某汽油機(jī)油氣分離器密封圈斷裂失效分析及改進(jìn)

劉川 王文琦 夏志鵬 賀鋒 王琪

寧波吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)零部件有限公司 浙江省寧波市 315336

1 引言

發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，燃燒室的高壓混合氣會(huì)通過(guò)活塞與氣缸之間的間隙竄入曲軸箱中，行成“竄氣”，竄氣中包含霧化汽油、霧化機(jī)油、水蒸氣和廢氣等。這些竄氣進(jìn)入曲軸箱會(huì)使曲軸箱壓力升高，影響曲軸箱密封；混入機(jī)油還會(huì)造成機(jī)油稀釋、機(jī)油乳化。曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)是減小發(fā)動(dòng)機(jī)竄氣帶來(lái)的不利影響以及滿足日益嚴(yán)格的排放法規(guī)的關(guān)鍵。油氣分離器作為曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的核心部分，需要重點(diǎn)設(shè)計(jì)。本文針對(duì)油氣分離器的密封圈的斷裂原因進(jìn)行分析，并提出改善措施，為后續(xù)開發(fā)設(shè)計(jì)提供思路。

2 故障現(xiàn)象

某型直噴渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)在臺(tái)架進(jìn)行曲通專項(xiàng)試驗(yàn)，運(yùn)行10h 后檢查發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)現(xiàn)油氣分離器與凸輪軸承蓋結(jié)合面滲油。拆解油氣分離器后發(fā)現(xiàn)油氣分離器密封圈有多處開裂，如圖1 所示，斷裂點(diǎn)位于防脫凸點(diǎn)附近。

圖1 進(jìn)、排氣凸輪軸負(fù)載示意圖

3 故障排查及原因分析

3.1 失效機(jī)理分析

通過(guò)魚骨刺圖，如圖2 所示，分析可能造成密封圈斷裂的原因。在排除裝配等其他影響因素后，排查方向聚焦在密封圈結(jié)構(gòu)和油氣分離器密封槽兩個(gè)方面。

圖2 油氣分離器密封圈開裂原因分析

3.2 故障原因排查

使用原發(fā)動(dòng)機(jī)更換油氣分離器后進(jìn)行溫度場(chǎng)測(cè)試，結(jié)果表明油氣分離器密封圈斷裂處最高溫度為101℃，如表1 所示。油氣分離器殼體材料為PA66-GF30，密封圈材料FKM，兩種材料工作溫度限值為150℃。由此分析，油氣分離器密封圈破裂非環(huán)境溫度過(guò)高引起。

表1 溫度場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)

將斷裂的密封圈送往第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)檢測(cè)材料性能。檢測(cè)結(jié)果表明密封圈材料性能滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，見圖3 所示。密封圈材料因素不是密封圈開裂問(wèn)題的原因。

圖3 密封圈材料性能檢測(cè)結(jié)果

檢測(cè)故障件密封槽（如圖4 所示）的尺寸，發(fā)現(xiàn)絕大部分密封槽的實(shí)際寬度均超過(guò)圖紙要求3.06±0.1，如表2 所示。配套密封圈有防脫凸點(diǎn)，具體布置形式見圖5。根據(jù)密封圈和密封槽實(shí)際尺寸計(jì)算壓縮率、填充率，得知：密封圈非凸點(diǎn)位置實(shí)際壓縮率為29.2%，非凸點(diǎn)位置實(shí)際填充率為97.3%；凸點(diǎn)位置實(shí)際填充率為114.8%。

表2 密封槽尺寸檢測(cè)結(jié)果

圖4 密封槽尺寸取樣點(diǎn)

圖5 密封圈防脫凸點(diǎn)布置示意圖

密封槽尺寸超差的問(wèn)題通過(guò)修模方式優(yōu)化，確保所有尺寸均在圖紙范圍內(nèi)。

修模后根據(jù)密封圈和密封槽實(shí)際尺寸重新計(jì)算壓縮率、填充率，得知：非凸點(diǎn)位置實(shí)際壓縮率：28.8%，非凸點(diǎn)位置實(shí)際填充率：94.6%，凸點(diǎn)位置實(shí)際填充率：112.3%。

使用該批樣件進(jìn)行-40℃～150℃的高低溫單體試驗(yàn)，試驗(yàn)進(jìn)行72h 后密封圈再次開裂，說(shuō)明密封槽尺寸超差不是密封圈開裂的主要原因。

排查密封圈圖紙，發(fā)現(xiàn)密封圈開裂位置R 角尺寸較小，存在應(yīng)力集中，開裂風(fēng)險(xiǎn)較大。優(yōu)化方案將密封圈R 角增大，如圖6 所示。

圖6 密封圈倒角尺寸優(yōu)化前后示意圖

倒角優(yōu)化后的密封圈進(jìn)行-40℃～150℃的高低溫單體試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中密封圈再次開裂，說(shuō)明R 角尺寸也不是密封圈開裂的主要原因。

因斷裂位置處于密封圈防脫凸點(diǎn)附近，針對(duì)防脫凸點(diǎn)的設(shè)計(jì)進(jìn)行排查。由于密封圈防脫凸點(diǎn)采用3 個(gè)一組錯(cuò)開設(shè)計(jì)，中間凸點(diǎn)在填充率較大的情況下無(wú)法向兩側(cè)延伸，凸點(diǎn)位置填充率理論最大值為113.24%（見表3）有開裂風(fēng)險(xiǎn)。

表3 密封圈壓縮率填充率

將密封圈防脫凸點(diǎn)布置方式改為對(duì)稱式布置（如圖7 所示），并通過(guò)調(diào)整密封圈高度，將密封圈凸點(diǎn)位置填充率最大值由113.24%優(yōu)化為108.82%。

圖7 密封圈防脫凸點(diǎn)改為對(duì)稱式

使用優(yōu)化后的密封圈進(jìn)行-40℃～150℃的高低溫單體試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)束后密封圈完好，無(wú)任何開裂跡象。通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證，優(yōu)化方案可靠有效。

綜上所述，密封圈防脫凸點(diǎn)采用3 個(gè)一組錯(cuò)開設(shè)計(jì)，中間凸點(diǎn)在填充率較大的情況下無(wú)法向兩側(cè)延伸，造成局部材料堆積是導(dǎo)致密封圈開裂的主要原因。

4 改進(jìn)與驗(yàn)證

4.1 改進(jìn)方案

將密封圈防脫凸點(diǎn)的布置方式改為對(duì)稱式布置；通過(guò)調(diào)整密封圈高度，將密封圈凸點(diǎn)位置填充率最大值由113.24%優(yōu)化為108.82%。

4.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

優(yōu)化后的密封圈經(jīng)過(guò)-40℃～150℃的高低溫單體試驗(yàn)、多輪臺(tái)架及整車耐久驗(yàn)證，均再未出現(xiàn)破裂現(xiàn)象，整改方案驗(yàn)證有效。

5 總結(jié)

油氣分離器密封圈防脫凸點(diǎn)采用3 個(gè)一組錯(cuò)開設(shè)計(jì)，中間凸點(diǎn)在填充率較大的情況下無(wú)法向兩側(cè)延伸，并且凸點(diǎn)位置填充率過(guò)大，是導(dǎo)致本次密封圈開裂問(wèn)題的主要原因。

建議非凸點(diǎn)位置填充率小于100%，凸點(diǎn)位置填充率小于110%；后續(xù)設(shè)計(jì)優(yōu)先選擇防脫凸點(diǎn)對(duì)稱布置的設(shè)計(jì)方案。