柴油发动机之橡胶密封技术要点探究

作者：西北橡胶塑料研究设计院 雷海军 张骥中    来源：《中国塑料橡胶》

欢迎访问e展厅 展厅 1 发动机展厅 汽油发动机, 柴油机, 船用柴油机, 天然气发动机, 气缸及部件, ... 柴油机是大型汽车、农业机械、工程机械、船舶、内燃机车、地质和石油钻机、军用、通用设备等装备的主要配套动力。柴油发动机的密封技术状况直接影响设备的可靠性、安全性、环保性等关键指标，在一定程度上体现整个柴油发动机的综合技术水平。 柴油发动机在运行程序中产生高温、高压、摩擦和燃烧爆发，都需要压力润滑、冷却和废气排放来维持正常运动，因此柴油发动机的密封技术就涉及高温、高压、高爆发率、高升功率、低排放，以及润滑油、燃料油、各种气体及防冻冷却水等各种复杂介质的考验。与此同时，现代发动机向质量轻、体积小、功率大、环保型方向发展，导致密封面狭、结构复杂，螺栓压紧力不能加大，这给密封技术和密封材料，尤其对橡胶密封材料提出了更高的要求。 任何一种简单的橡胶密封材料都已不能解决当代柴油发动机密封技术的要求，尤其是在气缸盖、尾气排放的密封，以及薄板冷冲件和铝合金的油底壳、齿轮箱、油泵、冷却器、空压泵等润滑油、燃料油、冷却水、汽的不同介质、温度、压力、面压和化学成份在低面压处的密封，若采用同一种橡胶密封材料去解决如此复杂的密封技术要求，是盲目而不实际的。 我们认为要解决整个发动机的密封技术，必须了解发动机的密封部件，螺栓扭力和密封面的形状分布，面压的高低、温度和介质的情况，再根据不同的面压、温度、压力、介质来设计密封材料的抗拉强度、压缩率、回弹率、蠕变率，耐各种介质性能及密封材料自身的化学成份与发动机内的化学成份的相互作用关系。 柴油发动机密封的发展现状及趋势 发动机向高升功率、高爆发率、轻量化、低排放、低噪音、环保型方向发展，对密封材料和垫片也提出了更高要求。 传统的密封材料，如耐油石棉橡胶板、石棉乳胶板、橡胶软木、橡胶密封条、纸板密封垫片等有的被淘汰，有的因为综合性能不佳应用受限，目前，市场上比较新型和有潜力的柴油机密封材料主要有以下几种。 柔性石墨密封垫片 柔性石墨在西方发达国家被广泛地用于取代传统的石棉橡胶板和其他无机纤维质密封材料。国内由于对石棉制品的应用限制存有争议以及石棉制品的价格优势，制约了柔性石墨作为内燃机密封件的应用。 非石棉纤维乳胶板 非石棉纤维乳胶板是近期普遍看好并已广泛应用的一种环保型高性能密封材料，以经改性的植物纤维、无机纤维、硅酸盐矿物填料为主体，以合成乳胶为弹性粘合剂，经打浆、抄取干燥、加压、硫化而取得。 优点是抗拉强度高、密度低、压缩率大、回弹率高，经胶种调节可分成膨胀型、耐油型、耐水型品种，产品可用有机硅进行浸渍、表涂、丝印等处理，使性能更完整、可靠，成本适中，与耐油石棉橡胶相近，无环境污染；缺点是耐温度不高，只能在150℃ 范围内使用，耐气密性不理想，不适用于无液体介质处的密封。 非石棉耐油橡胶板 非石棉耐油橡胶板是根据石棉纤维制造密封板原理演变而来，主要以合成纤维和无机矿物纤维替代石棉纤维，以硅酸盐类粉状矿物为填料，以合成橡胶、天然橡胶为弹性粘接剂，经炼胶、开松、混料、热轧、硫化成型的一种新型密封材料。 优点是有较好的强度和回弹性，致密性、气密性好于石棉，比重适中，垫片蠕变率较低，耐水、油、汽介质性能良好，耐温度最高达300℃，一般用于螺栓扭矩力大，面压较高并分布均匀的密封面，是理想的环保材料。