圈斷裂，導致燃氣泄漏。為了明確導致密封圈斷裂的主要原因，分別對密封圈壓縮量、活塞環狀態以及潤滑油進行了計算、觀察與試驗。分析結果表明：該發動機活塞密封結構設計合理，熱車試驗后活塞環狀態正常。密封圈斷裂是由于潤滑油抗氧化性較差造成。潤滑油在接觸銅后發生氧化反應，導致滑油變質，潤滑失效，密封圈斷裂后燃氣泄漏停車。熱車試驗結果及試后分析表明：該型潤滑油無法滿足該型發動機的潤滑需求。

關鍵詞：O型密封圈;潤滑;密封失效;抗氧化性

中圖分類號：TH136? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）36-0105-03

Abstract： The O-shaped seal ring is utilized in the engineering for its reliable sealing. A power test for the effectiveness validation of the new type lubricating oil was discontinue suddenly for the reason of the ring broken and the gas leak. To clarify the main reason of the test failure， a lot of working had been done such as the computation of the compression amount of the sealing ring， the piston ring status and experiment analysis of the lubricating oil. Our results showed that the piston sealing structure was reasonable and the piston ring status was normal after test， the chief reason for the test failure was that the oxidation resistance of lubricating oil is poor. The power test and analysis showed that the tested lubricating oil cannot satisfy the demand of the engine lubrication requirement.

Keywords： O-shaped seal ring; lubrication; sealing failure; oxidation resistance

O型圈密封具有安裝使用方便，密封可靠，高壓降下作用穩定且對相互銜接零件的摩擦力小等優點[1]，在工程中被廣泛采用。活塞是發動機主要運動件之一，活塞在工作過程中受燃氣的沖刷和加熱，工作環境惡劣。為了保障活塞的正常穩定工作，需要提供良好的潤滑環境。活塞處于發動機的心臟部位，高速、高溫、高壓且不斷變向的工況環境，致使其潤滑非常困難。不良的潤滑會給動力系統帶來一系列不良影響，如功率下降、磨損加劇、機油上竄、耗油量急增等，導致內燃機的動力性、經濟性、可靠性等性能全面下降[2]。活塞和氣缸套之間通常采用活塞環和橡膠O形圈的組合密封方式，用于密封燃燒室產生的高溫高壓燃氣以確保活塞與氣缸套的密封。O形圈安裝在活塞表面，在工作過程中同樣會接觸到潤滑油，因此，潤滑油必須同時有效潤滑活塞、活塞環以及密封圈。有效的潤滑是發動機穩定可靠工作的重要保證。因此，發動機活塞的密封與潤滑一直是工程中研究的重點與難點。

熊春華等[2]對缸套活塞環潤滑模型進行了計算，提出了適用于缸套活塞環的潤滑油粘度指標。張志才等[4]為解決潤滑油出現的高溫性能差等問題，試驗考察了兩個黏度等級重負荷動力傳動通用潤滑油在柴油發動機上的實際使用性能。王丹等[5]通過發動機臺架試驗，研究黏度對發動機摩擦功、功率、扭矩及油耗的影響。莫麗等[6]采用有限元方法，對O 形圈往復動密封中的密封性能，以及不同工況下的力學性能進行了研究，文章中提出往復動密封中，為了保證O 形圈的使用壽命和啟動性能，不宜取過大的預壓縮率。王雋[1]對船舶艉軸密封裝置中的O形橡膠密封圈失效原因進行了詳細分析，他在文章中指出，橡膠圈壓縮率偏大，橡膠環及與其接觸部件的材質硬度偏低和加工精度不夠， 密封溝槽寬度偏大， 磨粒侵入和潤滑不良是導致艉軸密封裝置O形橡膠密封圈失效的主要原因。李耀東等[7]對艦載設備裝置中常用的大直徑的回轉裝置密封結構摩擦力過大問題進行分析，并提出了減摩措施。

為了驗證某新型潤滑油對發動機的潤滑效果，開展了發動機熱車試驗。試驗中途故障停車。產品分解后發現，活塞密封圈斷裂，導致燃氣泄漏，發動機停車，同時，潤滑油試驗后性狀發生顯著改變。為了明確造成密封圈斷裂的主要原因，分別從密封圈壓縮量、活塞環密封以及滑油變質三個方面，分析了造成密封圈斷裂的可能性。

1 試驗故障描述

發動機活塞密封結構示意圖如圖1所示。活塞與氣缸套之間的密封采用三道活塞環與一道O形圈的組合密封方式。密封環的作用是減少高溫高壓燃氣接觸橡膠O形圈，避免O形圈密封介質溫度過高，損壞密封圈。為了保障活塞的穩定運動以及密封可靠性，對活塞、活塞環以及密封圈進行強制潤滑。

