柴油机汽缸盖垫片密封失效故障分析及改进

梁 毅

(广西嘉德机械股份有限公司，广西 玉林 537000)

0引言

汽缸盖衬垫有2种形式，即分体式和整体式。在分体式缸盖中，它由镶嵌橡胶圈和金属骨架组成，缸口封气采用低碳钢板环，环形封气为平板型、无压波浪型、迷宫型和不同厚度的缸口封气类型。这种垫片的结构一般零件较多，拆装繁琐，因此在现阶段已不被经常使用。现阶段常用的汽缸盖垫片为整体式结构。这种结构的垫片由密封油、密封水等封件共同组成，在使用、维护和组装方面更加方便。

柴油机缸盖衬垫受力状态复杂，始终处于高压、高温、高爆状态。为了确保汽缸盖密封无泄漏，同时要考虑密封安全，本文通过模拟分析和试验验证汽缸盖密封泄漏原因对其系统地进行了分析，并提出了改进意见。

1故障概况

在运行约117 h后，某柴油机汽缸的机体出现缸盖结合面漏水问题。在对该缸盖垫片的拆检过程中发现，水孔橡胶圈出现裂痕，为了保证其应用质量，因此维修人员更换了缸盖垫片，然后又进行了耐久性试验。在试验之后，确认柴油机汽缸盖垫应用状态，在检查过程中发现在其中2个缸垫的进气侧位置有异常情况出现。由拆检结果可知，柴油机缸盖漏水是由汽缸衬垫破裂导致的。汽缸垫泄漏位置汽缸口气封带上积碳较多，胶圈出现裂纹的位置与燃烧室邻近，由此可知胶圈破裂是导致汽缸泄露的主要原因。然后检查汽缸盖，发现汽缸盖垫片的进气侧位置有严重的垫片磨损问题。然后再进一步查找原因，发现缸盖与缸体的分离间隙超过常规标准，缸盖与缸盖垫片的摩擦较大，震动较大，进而造成了密封面的严重损坏。

分析了影响汽缸盖密封性能的2方面因素，一是模拟计算汽缸盖提升量与汽缸盖密封带接触压力情况，二是研究汽缸盖螺栓拧紧工艺对汽缸盖密封性能的影响。

2仿真分析

2.1汽缸盖垫片抬升量

利用Proe软件建立了汽缸盖、汽缸垫、汽缸体和汽缸内胆的精确三维模型。利用HyperMesh有限元分析软件共享预处理网络，确定汽缸体、汽缸垫、汽缸垫和汽缸盖的接触特性，并对其施加精确的边界条件。通过ABAQUS求解器迭代计算得到了汽缸垫的提升速度，通过对汽缸盖的整体仿真计算，评价了汽缸盖与缸体进气侧2个螺栓之间的刚度。结果表明，当汽缸盖燃烧室发生爆燃并达到轮毂最大高度14.39566m时，汽缸盖升程大于圆周方向上的其它位置。拆卸检查确定后，缸盖密封进气侧密封条磨损，有漏气痕迹，说明进气侧牵引力较大，与仿真结果一致。

2.2汽缸盖垫片冷、热态缸口位置面压

为了确保缸盖垫片的密封性，缸盖垫片接触面的接触压力应大于缸体最大爆炸压力。但实际上该柴油机气缸盖接触压力低于工作负荷的最大气压，存在着密封排气的危险。

2.3缸盖螺栓拧紧工艺对比

内燃机缸盖密封的密封功能主要是通过缸盖螺栓的张紧力来实现的。适当的螺栓张紧力是缸盖密封的关键。若拔下缸盖螺栓，螺栓的轴向力将压缩缸盖的密封带，从而产生回弹力。反作用力的回弹力作用于汽缸体内和汽缸盖，使汽缸内的回弹力大于气体压力，达到密封效果。对故障机汽缸盖主副螺栓连接状态的轴向力进行测试，结果见表1。

从表1中可以看出，螺栓的阻尼比副螺栓的阻尼大，对汽缸盖的进出口端2个主螺钉的位置密封有一定影响[1]。然后，对缸盖螺栓的缠绕过程进行检测与分析，发现现有的缸盖螺栓缠绕工艺并不适合，后2步显示，缸盖的附加螺钉使缸盖轴力减低，因此该程序必须改进。

3改进方案

3.1汽缸盖和汽缸体进气侧结构改进

通过对进气侧缸盖和缸体的结构模型进行改进，对填料进行加高刚度处理，以减少高爆震压下缸盖的提升。经过改进，使缸盖最大升程降至13.6 μm，接触压力增大。

3.2缸盖螺栓拧紧工艺改进

在汽缸盖密封中，合理的螺旋传动功率至关重要。缸盖螺栓的连接过程对缸盖螺栓的轴向力和顶板与顶板的接触压力影响较大。仿真计算和实际测量的结果应加以优化。最终步骤是拧紧主螺钉，确保螺栓具有足够的拧紧力。

在进行新的螺栓紧固程序试验后，汽缸盖螺栓轴向力和螺栓轴向力应增大。

对缸盖螺栓进行了优化设计后，发现缸盖密封进口侧2个主要螺钉中间的缸盖厚度最小；经汽缸盖螺栓缠绕工艺改进后，汽缸盖的提升体积明显减小，汽缸盖密封的接触压力也随之增加，这意味着汽缸盖密封进口的接触压力高于汽缸盖密封的最大爆气压力，通过对缸盖螺栓进行调整，使缸盖密度最小、接触压力最大分别增加25%和30%左右，能够较好地满足柴油机气缸密封的要求[2]。

4试验验证

通过全负荷抗力试验和热冲击试验，研究在固定和临时温度场条件下，按修正后调整值和1000 h满载阻力分别对发动机进行改造，做3000倍的热冲击试验。实验结果表明，改进后的密封条无渗漏、磨损现象，调节效果良好。

5结语

模拟计算和试验结果表明，提高缸体和缸盖进口侧的刚度，可以有效地降低缸盖的推力。改进缸盖主副螺栓的连接方式，使其轴向拉力增大，使缸盖密封带的接触压力增大；通过改进前后缸盖提升量的对比分析，确定缠绕过程中缸盖螺栓的位置对缸盖提升的影响。根据模拟分析和试验结果，对汽缸盖、缸体、汽缸密封等结构进行合理的设计和改进。并对缸盖螺栓缠绕工艺进行了优化。对改进装置进行了仿真分析和耐久性试验。