符興勝，莊輝

(1.上海新動力汽車科技股份有限公司，上海 200438；2.浙江優(yōu)逸科汽車部件有限公司，浙江 寧波 315615)

0 前言

發(fā)動機作為汽車和動力機械的心臟，其密封效果直接影響發(fā)動機長期穩(wěn)定運行。傳統(tǒng)的發(fā)動機密封主要包括一般的中低溫、中低壓的機油、燃油密封，氣液密封，具有高溫、高壓波動的氣缸密封,以及高溫、低壓、高諧波振動的排氣管密封[1]。

發(fā)動機潤滑系統(tǒng)的作用是潤滑、清洗、冷卻、密封、防銹，需要良好的密封性能。柴油機的潤滑系統(tǒng)主要由機油吸油管、機油泵、機油濾清器、機油壓力傳感器、旁通閥、限壓閥、油道等組成。

在潤滑系統(tǒng)的使用過程中，最常見的故障是機油壓力過低。機油壓力過低會導(dǎo)致柴油機主要零部件潤滑不良，加劇零部件的磨損，縮短柴油機的使用壽命，嚴重時會導(dǎo)致曲軸“抱瓦”等惡性事故[2]。

1 概述

重型柴油機的潤滑系統(tǒng)具有流動路徑復(fù)雜和距離長的特點，潤滑油路的機油壓力較高，特別是局部區(qū)域如主油道的壓力很高。某排量為13 L左右的柴油機，運行中主油道壓力為0.4～0.5 MPa，冷啟動時主油道壓力最大能夠達到0.8 MPa。一般來說，重型柴油機的主油道管路徑向密封形式采用O形橡膠密封圈密封，平面密封形式采用O形橡膠密封圈或異型橡膠密封圈密封。在使用O形橡膠密封圈或異型橡膠密封圈進行平面密封時，需要在相應(yīng)位置設(shè)置密封槽，因此在主油道密封位置周邊需要較大的空間。但是在特定區(qū)域，如缸蓋的出油口，由于結(jié)構(gòu)設(shè)計和空間受限，無法設(shè)置密封槽[3]。

在不能設(shè)置密封槽的空間狹小部位，金屬橡膠復(fù)合墊片是一種有效的設(shè)計方案。金屬橡膠復(fù)合墊片，也稱為金屬橡膠圈墊片，是指橡膠圈直接硫化在金屬骨架上的一種復(fù)合墊片[4]。常見的金屬橡膠復(fù)合墊片的形式為用于鉸接式管接頭密封的組合墊圈，其外圈是金屬墊片，內(nèi)圈是橡膠密封圈，內(nèi)圈的橡膠密封圈直接硫化粘接在外圈的金屬墊片上[5]。由于金屬橡膠復(fù)合墊片的橡膠密封圈硫化粘接在金屬墊片的內(nèi)側(cè)，不需要埋入密封槽中，可以方便、直接地安裝在密封平面，因此在空間上節(jié)省了密封槽的位置，在成本上節(jié)省了加工密封槽的工時費用。

2 產(chǎn)品設(shè)計

根據(jù)密封端面的空間布局和密封要求，設(shè)計了3種金屬橡膠復(fù)合墊片。

2.1 方案1

方案1的金屬橡膠復(fù)合墊片結(jié)構(gòu)如圖1所示，外側(cè)為2 mm厚的鋁板，內(nèi)側(cè)為橡膠密封圈。橡膠密封圈的密封筋結(jié)構(gòu)如圖2所示，密封筋高度為2.8 mm，壓縮率為28.57%。

圖1 金屬橡膠復(fù)合墊片的結(jié)構(gòu)

圖2 方案1橡膠密封圈的密封筋結(jié)構(gòu)

2.2 方案2

考慮到主油道壓力高，因此方案2改進了橡膠密封圈的密封筋高度以提高壓縮率。方案2的金屬橡膠復(fù)合墊片結(jié)構(gòu)不變，橡膠密封圈的密封筋結(jié)構(gòu)如圖3所示，密封筋高度為2.9 mm，壓縮率為31.03%。

