柴油機(jī)曲軸后油封故障分析與改進(jìn)

李杰 葉飛 卞光祥

摘要：針對(duì)某型柴油機(jī)在出廠試驗(yàn)過(guò)程中，曲軸后油封從后油封座中脫出故障分析驗(yàn)證了不同狀態(tài)下，不同裝配工藝的影響，試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明后端軸承座熱態(tài)下變形量較大是造成曲軸后油封脫落的主要原因。通過(guò)優(yōu)化后油封座與后油封的尺寸配合，加大過(guò)盈量，經(jīng)耐久試驗(yàn)及生產(chǎn)驗(yàn)證，可有效解決后油封脫出故障。

Abstract： The crankshaft rear oil seal had been fallen off from the seat during the test. This paper analyze the cause from the impact of the different assembly methods。The result of the pulling force test showed that the main reason is the thermal deformation of rear bearing seat during the engine working conditions。Optimizing the dimensions with the seat to increase interference， the experiment's result shows there isnt any fracture. The feedback also showed that the improvement is successful from the test and the market.

關(guān)鍵詞：油封;脫落;熱變形;拉脫力

Key words： seal;fall off;thermal deformation;disassembling force

中圖分類號(hào)：U262.32+2 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2022）02-0048-03

0 ?引言

曲軸油封是發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸旋轉(zhuǎn)時(shí)封油用的密封元件，以防止柴油機(jī)曲軸箱內(nèi)的飛濺機(jī)油及潤(rùn)滑柴油機(jī)軸系的機(jī)油滲漏到柴油機(jī)外，它將發(fā)動(dòng)機(jī)需要潤(rùn)滑的部件與前后端部件隔離，并同時(shí)起到防塵作用。因此油封工作狀態(tài)是否良好，直接影響著發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性，尤其是發(fā)動(dòng)機(jī)后油封，由于無(wú)法用肉眼直接觀察到是否脫出或漏油等故障，一旦發(fā)生故障，將造成嚴(yán)重后果。本文對(duì)某型柴油機(jī)后油封脫出故障進(jìn)行了分析，從熱變形機(jī)理及裝配工藝分析了造成后油封脫出的原因，并通過(guò)優(yōu)化后油封座與后油封的尺寸配合，經(jīng)耐久和生產(chǎn)驗(yàn)證，可有效解決后油封脫出故障，大大降低了因后油封脫出而導(dǎo)致的故障率，提高發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性。

1 ?故障現(xiàn)象

某車用柴油機(jī)在廠內(nèi)調(diào)試過(guò)程中反饋曲軸后端批量存在大量油跡，對(duì)其中一臺(tái)故障發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行拆解，發(fā)現(xiàn)后油封從后端主軸承座中脫出，具體故障照片見(jiàn)圖1與圖2。仔細(xì)查看故障機(jī)上拆解下來(lái)的零部件，后油封橡膠彈性良好，無(wú)壓潰及切邊啃傷現(xiàn)象，后油封座表面良好，無(wú)磕碰傷，不存在其他異常情況。

2 ?油封工作原理與結(jié)構(gòu)

油封的密封狀態(tài)，一是油封外緣腔體與后油封座間為靜態(tài)密封，同時(shí)保證油封外緣在腔體在后油封座上的可靠定位。后油封與油封座之間常采用過(guò)盈配合，壓裝時(shí)油封外圓表面采用無(wú)涂覆或涂特殊的膠。二是油封密封唇和曲軸之間的密封狀態(tài)，當(dāng)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)為動(dòng)態(tài)密封，裝配好的油封在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)幾周后，其密封唇就會(huì)將一層很薄的薄膜涂覆到旋轉(zhuǎn)軸軸頸上，并借助于自身的彈性變形，使唇口部分很好地貼合在軸頸上隨發(fā)動(dòng)機(jī)一起轉(zhuǎn)動(dòng)。發(fā)動(dòng)機(jī)在工作過(guò)程中，如圖3所示，進(jìn)入油封唇部與軸頸貼合部位的潤(rùn)滑油膜隨發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)一起轉(zhuǎn)動(dòng)，一旦油膜碰到油封螺旋槽，就將會(huì)受到螺旋斜面的作用而產(chǎn)生一個(gè)向發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)密封介質(zhì)的作用力，此力就會(huì)將欲外流的液體介質(zhì)壓回儲(chǔ)油端，即油封螺旋槽具有泵吸的功能。當(dāng)該作用力大于油膜本身受到的來(lái)自儲(chǔ)油端的油壓時(shí)，從而實(shí)現(xiàn)密封。