熱車試驗中，機艙壓力突然超限后試驗臺啟動自動停車功能。試驗后釋放潤滑油，將產品分解，發現發動機的一個活塞密封圈斷裂，同時潤滑油顏色性狀與試驗前差別較大，圖2為試驗前后潤滑油的照片。從圖中可以看出：試驗前潤滑油呈棕褐色，油發亮，使用后的潤滑油呈灰色、糊狀，非常粘稠。從試驗后潤滑油的顏色來看，潤滑油極有可能在發動機停止轉動前發生了乳化反應。為了判斷是否有水摻入滑油，對試驗后的潤滑油進行稱重，結果顯示滑油重量與試驗前一致，這表明：試驗過程中沒有大量水進入滑油。從分解情況來看， O形密封圈斷裂導致燃氣泄漏是導致機艙壓力升高最終停車的唯一原因。

將潤滑油靜置30分鐘后，裝潤滑油的瓶底有大量灰色沉淀物。靜置3天，滑油底部呈現黑色膠狀物，如圖3所示。

2 故障原因分析

2.1 O形圈壓縮量校核

活塞密封用于密封燃氣，屬于徑向密封結構類型，密封圈尺寸為φ32mm×2.4mm。按照CB1236-95[8]中對往復氣動密封的要求，對O形圈壓縮率、內徑拉伸率、外徑壓縮率要求范圍分別為：9.8%～20.0%、≤6%，≤5%。校核后O形圈壓縮率、內徑拉伸率、外徑壓縮率分別為11.34%～20.0%、2.3%與3.8%，滿足參考標準的要求。

2.2 活塞環密封失效

從發動機的分解情況可以明確：導致機艙壓力升高、超限，最終自動停車的原因為發動機活塞密封圈斷裂后燃氣泄漏造成。產品分解后觀察發動機活塞環，發現靠近密封圈位置的活塞環仍具有較好的彈性，排除了由于活塞環失效，大量燃氣接觸密封圈從而導致密封圈斷裂的原因。

鑒于該套發動機完成過多次與本次試驗相同工況的熱車試驗，試驗過程及試驗后產品分解并無異常，而本次試驗更換了新型潤滑油，滑油使用前后性狀發生顯著改變，分解后除密封圈斷裂外，活塞環等其它組部件無異常，因此造成密封圈斷裂的原因可能是由于更換潤滑油引起。

2.3 滑油變質分析

從試驗后的潤滑油狀態來看，潤滑油可能發生了兩種反應。一種反應導致滑油乳化，另一種反應導致滑油產生黑色膠狀沉淀。前者稱為乳化反應，后者稱為氧化反應。

2.3.1 乳化反應分析

潤滑油形成乳化液必須具有三個必要條件[9]：

（1）必須有互不相溶（或不完全相溶）的兩種液體。

（2）兩種混合液中應有乳化劑（能降低界面張力的表面活性劑）存在。

（3）要有形成乳化液的能量，如強烈的攪拌、循環、流動等。

在實驗室中對使用過的潤滑油加熱，用溫度計對滑油溫度進行實時監測，加熱至100°時滑油開始沸騰，持續加熱，沸騰加劇，溫度迅速上升到120°，之后溫度逐漸下降，沸騰減弱，被加熱的滑油發出噼啪聲，繼續加熱，滑油開始冒煙，油溫逐漸上升到160°后趨于穩定。將滑油盛出，滑油由加熱前的乳狀變為黑色油狀，發亮，不透明，如圖4所示。

由上述現象可以判定，試驗中滑油混入了少量水份，滑油經過發動機的強烈攪拌發生乳化反應，通過持續加熱將水份蒸發后，滑油由糊狀恢復為油狀。

為了驗證加水能使該滑油乳化，取干凈的滑油，加入少量自來水，進行攪拌后，發現原本清亮透明的滑油迅速變成不透明的糊狀，圖5所示。

由此實驗可以判定，在試驗中，有少量水份混入滑油，產品工作時充分攪拌導致潤滑油乳化。試前試后潤滑油重量無明顯變化，考慮到放油時仍然有少量潤滑油殘留在產品中，因此可以判定混入潤滑油中的水份很少，應該與殘留在產品中的潤滑油重量相當，而水份只能來自燃氣中的水蒸氣。

通過以上試驗現象及分析，可以確定：潤滑油在停車前與水發生乳化反應，導致滑油乳化，潤滑油中的水份來自于燃氣。燃氣泄漏后，其中的水蒸氣在發動機的攪拌下，造成潤滑油乳化。

2.3.2 氧化反應分析

試驗后的潤滑油呈黑色，而該潤滑油使用前棕褐色，油發亮，較粘稠，呈半透明狀態。很明顯，潤滑油中除了與水發生乳化反應，還產生了一些黑色固體，加熱后，黑色物體分散到潤滑油中，導致潤滑油變黑，且不透明。