缺点是纤维含量少，材质手感硬脆，抗拉强度不高，压缩率较低，工艺复杂，成本较高。 金属表面复合氟橡胶 在金属骨架表面均匀模压一层耐高温、耐介质的特种氟橡胶形成的密封材料压缩率好、回弹率高，耐温度最高可达250℃，抗拉强度强，耐液性能较好，工艺成熟，成本合理，是高档次发动机的理想密封材料。 柴油发动机用橡胶密封材料 丁腈橡胶 丁腈橡胶的特点是耐油，因有极性腈基存在，故对非极性或弱极性的脂肪烃、动植物油、液体燃料和溶剂等有较高的稳定性。丙烯腈含量越高的丁腈橡胶，耐油性越好；而丙烯腈含量低的丁腈橡胶耐低温性能好。随丙烯腈含量的提高，橡胶的密度、加工性、硫化速度、强度、硬度、耐磨性、耐热性以及与聚合物的互容性也提高，但回弹性下降。一般选高丙烯腈含量的丁腈橡胶用在柴油发动机要求耐油介质的密封部位。 乙烯丙烯酸酯橡胶 乙烯丙烯酸酯橡胶（AEM）是乙烯、丙烯酸甲酯及硫化单体组成的三元共聚物，乙烯基的引入改善了丙烯酸甲酯的耐寒性，但降低了耐油性。 在以往的柴油发动机油封中，一般采用丙烯酸酯橡胶（ACM）和氟橡胶。氟橡胶价格较高，ACM的低温弹性、机械强度和耐磨性较差，但是AEM具有较好的耐双曲线齿轮油性能，调整不同牌号AEM并用比，可将其较好地应用于发动机部位油封中。AEM 油封经过长时间使用后仍具有较大的径向力，唇径尺寸变化小，可有效地保证密封性能。 氢化丁腈橡胶 随着柴油机颗粒排放标准要求的提高，减少颗粒排放、降低机油消耗、减小气门导管气门杆的磨损已成为重型柴油机的重要研究课题，这与气门杆与气门导管的结构有关。只要气道部位与导管上面部位之间的压力不同，就会有机油或气体流动。为防止增压压力较低工况下过多机油流入气道及增压压力较高工况时窜气，必须采取可靠的密封措施。 由于氢化丁腈橡胶具有优良耐热性、耐臭氧以及耐候性，尤其在高温下的机械性能保持良好，因此特别适合气门杆密封。 全氟橡胶弹性材料 全氟橡胶弹性材料为特种氟橡胶，主链碳原子上含有相当稳定的氟原子，因此具有独特的耐高温、耐油及耐多种化学药品侵蚀的特性，使其有极强的惰性，长期使用不产生蠕变而又保持密封力，在柴油发动机中使用广泛，也是极为重要的一种静、动密封元件材料。通常用在气缸盖、气缸体为骨架结构件将曲轴连杆机构、配气机构及进排气系统、燃油系统、润滑系统、冷却系统、启动系统等有机地连接组成的密封件。 氟橡胶虽有较好的化学惰性，但因长期在湿热状态下工作，极易老化变形，不仅影响整个发动机的使用寿命，甚至造成装备损坏和人员伤亡。 在核电站柴油发动机上，冷却水套密封的可靠性、长寿命问题上较为突出。我们对F246、四丙氟、P959三种氟橡胶分别实施过氧化物和双酚的配合及国外密封件进行不同湿热条件下的老化试验，以探寻湿热环境下氟橡胶的老化规律，分析湿热环境下氟橡胶的失效机理，并确定导致氟橡胶老化的主要因素。主要以氟橡胶压缩永久变形量作为特性指标，真实模拟核电站柴油发动机冷却水套密封件两年使用寿命的预测。 复合聚四氟乙烯橡胶 高速大功率柴油发动机的曲轴轴径大，转速高，油封使用条件苛刻，问题较难解决。由于橡胶油封存在着起动摩擦阻力大、耐高低温性差、易磨轴、不耐压等缺点，加之轴的偏心及跳动，将明显降低密封性，为此，研制了大直径动压复合型PTFE油封。PTFE的自润滑性好，摩擦系数小，耐高低温性能好，对轴的偏心不敏感，跟随性较好；加之复合型油封接触带较宽，近似于面接触，适合于变转速、大轴径的密封。另外，复合型油封与橡胶油封可互换。