基于解决柴油发动机“三漏”问题的密封研究

时间：2023年5月基于解决柴油发动机“三漏”问题的密封研究

一拖（洛阳）柴油机有限公司郭宏恩目录CONTENTSPART01背景介绍PART03柴油发动机主要密封方式PART02柴油发动机“三漏”的危害PART05柴油发动机密封发展趋势PART04柴油发动机三漏检测技术一、背景介绍

一拖（洛阳）柴油机有限公司，坐落于牡丹之都河南省洛阳市，成立于1958年，专业设计、生产“东方红”品牌多缸系列柴油机，具有年产20万台的生产能力。公司为国家认定的高新技术企业，被中国农业机械化协会，中国农业机械工业协会、中国农业机械流通协会等单位授予“中国农机行业最具影响力品牌”、“内燃机行业排头兵”等荣誉。

公司专注于农业机械领域，立足于非道路领域的卓越应用，生产的“东方红”系列柴油机，依其动力强劲、可靠耐用、高效低耗、环保节能的优势特点，广泛应用于农业机械、工程机械、发电机组、船泊等领域。柴油机爆发压力高，扭矩储备大，机油压力高，作业工况恶劣，决定了其对密封性要求更为严格。二、柴油发动机“三漏”的危害柴油发动机的“三漏”故障一直是一块难啃的硬骨头，是发动机行业的一个老大难问题。

发动机“三漏”包括漏油、漏气、漏水。

漏油包括漏机油和柴油，分属于机油润滑系统和柴油供给系统；漏气包括漏进气和排气，分属于进气系统和排气系统；漏水属于冷却系统。

发动机漏油、漏水故障不仅使发动机表面粘附灰尘，看起来脏兮兮的。由于柴油、机油价格昂贵，很多厂家用的冷却水是防冻液，价格也不菲，所以漏油、漏水故障还会给用户造成经济损失。此外，发动机漏油、漏水严重时，还会造成发动机抱轴、拉缸、停机、启动困难等故障，给用户造成难以估量的损失。如果这些故障在三包期内，大部分损失要由发动机制造厂承担。

进气系统漏气，会使空气中的灰尘进入气缸，造成发动机气缸早磨故障，气缸间隙增大，下排气增大，发动机功率下降（没劲），冒黑烟，直至不能工作。发动机排气系统漏气，不仅污染环境，还可能造成火灾，严重时会车毁人亡。

发动机“三漏”的危害如此巨大，人们就需要并且渴盼密封性优良的发动机。三、柴油发动机主要密封的方式

密封可分为相对静止接合面之间的静密封和相对运动接合面之间的动密封两大类。

静密封的密封部位是静止的，如管道法兰、螺纹连接、压力容器与盖间的密封等。

动密封的密封部位有相对运动，可分为旋转密封和往复密封，还可以分为接触式密封和非接触式密封及无轴封三类。

发动机的动密封主要有活塞与气缸套之间的密封和曲轴的前后油封。

活塞与气缸套之间采用活塞环密封，属于非接触式密封，是活塞环开口位置相互错开的迷宫密封。

曲轴前后的密封一般采用橡胶骨架油封，用于密封柴油机曲轴箱内的润滑油。油封的外圆面与油封孔之间属于静密封，可以通过涂密封胶来加强密封性，解决泄漏问题。油封与曲轴之间采用主副唇密封，副唇朝外，用于防尘。主唇朝内，内表面有螺纹和驻油点。螺纹的旋向与曲轴旋向相同，进入油封主唇螺纹上的润滑油在旋转的曲轴表面带动下沿着螺纹返回曲轴箱，起到封油作用。螺纹上的驻油点的作用是在柴油机停止工作时，防止润滑油沿着主唇上的螺纹流出。动密封前油封后油封

发动机的静密封种类较多，有直螺纹密封、锥螺纹密封、锥面密封、O型圈密封、橡胶密封圈密封、组合密封垫圈密封、铜垫圈密封、铝垫圈密封、胶管密封、碗形塞片密封、接合面之间采用垫片密封、接合面之间采用密封胶密封等等。

1、直螺纹密封

直螺纹密封主要是针对一些空间位置小，无法加工成盲孔的螺孔的密封，如东方红柴油发动机的喷油泵法兰盘的紧固螺栓、液压泵连接板的紧固螺栓、飞轮壳与推杆室相通的一个紧固螺栓、水泵的个别紧固螺栓、节温器紧固螺栓等等。一般是在螺栓或螺柱的螺纹上提前涂预涂胶或现场涂螺纹锁固剂来密封。静密封

