发动机活塞密封圈失效分析

朵小英 郭庆元

摘 要：圈密封具有安装使用方便，密封可靠，高压降下作用稳定且对相互衔接零件的摩擦力小等优点，在工程中被广泛采用。活塞是发动机主要运动件之一，活塞在工作过程中受燃气的冲刷和加热，工作环境恶劣。为了保障活塞的正常稳定工作，需要提供良好的润滑环境。活塞处于发动机的心脏部位，高速、高温、高压且不断变向的工况环境，致使其润滑非常困难。不良的润滑会给动力系统带来一系列不良影响，如功率下降、磨损加剧、机油上窜、耗油量急增等，导致内燃机的动力性、经济性、可靠性等性能全面下降。鉴于此，本文对发动机活塞密封圈失效进行分析，以供参考。

关键词：密封圈;润滑;密封失效;抗氧化性

0 引言

分别从密封圈压缩量、试验后活塞环状态以及滑油变质三个方面分析了造成密封圈断裂的原因，计算结果表明活塞密封结构设计合理、试验后活塞环状态正常，导致试验中异常停车的原因是润滑油氧化安定性差，接触铜后发生氧化反应，导致滑油变质，润滑失效，密封圈断裂后燃气泄漏。热车试验结果表明：改型润滑油不能满足发动机的润滑使用需求。

1 故障原因分析

1.1 形圈压缩量校核

活塞密封用于密封燃气，属于径向密封结构类型，密封圈尺寸为φ32mm×2.4mm。按照CB1236-95中对往复气动密封的要求，对圈压缩率、内径拉伸率、外径压缩率要求范围分别为：9.8%～20.0%、≤6%，≤5%。校核后圈压缩率、内径拉伸率、外径压缩率分别为11.34%～20.0%、2.3%与3.8%，满足参考标准的要求。

1.2 滑油变质分析

（1）乳化反应分析。润滑油形成乳化液必须具有三个必要条件：1）必须有互不相溶（或不完全相溶）的两种液体。2）两种混合液中应有乳化剂（能降低界面张力的表面活性剂）存在。3）要有形成乳化液的能量，如强烈的搅拌、循环、流动等。

在实验室中对使用过的润滑油加热，用温度计对滑油温度进行实时监测，加热至100°时滑油开始沸腾，持续加热，沸腾加剧，温度迅速上升到120°，之后温度逐渐下降，沸腾减弱，被加热的滑油发出噼啪声，继续加热，滑油开始冒烟，油温逐渐上升到160°后趋于稳定。将滑油盛出，滑油由加热前的乳状变为黑色油状，发亮，不透明。

（2）氧化反应分析。试验后的润滑油呈黑色，而该润滑油使用前棕褐色，油发亮，较粘稠，呈半透明状态。很明显，润滑油中除了与水发生乳化反应，还产生了一些黑色固体，加热后，黑色物体分散到润滑油中，导致润滑油变黑，且不透明。将未掺水的润滑油进行加热，润滑油在170°左右冒烟，继续加热后油温不再上升，盛出后颜色呈棕褐色，油清亮，与加热之前相比颜色略有加深，目测无明显异常。

（3）诱导期测试。诱导期是指在规定的加速氧化条件下，油品处于稳定状态所经历的时间周期，以分钟表示，它是评价油在长期贮存中氧化及生胶趋向的一个项目。油的诱导期越短，则安定性越差，生胶越快，可贮存的时间也越短。在230℃，氧气加压条件下对本次试验使用的新型润滑油和前期一直使用良好的润滑油进行诱导期测试。从图中可以看出：在该试验条件下，前期使用的润滑油开始氧化时间为38.54min，本次热车试验使用的新型润滑油开始氧化时间为16.91min。实验表明：与前期使用的润滑油相比，本次热车试验使用的润滑油诱导期较短，安定性较差。

（4）氧化腐蚀安定性。润滑油工作中会接触铜，开展了铜片的氧化试验。对本次试验使用的新型润滑油和前期一直使用良好的润滑油进行了氧化腐蚀安定性试验。试验后润滑油和铜片的状态见图3、图4所示。从图中可以看出：经过氧化实验后，本次试验用的润滑油颜色发生了显著改变，由实验前的棕色透明变为了试验后的黑色不透明，与热车试验后的润滑油颜色接近。此外，铜片也发生了氧化，在铜片表面生成了黑色物质。而前期使用的润滑油和铜片在试验前后并明显改变。

2 故障定位

本次试验润滑油经历的过程为：将干净的润滑油加入发动机-发动机工作在此过程中润滑油接触钢、铝、铜，承受高温、发动机极压-活塞密封圈断裂漏气，燃气进入舱段，接触滑油-停车。从分析结果来看，本次试验使用的润滑油在工作中接触铜，在工作中与铜发生氧化反应，造成滑油变质，润滑失效，最终导致发动机活塞密封圈断裂，燃气泄漏。

3 结论

（1）不同材质的密封件各有优劣，应针对具体的使用环境进行合理选用。由于丁腈发动机的耐候性能相对较差，因此，对耐候性能要求较高及可能裸露在外界的密封件材料不宜选用丁腈发动机。不同生产厂家的配方和合成工艺不一样，密封圈性能不一，除在采购时应明确相关技术指标外，到货后还应进行相关质量抽检，以保证质量。

（2）从设备制造阶段开始就加强对密封件的质量验收的现场抽查工作;在设备安装阶段应保证密封件无扭曲、变形、裂纹和毛刺，满足密封件与法兰面的尺寸相配合、安装位置和压缩量准确等要求;在设备运维检修阶段，各密封处应无渗漏，如存在裂纹等老化现象的密封件，应结合设备检修进行更换。

4 结束语

密封性是评价机械产品质量的一个重要指标，密封失效是造成非计划停车的主要原因，据统计60%的非计划停车都与密封失效有关。统计显示机械设备质量事故的1/3以上是由密封件失效引起的。发动机密封件虽然其本身价值不高，但因为安装简便、密封可靠，在机械设备的液压气动系统上普遍使用，起着关键的作用，一旦失效，就会出现泄漏，引起系统压力下降，导致设备无法工作，外漏还会导致环境污染，甚至出现安全事故。

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