外骨架与座体为钢-钢小过盈配合，安装不易翘曲。 氟化橡塑密封 中国柴油发动机中的动态密封部件普遍使用单一橡胶材料制品，在高速运转高温摩擦等工况条件下容易摩损老化，从而影响其性能稳定和整机安全。为满足柴油发动机高温、高速等苛刻动态密封要求，用化学和物理工艺技术进行改性复合，开发出氟化橡塑复合新材料。 用此新材料生产的动态密封部件不仅能满足汽车发动机高速、高温、高耐磨、耐油、耐老化等使用指标，而且兼备橡胶材料宝贵的弹性指标。 渗漏问题及结构优化 密封部位渗漏原因 （1）设计不合理 在进行密封垫片设计与选材时，对密封结构、发动机工况、密封垫片与密封介质的相容性及材质对温度、压力、介质的抗耐性等考虑欠周，导致密封垫片的材质或规格尺寸与柴油发动机的实际工况不符。 这样就会发生因垫片老化、蠕变、裂纹、溶解、滞油、毛细、密封途径短等引起的渗漏。例如，油底盘垫片材料若用橡胶软木，自身抗拉强度低，约2.7 MPa，蠕变大，且软木块与橡胶结合不牢，软木之间易产生相对滑动等缺点，经常发生垫片破损或吸油渗油的现象。选用新型密封衬垫板后基本解决了油底盘的渗漏问题。 （2）金属件加工精度差 若发动机金属件的加工精度差，在密封面上存在气孔、砂眼、裂缝或密封面粗糙度和平面度超差等，会导致垫片的压缩和回弹量难以满足密封面的精度要求，甚至造成密封垫片的损坏，出现点渗或局部渗漏，达不到理想的密封效果。 例如，机油冷却器支座衬垫材料原选用石棉橡胶金属复合垫片，金件密封面平面度为10丝，粗糙度为6.4μm；石棉橡胶金属复合垫片的压缩率一般为12�5%、回弹率≥25%，且石棉橡胶部分材质疏松，胶纤结合差，易产生毛细渗漏，所以它的压缩回弹量及材料结构无法满足密封要求。我们研制的金属表面复合氟橡胶密封件，压缩率为15�5%、回弹率≥45%。材料成型时的线压力为160kg/cm，橡胶金属结合牢固，材料密实，密封可靠性强。 （3）密封环境复杂 柴油发动机在高温、高压、高速和不规则振动的条件下工作，这种工作条件容易使密封件的理化性能指标和使用寿命下降，蠕变增大，导致垫片破损或螺栓扭矩降落而产生局部渗漏或间隙渗漏。密封材料中的腐蚀离子也会对发动机的金属件密封面产生点蚀而造成渗漏或粘缸，在沿海或空气潮湿的地区更易发生此类现象。 例如，增压器排气管衬垫、汽缸垫、节温器壳垫片等常出现灼烧渗漏，垫片自身腐蚀生锈、腐蚀粘缸的现象。我们针对长期在湿热环境中使用的发动机冷却水套，为介质冲击大、易腐蚀的密封部位提供了一种密封可靠的新型氟橡胶材料。 （4）结构性膨胀不均 柴油发动机工作时热传递不均，导致发动机温度升高后各部位应力-变形不均匀，产生密封面扭曲，致使密封不足，尤其是壁薄、高温的密封部位更易发生此类现象，如进排气管、增压器排气管等。 渗漏的解决方法 （1）合理选用密封垫 垫片表面平整光洁，无起泡、分层、杂质等影响密封的缺陷。渗漏主要表现为密封间隙中的流体流动，其间隙形状近似矩形，根据流体力学计算矩形缝隙渗漏量的公式可以看出，泄露量与矩形缝隙的长、宽、高、介质内外压差、介质粘度等多种因素有关，垫片表面的光洁度差，起泡、分层、杂质等缺陷会使垫片与金属密封面之间产生渗漏间隙或使缝隙的宽和高增大，长度减小，从而增大了泄漏机会和渗露量。 （2）要有良好的耐介质性 柴油发动机密封件接触的介质复杂，如润滑油、柴油、水、水蒸气、燃气空气混合气等，要求密封材料具有综合的耐介质性，所以设计密封材料应考虑以下几个方面： a. 