预涂胶一般采用设备涂覆，一致性控制较好，密封效果好；螺纹锁固剂需要操作工在现场涂覆，涂覆位置、多少、胶线形状等都影响密封性能，所以容易出现“三漏”故障。预涂胶即预涂干膜胶，分为锁固型和密封型两种。密封型预涂胶没有防松作用，仅起密封作用，适用于没有振动的机器或设施的密封部位。由于柴油机工作时振动较大，所以该类型预涂胶不适用于柴油机。东方红柴油发动机已停止使用密封型预涂胶。锁固型预涂胶既有防松作用，又起密封作用，特别适用于有振动的密封部位，如发动机上。

东方红柴油发动机的螺纹密封普遍采用锁固型预涂胶或螺纹锁固剂密封，其好处是这两类胶都具有防松作用，不怕振动，适合发动机使用。

锁固型预涂胶的缺点是拆卸力矩大，一些小零件、薄壁零件容易损坏，造成拆卸困难。

2、锥螺纹密封

锥螺纹密封零件主要有螺塞、接头等，其锥螺纹符合标准GB/T12716-201160°密封管螺纹（NPT）。

在东方红柴油发动机上，采用锥螺纹连接或密封的零件很多，如气缸盖上暖风接头、机体主副油道两端螺塞、机体侧面与主油道相通的斜油孔孔口安装的螺塞和接头、油底壳上机油标尺套管、水泵上暖风接头、节温器上螺塞和传感器、机滤上传感器、空压机弯管接头、暖风开关、放水阀等等。

这种NPT锥螺纹虽然名称为密封管螺纹，但是这种锥螺纹为过渡配合，本身并不起密封作用。以前采用白厚漆密封或在螺纹上缠生料带密封，近年多采用预涂胶或螺纹锁固剂密封。由于发动机工作时振动大，所以锥螺纹上一般采用锁固型预涂胶，避免松动，产生泄漏。也可以采用管螺纹密封胶，但是由于管螺纹密封胶表干时间过长，不太适合装机后很快进行出厂磨合试验的发动机，只有空压机弯管接头这种在试验时不起密封作用的场合才适用。

如果零件锥螺纹制造精度不良，由于预涂胶零件所涂预涂胶基本上是定量的，可能填不满螺纹之间的缝隙，仍然会出现泄漏现象。这时可以在锥螺纹的预涂胶部位再涂螺纹锁固剂，以加强密封。

有的锥螺纹零件如放水阀、暖风开关等有安装方向要求，会出现达到安装方向时锥螺纹扭矩小的情况，这种零件最适合在锥螺纹的预涂胶部位再涂螺纹锁固剂以加强密封。

3、O型圈密封

东方红柴油发动机气缸套、机油泵、喷油泵、飞轮壳、液压泵传动齿轮轴等零件采用O型圈密封，O型圈密封主要应用于圆柱形零件的密封，少部分应用于端面密封。要求选型合理；孔口有倒角，安装时避免切圈。

4、橡胶圈密封

东方红柴油发动机的气缸盖罩下部采用橡胶圈密封，该密封结构与O型圈密封结构类似。由于气缸盖罩一侧与排气管距离较近，温度较高，因此橡胶圈改用了耐高温的氟橡胶。

5、碗形塞片密封

东方红柴油发动机气缸盖、机体上很多工艺孔都采用碗形塞片密封。碗形塞片密封结构简单，密封可靠，制造成本低。碗形塞片密封需要在碗形塞片的圆周或孔的圆周涂碗形塞胶。

东方红柴油发动机的YTN机体加工线引进了机器人自动涂胶、检测及压装技术，涂胶、安装控制一致性好，质量稳定可靠。

6、胶管密封

东方红柴油发动机上使用胶管的部位较多，通风排气胶管、分油器回油管、增压器泄油管、EGR冷却器进出水管、小循环水管、增压器进气胶管等等。胶管与硬管应采用过盈配合。胶管一般采用普通卡箍、强力卡箍和弹簧卡箍紧固。弹簧卡箍的弹力一致性好，密封质量容易保证，但是其规格选择必须正确，否则容易脱落，造成渗漏故障。

7、垫片密封

这种密封是发动机上应用最普遍、最广泛的密封形式。以前，发动机上大部分的平面结合面密封都是采用垫片密封，如气缸盖垫片、进气管垫片、排气管垫片、齿轮室垫片、齿轮室盖垫片、加油口盖垫片、喷油泵垫片、法兰盘垫片、油底壳垫片、机油滤清器垫片、机冷器垫片等等。这是我们要重点研究和解决的密封形式。