該作用力可用下述公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：

P-螺旋槽產(chǎn)生的一個(gè)作用力;

C-曲軸與油封唇口間的間隙;

L-唇口與曲軸接觸寬度;

V-曲軸表面線速度;

μ-液體介質(zhì)的動(dòng)力粘度;

F（？琢，s）-螺紋結(jié)構(gòu)要素。

由上式可知，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工況一定（即μ、V、C基本不變）及一定的設(shè)計(jì)條件（即L不變）時(shí)，F(xiàn)（α，s）是影響上述作用力的重要因素，即油封密封唇部螺旋槽的大小、角度、方向、旋向、密封材料的硬度及其彈性等將直接影響到油封的作用力，以及影響到油封的密封性能。

該機(jī)型曲軸后油封為旋轉(zhuǎn)軸唇形密封結(jié)構(gòu)，主唇材料為PTFE（聚四氟乙烯），油封與曲軸為帶接觸，接觸帶為2-4mm，唇口部位帶有螺旋槽，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)與曲軸形成泵吸效應(yīng)，螺旋槽設(shè)置有靜態(tài)止油點(diǎn)，以提高靜態(tài)下的密封可靠性，PTFE片經(jīng)過(guò)活化處理直接通過(guò)硫化工序與橡膠粘接地在一起，油封結(jié)構(gòu)如圖4所示。

曲軸后油封通過(guò)定位工裝壓入到鋁制的曲軸后端軸承座上，曲軸后端軸承座通過(guò)螺柱、螺母固定在飛輪殼上，與飛輪殼一起固定到機(jī)體上，如圖5所示。曲軸后油封的主唇與飛輪上的軸接觸，曲軸后油封與后油封座之間采用過(guò)盈配合，裝配時(shí)表面涂覆S06-100。

3 ?故障分析與改進(jìn)

檢查油封座孔，其倒角符合圖紙要求，內(nèi)表面無(wú)毛刺、磕碰、銹蝕及其他缺陷。觀察故障機(jī)拆解下的后油封外敷膠的表面來(lái)看，橡膠彈性良好，未出現(xiàn)老化，油封橡膠也未出現(xiàn)裝配壓潰、切邊、啃傷的現(xiàn)象，狀況良好，對(duì)油封承孔的粗糙度進(jìn)行查驗(yàn)，粗糙度控制在Ra1.6-3.2之間，符合要求，后油封及其軸承座的其他尺寸符合設(shè)計(jì)要求，不存在異常狀態(tài)。

下面從裝配工藝、后油封座孔的熱變形及油封的拉脫力等方面進(jìn)行分析：

3.1 裝配工藝與過(guò)程分析

檢查裝配過(guò)程中的工位器具，其清潔度滿足要求，無(wú)磕碰與變形等，在裝配過(guò)程中，調(diào)整后油封的安裝壓入速度，以不同的速度進(jìn)行壓入，評(píng)估壓入速度對(duì)油封的影響;試驗(yàn)方案與試驗(yàn)結(jié)果觀察如表1。

表1可以看出，油封的壓入質(zhì)量和壓入深度在壓入速度提高到2s后開(kāi)始急速下降，這是由于油封的橡膠存在彈性變形而導(dǎo)致油封壓入后回彈，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，壓入設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)操作為4s，因此壓入速度不是造成曲軸后油封裝配不到位，導(dǎo)致此次脫出故障的原因。

檢查其余工藝過(guò)程，如拿取油封，過(guò)程中不接觸油封唇口部位，唇口及外圈按要求不涂抹潤(rùn)滑脂，并用壓縮氣將軸和軸承座表面吹干凈等無(wú)異常，裝配過(guò)程中均可控?zé)o異常。

3.2 后油封座加熱變形分析

曲軸后油封與后油封座之間采用過(guò)盈配合，設(shè)計(jì)尺寸見(jiàn)表2。

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙的要求，曲軸后端軸承座的鋁材料牌號(hào)為：6082，曲軸后油封座內(nèi)孔徑尺寸為（？準(zhǔn)119.95～？準(zhǔn)120）mm。隨機(jī)抽取8只后油封座進(jìn)行加熱，溫度至95℃后，保溫20分鐘后，測(cè)量后油封座的內(nèi)孔尺寸，尺寸匯總?cè)绫?所示。