选用极性耐油橡胶，如氟橡胶、高丙烯腈含量的丁腈胶等。 b. 采用树脂硫化来提高硫化胶的极性，从而提高耐油性，如酚醛树脂、聚氯乙烯与丁晴胶并用。同时要确保密封材料达到一定硫化程度。 c. 填充料的粒子结构选用大、中、小结合的方式，以减小材料的微间隙。工艺操作时尽量提高材料的密实性。 （3）要有较好的压缩回弹性 柴油发动机的密封部位较多，且各密封面的加工精度、密封面积差别较大，所以要求垫片材料有较大的压缩率和回弹率，这样对密封面的吻合能力和吸收能力高，能填补密封面的粗糙不平和平面翘曲。综合柴油发动机的静密封工况来讲，压缩率15�5%，回弹率不小于45%较合适。 （4）要有小压缩应力松驰性 采用压缩应力松驰（CSR）试验对汽车工业用密封件和密封垫圈弹性体进行可靠性及长寿命性筛选的方法已经逐渐被接受。 应力松驰现象是橡胶样品在一定应变下（拉伸或压缩模式） 产生的，保持应变所必须的力是不定的，随时间而下降。压缩模式下固定应变，密封接触力随时间下降。橡胶基体中发生的这种变化本质上是物理和化学过程。由于形变，分子链和填料产生瞬时物理松驰，分子链的移动和分子链缠结部分的移动的全过程可逆地将应变从体系中转移。之后，由于缺氧（热降解）或者氧的加入（氧化降解）造成的分子链断裂反应和聚合物相对分子质量的下降的化学过程发生，该化学松驰部分是完全不可逆的。物理和化学应力松驰都将引起试验过程中反作用力的下降。特殊条件下，降解机理可以导致交联密度增加和分子链断裂反应。这种情况下，只有新形成的可以承载的网络缓冲反作用力。 理论上，密封材料的弹性储存应变能越大，使用中应力松驰性能越好。采用CSR试验的最终目的是将应力松驰数据与寿命预测相关联。对于密封件或密封垫圈，密封开始泄漏作为其使用寿命终点。因为在这一点密封力等于或小于系统压力。 因此，在选择柴油发动机密封材料时选择高频模量的弹性体。 结构优化 考虑到密封件的位置、材料以及工作条件，只要改变弹性材料的等级即可解决密封问题。但是，对于新的发动机，必须对以下两个方面进行优化：密封结构、密封位置。 密封有静态和动态两种形式。静态密封最为普遍，典型地用于气缸套、进气门、排气门座以及引燃器等处。动态密封用于有轴向或径向运动的部件，如气门杆。动态密封更容易因擦伤、摩擦热老化或轴承磨损导致错位而失去功能。 为降低初置费和维修成本，发动机制造厂企图完全取消静态密封或只采用小密封。然而，除非密封材料质量相当高，采用小密封最终会使安全系数降低。通常静态密封被认为是比动态密封要低一等，选择静态密封常常是一个选择现成材料的问题。 现在有一种明显的发展趋势是发动机设计师与弹性材料专家联手寻求解决方案。另有一种选择是完全取消密封，这往往是不可能的，而且，考虑到添加设备和铸件重新设计的费用，在经济上也是行不通的。静态密封并非一定是O形圈，可以根据发动机厂家要求为发动机的某些部位定做特殊形状的密封件。例如，机油垫片靠金属密封件来密封而弹性体起保护作用，水管O形圈设计成能够随发动机气缸体的变形而膨胀或收缩。 优化结构设计，减少摩擦与附件功率损失，提高机械效率。柴油机的有效效率等于指示效率与机械效率的乘积，因此，柴油机的燃油消耗率也直接受到机械效率的影响，因此，在致力于完善缸内工作过程的同时，也必须十分重视减少摩擦损失和提高机械效率的研究。(end)

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