7.1垫片的定义和作用

垫片是一种夹持在两个独立的连接件之间的材料或材料的组合。

垫片的作用是在预定的使用寿命内，保持两个连接件之间的密封。垫片必须能够密封结合面，并对密封介质不渗透和不被腐蚀，能承受压力和温度的作用。

7.2垫片的泄漏方式要求垫片密封，必须知道垫片的泄漏方式。垫片密封的泄漏方式分为三种：界面泄漏、渗透泄漏和吹出泄漏。

7.2.1界面泄漏：两个连接件表面（下称密封面）从机械加工的微观纹理来看，存在粗糙度和变形，他们与垫片之间总是存在泄漏通道，由此产生的流体泄漏统称为界面泄漏，它占总泄漏量的80%-90%。

7.2.2渗透泄漏：对非金属材质的一类垫片而言，从材料的微观结构来看，其本身存在微小的缝隙或细微的毛细管，具有一定压力的流体自然容易通过他们渗漏出来，这被称为渗透泄漏，它占总泄漏量的10%-20%。

7.2.3吹出泄漏：当夹紧垫片的总载荷因各种原因减少到几乎等于作用在结合面边沿的流体静压力时，导致了密封面的分离。这时若增加流体压力，对机械完整性很差的垫片，则沿垫片横向或径向作用的流体压力会将其撕裂，引起密封流体的大量泄漏，这被称为吹出泄漏，它属于一种事故性泄漏。

对于上述第二种情况，通常可通过不同材料的复合或机械组合形成不渗漏性结构，或者使用较大的压紧力使材料更加密实，减少以至消除泄漏；对于第一种情况和第三种情况，则与垫片材料性质、结合面的性质与状态、密封流体的特性以及紧固件夹紧程度等有关，他们也是解决垫片密封设计安装使用以及密封失效分析等问题的关键。

7.3垫片的密封机理

垫片用于对两个连接件密封面产生初始装配密封和保持工作密封。

7.3.1初始密封

在实际当中，连接件的两个密封面总是存在粗糙度，两者也不是绝对平行的，刚度也有限，加上紧固件柔度不同和排列分散，因此密封面的载荷通常是不均匀的。为了弥补这种不均匀的载荷和相应的变形，在两密封面间插入一垫片，使之适应密封面的不规则性。显然，要产生初始密封的基本要求是压缩垫片，使其与密封面间产生足够的压力（通常称为垫片预紧应力，也称初始垫片比压），以阻止介质通过材料本身渗透，同时保证垫片材料受压缩后发生的弹性或弹塑性变形能够填塞密封面的变形及表面不平，以堵塞界面泄漏的通道。

7.3.2工作密封

当零件内表面受到流体压力作用时，密封面被迫发生分离，此时要求垫片能释放出足够的弹性应变能，以弥补这一分离量，并且留下足以保持密封所需要的工作（残留）垫片应力。此外，这一弹性应变能还要补偿装置长期运行过程中垫片应力的松弛。另外，由于连接件不同的热变形，也导致垫片应力的降低或升高。

7.4垫片的分类垫片按照构造的主体材料分为非金属、半金属和金属垫片三大类。非金属垫片包括橡胶板垫片、石棉橡胶板垫片（已不允许使用）、无石棉橡胶板垫片、聚四氟乙烯板垫片、发泡橡胶垫片。东方红发动机上使用的非金属垫片主要有橡胶板垫片（机滤垫片）和辊压无石棉垫片（油底壳、齿轮室、齿轮室盖、内置机冷器、水泵、节温器、空压机等等）、发泡橡胶垫片（液压泵垫片）。

半金属垫片包括金属包覆平垫片、金属包覆波形垫片、金属缠绕垫片、金属增强复合垫片、金属波齿复合垫片、金属齿形复合垫片。东方红发动机上使用的半金属垫片主要有金属包覆平垫片（气缸盖垫片等）、金属齿形复合垫片（油底壳垫片、气缸盖垫片）。

金属垫片包括金属平垫片、金属波形垫片、金属齿形垫片、金属中空O形环、金属三角形环、金属八角（椭圆）形环、金属透镜垫。东方红发动机上使用的金属垫片主要有金属波形垫片（增压器垫片、排气管垫片等等）。

7.5.4密封带位置

密封带应设置在两个相邻螺栓的连线上，否则密封面上压紧力小，容易泄漏。发动机上很多泄漏部位都是这个原因，如节温器盖、节温器壳体、工作泵等等，采用两个螺栓紧固，密封带分布在螺栓连线的两边。