從表中可以看出，后端軸承座加熱后外圓尺寸有所增加，范圍為（0.06-0.21）mm，超出設(shè)計(jì)范圍要求，因此發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)下，后油封座受熱產(chǎn)生熱變形，導(dǎo)致油封與軸承座配合尺寸變大，過(guò)盈量不足，從而導(dǎo)致后油封油拉脫力不足。

3.3 后油封拉脫力分析

針對(duì)曲軸后油封在不同工藝下對(duì)裝配力和拆卸力的影響，抽取后油封和后油封座（選擇的后油封與后端軸承座的尺寸配合過(guò)盈量處于0.5mm），進(jìn)行常溫、加熱兩種狀態(tài)下的拉拔力測(cè)試，試驗(yàn)方案如表4。

常溫狀態(tài)及高溫狀態(tài)下的測(cè)試試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表5、表6。

曲軸后油封在常溫下壓裝時(shí)，表面無(wú)涂覆和涂覆PT780，存在切邊現(xiàn)象。而涂覆S06-100的壓裝和拆卸力均較小，說(shuō)明S06-100壓裝時(shí)起潤(rùn)滑作用，長(zhǎng)時(shí)間凝固后可起到一定的膠合作用。

試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，樂(lè)泰648（厭氧性密封膠）和樂(lè)泰4210（速干型密封膠）均勻涂覆在油封上后，拆卸后在軸承座和油封外圈上幾乎都找不到膠液留存的痕跡，如圖6;樂(lè)泰401和495（均為速干型密封膠），其中401涂覆在油封上，495涂覆在后端軸承座上，拆卸發(fā)現(xiàn)在軸承座內(nèi)圈上找不到膠液留存的痕跡，后油封外圈上有明顯的膠液固化痕跡，如圖7。三者的拆卸力較為接近但遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)要求的0.8kN。

樂(lè)泰MS-500（改性硅膠密封膠），涂覆在后油封上。拆卸時(shí)在軸承座內(nèi)圈和后油封外圈上勻有明顯的膠液固化痕跡，如圖8，但拆卸力與涂有樂(lè)泰648方案相近，無(wú)法滿足要求。

由表6知，在高溫狀態(tài)下得出如下結(jié)果：①不涂覆任何膠體，拆卸力介于（0.33～0.49）kN之間;②涂覆S06-100，熱拆卸力較大，介于（0.86～0.94）kN之間;③涂覆PT-780熱拆卸力較不涂覆大，介于（0.70～0.96）kN之間;④涂覆樂(lè)泰系列熱拆卸力較不涂覆小，介于（0.24～0.38）kN之間。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，曲軸后油封拉拔力大于0.8kN較為安全，因此采用涂覆PT-780與S06-100可達(dá)到要求。

3.4 設(shè)計(jì)改進(jìn)與驗(yàn)證

根據(jù)上述分析與試驗(yàn)結(jié)果，設(shè)計(jì)適當(dāng)增加了油封安裝后的過(guò)盈量，以保證熱態(tài)下的拉拔力，將后端軸承座內(nèi)孔公差由？準(zhǔn)12調(diào)整至？準(zhǔn)120，使過(guò)盈量0.33-0.55增大至0.038-0.06，同時(shí)裝配時(shí)涂覆S06-100，在進(jìn)行800h耐久試驗(yàn)驗(yàn)證及200臺(tái)批量驗(yàn)證過(guò)程中，曲軸后端無(wú)漏油，并拆撿了10臺(tái)離合器與飛輪進(jìn)行確認(rèn)，未發(fā)現(xiàn)后油封脫出現(xiàn)像，改進(jìn)效果非常明顯。

4 ?總結(jié)

針對(duì)曲軸后油封從后油封座中脫出故障，本文進(jìn)行了不同狀態(tài)下，不同裝配工藝的影響的分析和驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果表明后端軸承座熱態(tài)下變形量較大是造成曲軸后油封脫落的主要原因。通過(guò)尺寸優(yōu)化，加大過(guò)盈量，經(jīng)耐久試驗(yàn)及生產(chǎn)驗(yàn)證，結(jié)構(gòu)可靠，封油性能出色，滿足設(shè)計(jì)壽命要求，可有效解決后油封脫出導(dǎo)致的漏油故障。

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