軸向密封與徑向活塞密封在發(fā)動機上的應用分析

馬旗，程姍姍，董志偉，姜斌，趙欣

（中國石油集團濟柴動力有限公司，山東 濟南 250300）

在發(fā)動機上，各零部件間的密封通常使用橡膠墊片、復合金屬墊片、密封膠、骨架式油封、錐螺紋、膠圈等多種方式完成。其中膠圈密封具有結構緊湊、可重復拆卸、更換方便特點，在進氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、燃氣系統(tǒng)等管路聯(lián)接中使用廣泛，其中軸向密封和徑向活塞密封兩種使用方式應用較多。為減小由于密封失效造成的損失，達到預期效果，本文針對這兩種密封方式的特點、應用中不足及改進措施進行了探討。

1 發(fā)動機密封系統(tǒng)及常見密封失效的表現(xiàn)

發(fā)動機密封一般分為動態(tài)密封和靜態(tài)密封，發(fā)動機的密封系統(tǒng)通常有氣體密封系統(tǒng)(進氣密封、燃氣密封、排氣密封)、機油密封系統(tǒng)（高壓油路密封、低壓油路密封)以及冷卻液密封系統(tǒng)。通常采用橡膠墊片、復合金屬墊片、密封膠、骨架式油封、錐螺紋、O形圈及各種異形膠圈等多種密封方式。

發(fā)動機如果出現(xiàn)密封失效，則會造成機油、燃油、燃氣、冷卻液的漏泄，其漏泄如發(fā)生在機體內(nèi)部，將造成發(fā)動機的故障，如燃油與潤滑油混合、潤滑油與冷卻液混合；若發(fā)生在發(fā)動機外部，則將可能造成發(fā)動機故障并污染環(huán)境，即使上述漏泄未引起發(fā)動機故障，也會污染機體表面。

密封的本質(zhì)在于阻止被密封的空間與周圍介質(zhì)之間的質(zhì)量交換。改善密封的原則有盡量減少密封部位、堵塞或隔離泄漏通道、增加泄漏通道中的流動阻力介質(zhì)通過泄漏通道泄漏時會遇到的阻力，采用永久性或半永久性連接采用焊接、釬焊或利用膠黏劑可形成永久性連接。

采用O形圈阻止不同空間之間的介質(zhì)交換在發(fā)動機的密封方式中占了一定比例，它常常用于需要對發(fā)動機零件進行一定頻率拆裝的場合。O形橡膠密封圈可用作外徑、內(nèi)徑、端面及端面倒角等密封。用作動密封可實現(xiàn)孔(活塞)密封、軸(活塞桿)密封及旋轉運動軸密封。在GB/T 3452液壓氣動用O形橡膠密封圈標準中，詳細規(guī)定了各種密封型式溝槽尺寸及膠圈規(guī)格。

2 軸向密封方式和徑向活塞密封方式

軸向密封及徑向密封是液壓氣動領域通過O形圈進行密封兩種基本方式，其中徑向密封又分為活塞密封、活塞桿密封及帶擋圈密封三種溝槽型式，軸向密封分為受內(nèi)部壓力的溝槽和受外部壓力的溝槽兩種型式。本文對活塞式動密封不作討論，僅重點討論發(fā)動機各類管路通過O形圈進行密封的靜密封結構。軸向密封常使用受內(nèi)部壓力的溝槽密封方式。徑向密封常使用活塞密封方式，圖1（a）為標準推薦的軸向密封溝槽型式，在發(fā)動機實際結構上，由于零件空間所限，也有將溝槽簡化為階梯孔的型式，如圖1（b）所示。

《GB/T3452.3液壓氣動用O形圈橡膠密封圈溝槽尺寸》對圖1a)軸向密封及圖2徑向活塞密封溝槽的幾何尺寸、形位公差及表面粗糙度給出了詳細的推薦值。

圖1 軸向密封

圖2 徑向活塞密封

3 軸向活塞密封的應用特點及不足

在發(fā)動機管路與平面垂直相接的孔道聯(lián)接結構中，通常采用軸向密封方式。這種方式具有結構簡單、加工便利、裝配簡單且占用空間較小的優(yōu)點。

在設計溝槽尺寸及選取膠圈時，可以按照國標推薦的尺寸及規(guī)格選用。但在使用過程中，由于相配合零件尺寸鏈較長、發(fā)動機的溫度變化以及機油介質(zhì)的浸泡作用，按標準推薦設計的公差無法保證膠圈壓縮量在合適的范圍內(nèi)。

