发动机活塞密封圈失效分析

孙继红

摘  要：某活塞发动机采用O形圈动密封，在进行新型润滑油性能验证试验中，密封圈断裂，导致燃气泄漏。为了明确导致密封圈断裂的主要原因，分别对密封圈压缩量、活塞环状态以及润滑油进行了计算、观察与试验。分析结果表明：该发动机活塞密封结构设计合理，热车试验后活塞环状态正常。密封圈断裂是由于润滑油抗氧化性较差造成。润滑油在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停车。热车试验结果及试后分析表明：该型润滑油无法满足该型发动机的润滑需求。

关键词：O型密封圈;润滑;密封失效;抗氧化性

中图分类号：TH136         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）36-0105-03

Abstract： The O-shaped seal ring is utilized in the engineering for its reliable sealing. A power test for the effectiveness validation of the new type lubricating oil was discontinue suddenly for the reason of the ring broken and the gas leak. To clarify the main reason of the test failure， a lot of working had been done such as the computation of the compression amount of the sealing ring， the piston ring status and experiment analysis of the lubricating oil. Our results showed that the piston sealing structure was reasonable and the piston ring status was normal after test， the chief reason for the test failure was that the oxidation resistance of lubricating oil is poor. The power test and analysis showed that the tested lubricating oil cannot satisfy the demand of the engine lubrication requirement.

Keywords： O-shaped seal ring; lubrication; sealing failure; oxidation resistance

O型圈密封具有安裝使用方便，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[1]，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[2]。活塞和气缸套之间通常采用活塞环和橡胶O形圈的组合密封方式，用于密封燃烧室产生的高温高压燃气以确保活塞与气缸套的密封。O形圈安装在活塞表面，在工作过程中同样会接触到润滑油，因此，润滑油必须同时有效润滑活塞、活塞环以及密封圈。有效的润滑是发动机稳定可靠工作的重要保证。因此，发动机活塞的密封与润滑一直是工程中研究的重点与难点。

熊春华等[2]对缸套活塞环润滑模型进行了计算，提出了适用于缸套活塞环的润滑油粘度指标。张志才等[4]为解决润滑油出现的高温性能差等问题，试验考察了两个黏度等级重负荷动力传动通用润滑油在柴油发动机上的实际使用性能。王丹等[5]通过发动机台架试验，研究黏度对发动机摩擦功、功率、扭矩及油耗的影响。莫丽等[6]采用有限元方法，对O 形圈往复动密封中的密封性能，以及不同工况下的力学性能进行了研究，文章中提出往复动密封中，为了保证O 形圈的使用寿命和启动性能，不宜取过大的预压缩率。王隽[1]对船舶艉轴密封装置中的O形橡胶密封圈失效原因进行了详细分析，他在文章中指出，橡胶圈压缩率偏大，橡胶环及与其接触部件的材质硬度偏低和加工精度不够， 密封沟槽宽度偏大， 磨粒侵入和润滑不良是导致艉轴密封装置O形橡胶密封圈失效的主要原因。李耀东等[7]对舰载设备装置中常用的大直径的回转装置密封结构摩擦力过大问题进行分析，并提出了减摩措施。

为了验证某新型润滑油对发动机的润滑效果，开展了发动机热车试验。试验中途故障停车。产品分解后发现，活塞密封圈断裂，导致燃气泄漏，发动机停车，同时，润滑油试验后性状发生显著改变。为了明确造成密封圈断裂的主要原因，分别从密封圈压缩量、活塞环密封以及滑油变质三个方面，分析了造成密封圈断裂的可能性。

1 试验故障描述

发动机活塞密封结构示意图如图1所示。活塞与气缸套之间的密封采用三道活塞环与一道O形圈的组合密封方式。密封环的作用是减少高温高压燃气接触橡胶O形圈，避免O形圈密封介质温度过高，损坏密封圈。为了保障活塞的稳定运动以及密封可靠性，对活塞、活塞环以及密封圈进行强制润滑。

热车试验中，机舱压力突然超限后试验台启动自动停车功能。试验后释放润滑油，将产品分解，发现发动机的一个活塞密封圈断裂，同时润滑油颜色性状与试验前差别较大，图2为试验前后润滑油的照片。从图中可以看出：试验前润滑油呈棕褐色，油发亮，使用后的润滑油呈灰色、糊状，非常粘稠。从试验后润滑油的颜色来看，润滑油极有可能在发动机停止转动前发生了乳化反应。为了判断是否有水掺入滑油，对试验后的润滑油进行称重，结果显示滑油重量与试验前一致，这表明：试验过程中没有大量水进入滑油。从分解情况来看， O形密封圈断裂导致燃气泄漏是导致机舱压力升高最终停车的唯一原因。

