運用8D工作法降低柴油機曲軸油封故障率

田大志，邱揚文

（濰柴動力揚州柴油機有限責任公司，揚州225009）

運用8D工作法降低柴油機曲軸油封故障率

田大志，邱揚文

（濰柴動力揚州柴油機有限責任公司，揚州225009）

8D工作方法以團隊運作為導向，以事實為基礎，避免個人的主見的介入，使問題的解決更具條理性和合理性。問題的解決，由公司各部門人員共同投入，求得創造性及永久性的解決方案。8D工作法的有效實施需依賴其它的質量工具，FMEA分析、魚刺圖、控制計劃、試驗設計（DOE）等。降低柴油機曲軸油封故障率是運用8D工作法的一個嘗試，有效解決長期困惱的質量問題。

8D工作法曲軸油封故障率

1 前言

發動機曲軸前、后端分別采用骨架式油封進行密封，其作用是防止曲軸箱內的潤滑油泄漏。我公司柴油機最初使用的是丁晴橡膠骨架油封，漏油故障率最高曾達到19%。后改用氟橡膠、聚四氟乙烯油封后，故障率下降至3%，效果十分明顯。但質量仍不穩定，時常還有突發性批量曲軸油封漏油的事故發生，客戶抱怨也頗多，成為困惱我們質量穩定提升的一個難題。為進一步降低前、后油封漏油的故障率，我們公司開始嘗試采用8D工作法解決這一質量難題。

8D工作法是美國福特公司為解決產品質量問題而采取的一種方法。曾在其供應商中廣泛推行，現已成為國際汽車行業（特別是汽車零部件廠家）廣泛采用的解決產品質量問題一種有效的方法。1987年，福特汽車公司首次采用書面形式記錄下8D法，并在其一份課程手冊中將這一方法命名為“團隊導向的問題解決法”（Team Oriented Problem Solving）。

2 油封漏油故障因素的查找

2.1 骨架式油封工作原理

油封安裝在曲軸上，油封的唇口輕微變形，形成寬約0.25～0.5 mm的接觸帶（密封跨距）。軸轉動時唇口與軸之間存在著流體動力潤滑膜，其厚度約為2.5 μm（臨界油膜），其剛度正好使空氣側油膜在液體表面張力作用下形成一個新月面，防止工作介質泄漏，如圖1所示。新月面的形成與保持，是油封密封的必要條件。此外，軸旋轉時，在摩擦力作用下唇口的環型內壁被拉長，伸長部分只能以皺紋形式存在于內壁上。當在唇口與軸的接觸寬度內，油腔側曲線斜率大于空氣側斜率的徑向壓力分布時，在空氣側的唇口內壁皺紋就會形成微型反旋螺紋，產生吸力，使油腔的油無法向空氣側泄漏。所以，唇口空氣側微型反旋螺紋的形成是油封密封的充分條件。

圖1 油封密封原理圖

2.2 故障因素查找和分析

首先對2011年至2012年期間市場反饋油封漏油的數據進行收集整理，繪制成圖，作為攻關的依據，見圖2。

針對油封漏油故障，梳理出其主要模式表現為：（1）油封唇口異常磨損；（2）油封蝶型變形；（3）油封溶脹、硬化、龜裂（與潤滑油相容性不良）；（4）凸輪軸大堵片引起的漏油，造成誤判；（5）壓裝式油封結合面漏油；（6）油封外圓與安裝孔的過盈量小，跟轉漏油；（7）油封蓋安裝孔口未倒角，形成快口，安裝時外圓橡膠被切邊，造成漏油。