在室溫條件下，油介質(zhì)浸泡使O形圈強度、硬度增加，尺寸增大。溫度越高，O形圈的硬度越高，尺寸變形量越大。會使O形圈的壓縮量偏離設計值。根據(jù)1000h加速老化研究結果顯示，在溫度為80±5℃時，從19%～31%7種不同壓縮量，密封制品硬度增加，密封圈線徑均減??；線徑為3.5mm，壓縮率為29%時，性能最優(yōu)；線經(jīng)為6.99mm，壓縮率為25%時，性能最優(yōu)；線徑為8.6mm，壓縮率為25%時，性能最優(yōu)。這幾種線徑在最佳壓縮率時，壓縮永久變形量最小，老化性能最優(yōu)，密封性能最好。

圖3 為發(fā)動機水套、機體間的軸向密封實例，水套1、缸蓋2、缸蓋墊片3、缸套4、機體5依次相連接，水套下部與機體之間的間隙g2受尺寸鏈累積誤差的影響變化較大。膠圈安裝空間高度為：g=h1+h2+h3-h4+g1。

將本例零件各部分尺寸及公差值代入，得到間隙g的極限值

此例中膠圈規(guī)格d2為5.3±0.13mm。

膠圈壓縮率為：

經(jīng)計算，其最小與最大壓縮率分別為11.2%及28.7%，此時最小壓縮率已不足15%，根據(jù)前述密封圈1000h加速老化研究數(shù)據(jù)，O形圈線徑d2=5.3的最優(yōu)壓縮率至少應為25%，綜合考慮發(fā)動機工作產(chǎn)生的零件變形及振動、溫度變化及機油浸泡等影響，這種情況下可能導致膠圈的密封能力不足。

多個零件相連的油路密封結構中，也可能由于累積誤差，出現(xiàn)O形圈最大壓縮率超過29%的情況，此時，疊加溫度、油浸及發(fā)動機振動變形等因素，在壓縮率過高的情況下，容易加速膠圈老化，從而發(fā)生塑性變形而失去部分彈性，導致密封效果下降。

在這種情況下，僅僅通過提高各相連零件加工精度，調(diào)整溝槽公差尺寸，難以有效確保膠圈壓縮率控制在合理的范圍之內(nèi)，可以將徑向密封結構更改為徑向活塞密封方式。

4 徑向活塞密封方式的應用

4.1 徑向活塞密封的應用特點

徑向活塞密封既可以用于動密封，也可以用于靜密封。在發(fā)動機進氣管路、燃氣管路、潤滑管系、冷卻管系的管件之間的連接結構中，為了彌補裝配誤差及熱變形，常將中空活塞體作為管件的一端，活塞缸作為管件的另一端，中間供流體介質(zhì)流通。

徑向活塞密封方式也可以應對發(fā)動機工作過程由于振動造成的零件軸向位移，在振動場合下活塞發(fā)生軸向位移，這種狀況相當于動密封的一種形式?；钊芊獾慕Y構較軸向密封復雜，占用空間較大。

4.2 徑向活塞密封在管路與平面聯(lián)接中的應用

本文3中發(fā)動機水套、機體間的軸向密封由于累積誤差較大導致密封能力不足，可以改為徑向活塞密封方式，其結構如圖4（a）所示，圖中活塞為中空結構，為油路提供通道，也稱為串油管。在串油管的兩道槽中，裝有O形圈進行密封。

在本例的實際裝配過程中，由于水套通過定位銷與機體相連，會由于加工及裝配誤差會造成串油管裝配困難。

整個水套通過內(nèi)孔ΦD裝在氣缸套外側，定位銷裝在銷孔Φdp內(nèi)，水套及機體安裝串油管的孔為Φd4，見圖5（a）。水套及串油管安裝孔相對定位銷孔的位置度均為Φ0.06，如圖5 （b）所示。

串油管與安裝孔的配合為偏差為H8/f7，在缸蓋與水套的串油管與定位銷的位置度都處于極限狀態(tài)時，圖中C1為缸蓋串油孔中心，C2為水套串油管中心位置,它們都分布在Φ0.06的圓上，此時，二者所允許的最大串油管外徑，Φd9max=Φd4min-δ。由于δ=0.06，故Φd9max=Φd1min-0.06。根據(jù)標準Φd1min=Φ30，則Φd9max=Φ30-0.06。

5 結語

軸向密封及徑向活塞密封在發(fā)動機的進氣管路、燃氣管路、潤滑管系、冷卻管系等不同系統(tǒng)中都有應用。需要根據(jù)零部件的具體結構，對這兩種膠圈密封方式進行選擇，以達到預期的密封效果。