将润滑油静置30分钟后，装润滑油的瓶底有大量灰色沉淀物。静置3天，滑油底部呈现黑色胶状物，如图3所示。

2 故障原因分析

2.1 O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[8]中对往复气动密封的要求，对O形圈压缩率、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O形圈压缩率、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。

2.2 活塞环密封失效

从发动机的分解情况可以明确：导致机舱压力升高、超限，最终自动停车的原因为发动机活塞密封圈断裂后燃气泄漏造成。产品分解后观察发动机活塞环，发现靠近密封圈位置的活塞环仍具有较好的弹性，排除了由于活塞环失效，大量燃气接触密封圈从而导致密封圈断裂的原因。

鉴于该套发动机完成过多次与本次试验相同工况的热车试验，试验过程及试验后产品分解并无异常，而本次试验更换了新型润滑油，滑油使用前后性状发生显著改变，分解后除密封圈断裂外，活塞环等其它组部件无异常，因此造成密封圈断裂的原因可能是由于更换润滑油引起。

2.3 滑油变质分析

从试验后的润滑油状态来看，润滑油可能发生了两种反应。一种反应导致滑油乳化，另一种反应导致滑油产生黑色胶状沉淀。前者称为乳化反应，后者称为氧化反应。

2.3.1 乳化反應分析

润滑油形成乳化液必须具有三个必要条件[9]：

（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，如图4所示。

由上述现象可以判定，试验中滑油混入了少量水份，滑油经过发动机的强烈搅拌发生乳化反应，通过持续加热将水份蒸发后，滑油由糊状恢复为油状。

为了验证加水能使该滑油乳化，取干净的滑油，加入少量自来水，进行搅拌后，发现原本清亮透明的滑油迅速变成不透明的糊状，图5所示。

由此实验可以判定，在试验中，有少量水份混入滑油，产品工作时充分搅拌导致润滑油乳化。试前试后润滑油重量无明显变化，考虑到放油时仍然有少量润滑油残留在产品中，因此可以判定混入润滑油中的水份很少，应该与残留在产品中的润滑油重量相当，而水份只能来自燃气中的水蒸气。

通过以上试验现象及分析，可以确定：润滑油在停车前与水发生乳化反应，导致滑油乳化，润滑油中的水份来自于燃气。燃气泄漏后，其中的水蒸气在发动机的搅拌下，造成润滑油乳化。

2.3.2 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。如图6所示。

润滑油简单加热前后无明显异常，但是润滑油的实际工作环境为高温高压，润滑油工作中接触铝、钢、铜等多种金属，不是简单加热所能模拟的。为了进一步探究润滑油变质的原因，开展了润滑油诱导期测试与氧化腐蚀安定性测试。

（1）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[10]。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，结果如图7、图8所示。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。（2）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9、图10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。

3 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。

4 结论

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。

参考文献：

[1]王隽.船舶艉轴密封装置O形橡胶密封圈失效分析[J].润滑与密封，2007，32（4）：163-166.

[2]熊春华，王成彪，赵巍，等.润滑油粘度对缸套/活塞环摩擦学性能的影响[J].机械工程师，2011，6：9-11.

[3]张志才，郭小川，赵波，等.不同黏度等级润滑油在柴油发动机上的对比试验[J].后勤工程学院学报，2014，30（5）：41-46.

[4]王丹，叶年业，傅银泽，等.采用低黏度润滑油对发动机性能的影响[J].润滑与密封，2016，41（2）：132-136.

[5]莫丽，王军.O形圈动密封特性的有限元分析[J].机械科学与技术，2015，34（3）：386-392.

[6]古丽，熊明，邓勇，等.成品油管道输油泵机械密封失效分析及改进措施[J].润滑与密封，2018，43（8）：153-156.

[7]李耀东，毛军，夏方超，等.某大直径回转装置密封部位减摩实验研究[J].润滑与密封，2014，39（5）：129-132.

[8]党智祥，丛秀波，贾同民，等.CB1236-95.鱼雷用O形橡胶密封圈规格及密封结构设计方法[S].北京：中国船舶工业总公司，1995-12-19发布，1996-08-01实施.

[9]张瑞青，肖增弘，盛伟，等.汽轮发电机组润滑油乳化的原因及预防措施[J].沈阳工程学院学报（自然科学版），2006，2（2）：124-126.

[10]姜会泽，费逸伟，姚婷，等.PDSC热分析法在润滑油热氧化研究中的应用[J].化工时刊，2015，29（1）：23-26.