發動機漏水故障分析與密封結構優化

袁明珂，王立杰，孟范勝，劉金寶，董媛

濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261061

0 引言

柴油機冷卻系統主要由出水管、水泵、機油冷卻器、缸套、缸蓋等組成，散熱介質通常為冷卻液，對發動機各個部件進行冷卻，確保發動機處在正常工作溫度狀態[1-2]。如果柴油機冷卻系統出現故障，如出水管接頭漏水、水泵管接頭漏水等，散熱介質長時間泄漏導致柴油機關鍵零部件熱量無法散出，可造成凸輪軸粘套、曲軸化瓦，活塞拉缸等故障，出現重大質量事故[3]。

目前客戶對于柴油機產品外觀和性能的要求越來越高，三漏故障嚴重影響柴油機品牌價值[4]。本文中針對某廠發動機試車過程中出現的發動機冷卻系統出水管管接頭批量漏水故障，通過折檢故障件分析故障原因，從裝配工藝、結構設計2個方面進行優化，并進行試驗驗證，找到解決問題的方法，提升產品質量與可靠性。

1 密封原理及故障分析

1.1 過盈配合密封原理

過盈配合密封示意圖如圖1所示。過盈配合密封是在管接頭與出水管存在一定過盈量、并在管接頭密封部位涂抹243密封膠[5]的情況下，對管接頭施加軸向載荷，使其以一定速度壓入出水管并產生塑性變形，消除管接頭與出水管孔的間隙，產生過盈配合，實現管道的連接，依靠管接頭與出水管間的彈性壓力及密封膠鎖緊力獲得緊固密封。

圖1 過盈配合密封示意圖

1.2 管接頭漏水故障分析

1.2.1 故障描述

某款高性能發動機冷卻系統出水管管接頭(接頭外徑為20 mm)及水泵管接頭為過盈配合結構，發動機試車過程中出現批量漏水故障。出水管管接頭單日漏水量達到冷卻液總量的25.34%。對最近2個月故障進行統計，漏水點主要集中于出水管孔和管接頭的密封部位，故障形式主要為接合面滲水、接合面明細水流、管接頭脫出，3種故障形式的故障率分別為90.24%、8.42%和1.34%，嚴重影響產品質量及產品交付率。

1.2.2 故障分析

目前管接頭制作主要有2～3個空心管通過焊接成型[6]和使用模具直接鍛造成型2種工藝，如圖2所示。受成型工藝影響，兩種管接頭頭部受力點存在接觸面粗糙不平、裂紋等問題[7]。

a)焊接管接頭 b)鍛造管接頭

拆檢試車管接頭漏水故障件，發現如下問題：1)管接頭密封部位出現環狀退刀紋；2)出水管孔內壁有明顯起皮、劃傷等問題；3)出水管與管接頭密封部位之間密封膠很少，如圖3所示。

a)環狀退刀紋 b)起皮、劃傷 c)缺少密封膠

管接頭裝配時，先將管接頭密封部位涂抹243密封膠，然后工人手持鐵錘將管接頭敲進出水管，裝配完畢后人工目視檢查管接頭與出水管接合部位是否緊密貼合、管接頭是否歪斜等。人工裝配時，如果鐵錘與管接頭受力不在同一直線上，導致出水管內壁劃傷、材料單邊堆積等問題，密封帶遭到破壞，出水管內孔變形，過盈密封失效，密封全部依靠密封膠的鎖固作用，漏水故障隱患較大[8-9]。

綜上所述，可以確定出水管漏水的主要原因為人工裝配過程不規范及管接頭粗糙度不達標。其他如水泵、三通管等同樣采用管接頭過盈配合密封方式的零件，都存在類似漏水故障隱患，改進管接頭結構和裝配工藝具有重要意義。