將未摻水的潤滑油進行加熱，潤滑油在170°左右冒煙，繼續加熱后油溫不再上升，盛出后顏色呈棕褐色，油清亮，與加熱之前相比顏色略有加深，目測無明顯異常。如圖6所示。

潤滑油簡單加熱前后無明顯異常，但是潤滑油的實際工作環境為高溫高壓，潤滑油工作中接觸鋁、鋼、銅等多種金屬，不是簡單加熱所能模擬的。為了進一步探究潤滑油變質的原因，開展了潤滑油誘導期測試與氧化腐蝕安定性測試。

（1）誘導期測試。誘導期是指在規定的加速氧化條件下，油品處于穩定狀態所經歷的時間周期，以分鐘表示，它是評價油在長期貯存中氧化及生膠趨向的一個項目[10]。油的誘導期越短，則安定性越差，生膠越快，可貯存的時間也越短。在230℃，氧氣加壓條件下對本次試驗使用的新型潤滑油和前期一直使用良好的潤滑油進行誘導期測試，結果如圖7、圖8所示。從圖中可以看出：在該試驗條件下，前期使用的潤滑油開始氧化時間為38.54min，本次熱車試驗使用的新型潤滑油開始氧化時間為16.91min。實驗表明：與前期使用的潤滑油相比，本次熱車試驗使用的潤滑油誘導期較短，安定性較差。（2）氧化腐蝕安定性。潤滑油工作中會接觸銅，開展了銅片的氧化試驗。對本次試驗使用的新型潤滑油和前期一直使用良好的潤滑油進行了氧化腐蝕安定性試驗。試驗后潤滑油和銅片的狀態見圖9、圖10所示。從圖中可以看出：經過氧化實驗后，本次試驗用的潤滑油顏色發生了顯著改變，由實驗前的棕色透明變為了試驗后的黑色不透明，與熱車試驗后的潤滑油顏色接近。此外，銅片也發生了氧化，在銅片表面生成了黑色物質。而前期使用的潤滑油和銅片在試驗前后并明顯改變。

3 故障定位

本次試驗潤滑油經歷的過程為：將干凈的潤滑油加入發動機-發動機工作，在此過程中潤滑油接觸鋼、鋁、銅，承受高溫、發動機極壓-活塞密封圈斷裂漏氣，燃氣進入艙段，接觸滑油-停車。從分析結果來看，本次試驗使用的潤滑油在工作中接觸銅，在工作中與銅發生氧化反應，造成滑油變質，潤滑失效，最終導致發動機活塞密封圈斷裂，燃氣泄漏。

4 結論

分別從密封圈壓縮量、試驗后活塞環狀態以及滑油變質三個方面分析了造成密封圈斷裂的原因，計算結果表明活塞密封結構設計合理、試驗后活塞環狀態正常，導致試驗中異常停車的原因是潤滑油氧化安定性差，接觸銅后發生氧化反應，導致滑油變質，潤滑失效，密封圈斷裂后燃氣泄漏。熱車試驗結果表明：改型潤滑油不能滿足發動機的潤滑使用需求。

參考文獻：

[1]王雋.船舶艉軸密封裝置O形橡膠密封圈失效分析[J].潤滑與密封，2007，32（4）：163-166.

[2]熊春華，王成彪，趙巍，等.潤滑油粘度對缸套/活塞環摩擦學性能的影響[J].機械工程師，2011，6：9-11.

[3]張志才，郭小川，趙波，等.不同黏度等級潤滑油在柴油發動機上的對比試驗[J].后勤工程學院學報，2014，30（5）：41-46.

[4]王丹，葉年業，傅銀澤，等.采用低黏度潤滑油對發動機性能的影響[J].潤滑與密封，2016，41（2）：132-136.

[5]莫麗，王軍.O形圈動密封特性的有限元分析[J].機械科學與技術，2015，34（3）：386-392.

[6]古麗，熊明，鄧勇，等.成品油管道輸油泵機械密封失效分析及改進措施[J].潤滑與密封，2018，43（8）：153-156.

[7]李耀東，毛軍，夏方超，等.某大直徑回轉裝置密封部位減摩實驗研究[J].潤滑與密封，2014，39（5）：129-132.

[8]黨智祥，叢秀波，賈同民，等.CB1236-95.魚雷用O形橡膠密封圈規格及密封結構設計方法[S].北京：中國船舶工業總公司，1995-12-19發布，1996-08-01實施.

[9]張瑞青，肖增弘，盛偉，等.汽輪發電機組潤滑油乳化的原因及預防措施[J].沈陽工程學院學報（自然科學版），2006，2（2）：124-126.

[10]姜會澤，費逸偉，姚婷，等.PDSC熱分析法在潤滑油熱氧化研究中的應用[J].化工時刊，2015，29（1）：23-26.