采用頭腦風暴法，集中小組成員的智慧，分別從人、機器、料、方法和環境5個方面對可能影響油封密封的因素進行了分析和總結。

2.2.1 人（裝配過程人的因素）的影響

裝配時能否嚴格按操作指導書進行操作、正確使用裝配工具來保證油封骨架不變形及油封安裝孔軸線與曲軸旋轉中心同軸，是影響曲軸油封封油質量的一個重要因素。

裝配車間人員變動大，分廠缺乏足夠的時間對新進員工進行培訓，操作人員對工藝的理解不透徹，執行工藝不到位。

2.2.2 機器（油封壓裝和輸送過程）的影響

曲軸在輸送過程中，因吊裝不當、工位器具設計不合理對曲軸大端造成磕碰傷，這會直接造成使用過程中油封漏油。

工裝、設備維護不到位。后油封壓裝工裝使用周期長、精度下降，定位工裝磨損有毛刺，壓裝后油封發生外圓橡膠切邊或翻邊的故障。

2.2.3 料（設計、材料等質量）的影響

（1）油封及其相關零件的設計。主要影響因素為油封密封唇內徑、油封外徑、油封外圈寬度和油封安裝孔孔口倒角形式。油封密封唇內徑與曲軸表面的配合應為小過盈量的過盈配合。如油封密封唇內徑尺寸比軸尺寸大，則油封密封唇與軸頸不能形成有效的密封帶，無疑會在曲軸旋轉過程中出現漏油。油封的外徑與油封安裝孔的配合也應有一定的過盈量。油封裝入安裝孔后，即使在曲軸旋轉的作用下，也不允許油封轉動。若油封外徑尺寸公差帶選得偏小，與安裝孔形成的過盈量很小或為零，這將使曲軸在旋轉過程中通過摩擦力拖動油封整體運動，形成油封外圈與安裝孔間的相對運動，使油封外圈很快磨損，導致油封迅速失去密封功能。

油封外圈寬度應與安裝孔的深度相等。若油封外圈寬度尺寸大于安裝孔深度尺寸，則一方面使油封支撐不牢，導致曲軸在旋轉時油封易發生整體變形；另一方面，將使曲軸表面與油封密封唇在一定區域內移動，其結果是降低油封的密封效果，并使油封壽命縮短。

油封安裝孔孔口倒角，應設計成圓角，避免在裝配過程中銳邊對油封外圈橡膠剪切，造成壓裝過程油封歪斜，油封骨架受傷。

（2）油封材質的選擇：曲軸油封的材質選擇是關鍵之一。對材質的要求主要有3點：①密封材料與被密封材料的相容性要好；②材質應有較好的強度、彈性、耐磨性、耐低溫和耐高溫性，且彈性變形恢復得要快；③由于密封唇口摩擦產生熱量，因此，材質的耐熱性要高于工作溫度。

目前廣泛使用的曲軸油封的材質有氟橡膠和聚四氟乙烯。氟橡膠具有極佳的耐潤滑油（含有各種極性添加劑）性能，耐高溫可大于250℃，在150℃溫度下經100 h老化處理后其物理機械性能仍可保持90%以上，是高速曲軸油封的首選材料。聚四氟乙烯（PTFE）油封系列產品是近10年我國參照歐美國家的產品引進、消化、吸收的產品。聚四氟乙烯俗稱“塑料王”具有耐濃酸堿、耐油、耐磨、低摩擦系數等優點，同時還具有獨到的冷流特性，可以對磨損進行自我補償，特別適用于高轉速、大功率柴油機前、后油封的密封。這2種材質的油封在我公司均有應用，使用效果良好。

（3）與油封安裝有關的零部件的質量的影響

曲軸后端及曲軸皮帶輪的幾何形狀及其表面粗糙度對曲軸后油封的影響。若表面粗糙度的數值大于0.3μm，會使油封的唇口很快磨損，對密封極為不利，這是造成潤滑油泄漏的主要原因之一。曲軸和曲軸皮帶輪的跳動，使油封唇口對軸的表面壓力分布不均勻，也會造成曲軸或油封產生偏磨，使潤滑油泄漏。

曲軸后油封蓋油封安裝孔的尺寸及孔對曲軸的跳動對后油封的密封質量會有影響。

曲軸皮帶輪軸端的幾何尺寸及其表面粗糙度對前油封的密封質量會有影響。

拆除油封包裝的影響：裝配過程中油封包裝和唇口的襯托被過早地拆除，造成油封唇口吸附灰塵、唇口變形。

2.2.4 方法（裝配）的影響

必須設計合理的裝配工具，裝配工具要保證在裝配過程中保持油封的唇口及副唇不被劃傷。專用工具必須帶定位和導向，保證油封骨架在壓裝過程中不變形。

要在油封的唇口涂抹少量的耐高溫鋰基潤滑脂，防止新裝發動機曲軸在初始高速旋轉時無潤滑產生干摩擦，密封唇口早期燒蝕，在瞬間高溫情況下橡膠提前老化，出現龜裂，造成油封失效。

2.2.5 環境（裝配和使用環境）的影響

（1）曲軸油封裝配小環境的凈化，對封油質量的可靠性也有一定的影響。曾對幾例早期失效的曲軸前油封在45倍電子顯微鏡下進行切片觀察，發行在油封的主唇口處嵌有細微鋁屑（見圖3）。曲軸運轉過程中主唇口面劃傷，造成油封失效。

圖3 失效的前油封電子顯微鏡下的切片示意圖

（2）使用環境的影響

使用環境對曲軸油封的密封性影響很大。油封在良好的工作環境下可以獲得最佳的密封效果和最長的使用壽命。

曲軸的軸向間隙過大，將使軸頸表面與密封唇的接觸區域往復變化。一旦軸頸上的精加工表面超過密封唇的接觸區域，將會降低密封帶的密封性。曲軸和曲軸皮帶輪軸頸變形，將使軸頸表面與油封密封帶受到損害，從而直接影響密封效果。