2 裝配工藝改進

為解決過盈配合密封的管接頭漏水問題，對出水管管接頭裝配工藝進行研究[10]，發現存在以下問題：1)管接頭頭部為毛坯面，采用人工敲擊裝配時管接頭頭部受力不均；2)出水管底面為毛坯面，出水管定位不準確，管接頭與出水管內孔不同心。

針對出水管管接頭裝配中存在的問題，從工具工裝、零部件等方面提出3種措施優化裝配工藝。

①設計出水管固定工裝。利用仿形方法，設計出水管固定工裝，將出水管固定，解決人工裝配時管接頭及出水管不同心問題。出水管固定工裝如圖4所示。

圖4 出水管固定工裝 圖5 提高粗糙度要求前、后對比 圖6 管接頭壓裝機

②提高管接頭頭部粗糙度要求。針對管接頭頭部受力面為毛坯面問題，增加管接頭頭部加工工藝要求，降低粗糙度值，解決裝配敲擊管接頭時，管接頭偏斜劃傷出水管密封帶內壁問題。提高管接頭頭部粗糙度要求前、后管接頭頭部照片如圖5所示。

③設計壓裝出水管管接頭壓力機及相應壓裝工裝。該壓力機采用壓縮空氣作為動力源，配備相應的限位措施等，保證壓力穩定可靠，解決人工敲擊管接頭造成力度不均勻問題。管接頭壓裝機如圖6所示。

進行為期2個月的裝配工藝試驗，驗證上述3種措施的效果，不同優化措施的檢測數量和故障率如表1所示。

表1 不同優化措施的檢測數量和故障率

由表1可知：措施①、②的優化效果不明顯，故障率仍較高。其主要原因為采用這2種措施時，仍然是人工手持鐵錘裝配管接頭，無法根本解決管接頭與出水管孔不同心及偏斜造成密封帶破壞問題。

采用措施③可有效解決出水管孔及管接頭不同心及偏斜問題，故障率明顯降低，但仍不能滿足將故障率降低至1%的目標要求，且采用壓裝機裝配管接頭，作業步驟復雜，單臺裝配耗時150 s，是正常生產節拍的2倍，無法滿足生產線要求。

對過盈配合密封失效原因的分析及過盈配合密封裝配工藝的研究表明，冷卻水路直徑為20 mm的管接頭，采用過盈配合密封受到裝配過程、零部件一致性等因素影響較大，改進措施無法滿足故障率和生產節拍要求，不建議采用該方式進行密封，需要從結構設計環節尋找突破。

3 管接頭密封結構優化

借鑒文獻[11-12]，設計2種管接頭密封優化方案：1)螺紋結構與螺母配合密封結構，如圖7a)所示；2)F型螺柱密封結構，該結構采用膠圈與出水管錐形倒角配合方式進行密封，如圖7b)所示。對2種優化管接頭進行為期2個月裝配工藝驗證試驗，驗證優化方案的可行性。采用2種密封優化方案的檢測數量和故障率如表2所示。

a)螺母與螺紋配合結構 b)F型螺柱密封結構

表2 采用2種密封優化方案的檢測數量和故障率

由表2可知，采用螺紋與螺母配合結構及F型螺柱密封后漏水故障率大幅降低，尤其是采用F型螺柱密封后，故障率下降到0.6%。

耐久試驗后，對采用F型螺柱密封結構的管接頭及相應膠圈進行拆檢，未發現異常，且該結構無需涂膠、對零部件螺紋配合要求不高，設計改進有效。

4 結論

1)對于對冷卻水路起到密封作用、直徑為20 mm的管接頭，采用過盈配合密封方式受到裝配過程、零部件一致性等因素影響較大，現行裝配工藝很難兼顧密封性和生產節拍要求，不建議采用。

2)設計螺紋結構與螺母配合密封、F型螺柱密封2種新的密封結構。裝配工藝試驗結果表明：F型螺柱密封結構密封性可靠，漏水故障率僅為0.6%，且無需涂膠，對零部件螺紋配合要求不高，滿足設計要求。