7.6垫片密封的加强

常温下使用的非金属垫片和半金属垫片为了加强密封，常常在密封带中间涂覆预涂胶，还有的在装配现场向垫片两面涂覆平面密封胶。

7.7典型的垫片密封结构——气缸盖垫片

气缸盖垫片是安放在气缸体和气缸盖之间的弹性密封元件。由于缸体和缸盖之间不可能绝对平整，因此，就需要有气缸盖衬垫来密封。气缸盖垫片要密封发动机三漏问题的气、水和油。其上水孔特别多，密封的气体不仅温度高、压力高，而且有腐蚀性。

气缸盖垫片材质有下列两种：

①金属垫A、单层金属：用单块光整的钢板制成，在密封处有弹性凸纹，靠凸纹的弹性及耐热密封胶的作用来密封。在国外已广泛使用。优点是强度高，密封效果好，但成本较高。B、多层金属板叠加：由上盖板、芯板、下盖板组成，其特点是依靠上下盖板、芯板上的凸起环进行线密封。

芯板采用低碳钢材料，通过冲压成型制成有密封凸起环的芯板，后再经过处理表面涂上橡胶涂层。密封凸起环的作用是为了加强燃烧室缸口的强度，抵抗高温、高压的冲击。芯板涂层的作用是弥补盖板的粗糙度。

上下盖板采用不锈钢材料表面加橡胶涂层，通过冲压成型制成有凸起环的上、下盖板。其凸起环分为半筋和全筋。作用是对水路和油路的密封。盖板涂层的作用是用于弥补缸体缸盖的粗糙度。

金属气缸垫适用于各种车辆发动机的耐高温、高压、气密、水密、油密的接合部位，其综合技术性能指标均超过了石棉气缸垫、无石棉气缸垫的指标，是气缸盖垫片的发展方向。

②半金属垫片

东方红柴油发动机最早的气缸盖垫片是铜皮夹石棉（已停止使用），随着技术的发展，出现了复合钢板石棉板垫片、冲刺板石棉板垫片、复合钢板无石棉板垫片、膨胀石墨齿孔复合板垫片和钢架石墨复合板垫片（冲刺板）等等。

气缸孔护圈结构：有双护圈、嵌入钢丝环型护圈、嵌入弧形密封环型护圈和双联圈护圈（已不使用）等等。

8、密封胶密封

密封胶取代垫片是密封技术发展的趋势。密封胶可以密封0.6mm以下的缝隙，对加工面质量要求不高。但是对零件清洁度要求较高，油污、异物、锈迹等等都影响其密封性，需要加以控制。

东方红柴油发动机上铸铁油底壳、齿轮室、齿轮室盖、喷油泵法兰盘都采用了密封胶密封。

提升油底壳结合面密封性措施：①铸铁油底壳采用涂胶代替垫片

由涂胶机在机体顶面涂1598硅胶。

效果：不仅密封性提升，油底壳螺栓扭矩下降幅度还明显减小。

③拖拉机型柴油机油底壳前部左右两边各4个螺栓采用12.9级螺栓代替10.9级螺栓，扭矩由65N.m增大至82N.m。

对油底壳螺栓拧紧机对拧紧扭矩程序进行改进，10.9级螺栓扭矩为65N.m，12.9级螺栓扭矩为82N.m。

②拖拉机型柴油机油底壳前部左右两边法兰加厚，提高强度。

④安装螺栓采用预涂胶螺栓，解决通孔漏油问题。

⑤机体排气侧油底壳固定孔由通孔改为盲孔。

⑦冲压油底壳垫片厚度增加。设计厚度由1.2改为1.5，安装打紧过程不容易产生裂纹。

⑥冲压油底壳垫片上预涂胶线位置变更。原预涂胶线在机体定位孔处位于定位孔下方，不起密封作用。预涂胶线外移，使其压在机体定位孔外的密封面上。

发动机都要进行出厂磨合试验，在这个过程中对“三漏”进行检查控制，可减少三包外赔率。

以前“三漏”的检查是通过目测、手模等方法，这种方法对于严重的故障比较适用，但是对于微漏、微渗故障却无能为力。

东方红柴油发动机出厂磨合试验引进了紫光灯黑光检测技术，对发动机早期微漏、微渗故障检测非常有效，把故障隐患把控在出厂前。

紫光灯黑光检测技术是在发动机出厂磨合试验用的润滑油中及试车液（冷却水）中加入一定比例的荧光剂，试验过程中检测三漏故障时，把试验室的照明灯全部关闭，然后用紫光灯照射发动机表面，如果哪个部位出现异常的光亮，就说明那个部位有渗漏。四、柴油发动机三漏的检测技术

1、涂胶代替垫片：由于胶液优良的填补性，随着涂胶工艺的发展，大零件的密封采用涂胶代替垫片已成为发展趋