外界灰塵進入密封唇內，或油液中雜質過高，在曲軸旋轉時，塵土和雜質微粒將變成密封唇與軸表面間的“磨料”，加速密封唇口的磨損。

發動機曲軸箱內油溫過高，會使潤滑油的粘度下降，使貯油端向空氣端的泄油量加大。油溫升高，潤滑油的氧化變質過程加快，也使油封的橡膠材料加速老化，彈性減弱，影響密封效果。

曲軸箱內油壓過高，貯油端由于背壓升高對空氣端吸力下降，甚至貯油端壓力高于空氣端壓力，降低或喪失了密封性能。

3 確定油封主要影響因素和解決措施

3.1 故障原因分析與改進措施

對照已分析出的影響因素，通過市場反饋和現場生產過程調查、信息分析、故障件分析、5WHY等對產生原因進行判斷，確定了主要影響因素（見表1）；采取相應的有效措施，并在實際生產中得到驗證，見表2。

表1 骨架油封故障原因的對照與判定

表2 最終改進措施

3.2 曲軸大端磕碰傷解決的實際案例

在生產過程中曲軸大端的磕碰傷問題一直未被識別。根據油封供方提供的經驗，有手感缺陷的部位在使用過程中肯定會漏油。攻關組成員分別在不同的時間段在總裝現場跟蹤，發現了這類現象，并對曲軸大端有觸摸手感的缺陷拍了照片，見圖4。

圖4 曲軸后油封安裝位置的磕碰傷

3.2.1 曲軸大端磕碰傷的分析

Why1：磕碰傷是什么時間產生的？檢查入庫的曲軸大端沒有磕碰傷，是在公司生產過程中產生的。

Why2：為什么會產生磕碰？生產過程中曲軸有幾次起吊的過程，生產線的節奏快，操作工未能很好地注意起吊的過程，造成與工位器具架磕碰。

Why3：為什么會產生磕碰傷？曲軸工位器具架為了減小占地面積，設計了可以相互疊放的支腳，在起吊時靠近支腳兩端的曲軸容易磕碰到帶銳邊尖角的支腳邊，造成磕碰傷，見圖5。

圖5 曲軸工位器具架

Why4：如何避免？修改工位器具架容易產生磕碰的支腳。通過深入追蹤，分析出曲軸工位器具設計不合理是造成曲軸大端磕碰傷反復出現的根本原因。

3.2.2 曲軸工位器具架改進設計

由相關職能部門對曲軸工位器具架進行改進設計。支腳兩端采用圓角設計，由攻關組對樣架進行評審。改進后的樣架如圖6所示。經過驗證，消除了生產過程中出現的曲軸大端的磕碰傷。

圖6 改進后的工位器具架

3.3 改進措施的驗證效果

隨著油封實施現場拆包裝、控制裝配的清潔度、曲軸工位器具架改進、曲軸后油封安裝孔改進設計、生產過程中裝配質量的控制、裝配工技能的培訓等措施的落實，市場反饋油封故障率呈現下降的趨勢，基本上能控制在1%以下，達到了預期目的。圖7給出了改進后市場反饋的油封漏油情況的趨勢圖。

圖7 改進后油封故障率

4 結論

影響曲軸油封密封性的因素眾多。降低柴油機曲軸油封故障率是我們運用8D工作法的一個嘗試，由公司各部門人員共同投入，按照8D工作法的要求，運用數據統計和質量分析的工具，依靠團隊的智慧，分析問題，找出解決問題的有效措施，解決了長期困惱我們的油封故障率高的質量問題。目前油封故障率穩定在1%以下。受曲軸油封漏油率降低的啟發，現公司針對各類問題，成立不同的8D工作小組來分析問題、解決問題。

Reduction of Failure Rate of Crankshaft Oil Seal with 8D Working Method

Tian Dazhi,Qiu Yangwen
（WeiChai Power Yangzhou Diesel Engine Co.,Ltd.,Yangzhou 225009,China）

8D working method is guided with team operation and based on fact,with which a problem is solved reasonably without person intervention..Every department is involved and works together to look for a creative and permanent solution.Implement of 8D working method needs other quality tools,such as FMEA analysis,fishbone diagram,control plan,test design(DOE)and so on.Reducing failure rate of crankshaft oil seal is a try of 8D working method.It has efficiently solved a quality problem which puzzled us for a long time.

8D working method,crankshaft oil seal,failure rate

10.3969/j.issn.1671-0614.2013.03.011

來稿日期：2013-06-25

田大志（1963-），男，工程師，主要研究方向為柴油機裝試技術和質量控制。