圖3 方案2橡膠密封圈的密封筋結(jié)構(gòu)

2.3 方案3

主油道的流體壓力波動可能會對金屬橡膠復(fù)合墊片的橡膠密封圈造成沖擊，因此方案3在橡膠密封圈內(nèi)側(cè)增加阻隔，其結(jié)構(gòu)如圖4所示，外側(cè)為鋁板，中間為橡膠密封圈，內(nèi)側(cè)也是鋁板，內(nèi)側(cè)和外側(cè)的鋁板厚度均為2 mm。橡膠密封圈的密封筋結(jié)構(gòu)如圖5所示，密封筋高度為2.9 mm，壓縮率為31.03%。

圖4 方案3金屬橡膠復(fù)合墊片的結(jié)構(gòu)

圖5 方案3橡膠密封圈的密封筋結(jié)構(gòu)

2.4 方案對比

3種方案的橡膠密封圈參數(shù)對比見表1，密封筋參數(shù)對比見表2。

表1 3種方案的橡膠密封圈參數(shù)對比

表2 3種方案的橡膠密封圈密封筋參數(shù)對比

從表1可以看出：相比于方案1，方案2和方案3的壓縮率增加，填充率降低。

從表2可以看出：方案2和方案3的密封筋結(jié)構(gòu)相對方案1進行了改動，包括密封筋的寬度、密封筋角度和圓角弧度；與方案1的密封筋結(jié)構(gòu)相比，方案2和方案3的密封筋結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定和堅固。方案1和方案2的密封筋結(jié)構(gòu)為單側(cè)支撐，橡膠密封圈壓縮時，單側(cè)支撐結(jié)構(gòu)會向沒有收到約束的一側(cè)進行滑移；方案3的密封筋結(jié)構(gòu)為雙側(cè)支撐，橡膠密封圈壓縮時候，雙側(cè)支撐結(jié)構(gòu)只能夠在密封圈截面寬度范圍內(nèi)產(chǎn)生變形。

3 分析、制作和測試

3.1 應(yīng)力分析

金屬橡膠復(fù)合墊片橡膠密封圈的整體輪廓在同一平面，且截面均一，可以簡化選取軸對稱模型進行建模。對橡膠類的非線性材料，通常采用Mooney-Rivlin模型來描述。將橡膠密封圈作為接觸面，缸罩與過油結(jié)構(gòu)作為接觸面，它們之間的接觸屬于柔體與剛體之間的面對面接觸。在進行有限元分析時，設(shè)置為不可穿透條件、法相接觸面為位移的條件和切向摩擦力的條件。對于大多數(shù)橡膠材料，使用單向拉伸的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)，并進行曲線擬合后，可以得到合理的擬合參數(shù)作為橡膠密封圈分析的材料性能輸入[6]。

采用ANSYS軟件進行橡膠密封圈的非線性壓縮分析，得到不同方案的橡膠密封圈的壓接觸應(yīng)力，結(jié)果如圖6所示。該接觸應(yīng)力即為橡膠密封圈的密封應(yīng)力。

圖6 橡膠密封圈的密封應(yīng)力

從圖6可以看出：3種方案的橡膠密封圈的最大密封應(yīng)力分別為1.85 MPa、4.80 MPa和8.32 MPa。

3.2 樣件制作

金屬橡膠復(fù)合墊片采用了金屬骨架(鋁板)來支撐橡膠密封圈，需要將橡膠密封圈粘接固定在金屬骨架(鋁板)上，然后硫化成型。

3.3 零部件測試

樣件完成后需要針對零件進行測試，金屬橡膠復(fù)合墊片一般最常用的零部件測試主要有面壓試驗和氣密性試驗。

3.3.1面壓試驗

樣件試制得到3種金屬橡膠復(fù)合墊片，采用富士面壓紙(Fuji Paper)進行面壓試驗，面壓試驗的結(jié)果通過解析設(shè)備分析后如圖7所示。

圖7 橡膠密封圈面壓試驗

由圖7可以看出：方案1的橡膠密封圈的外圈密封筋面壓為1.86～1.98 MPa，內(nèi)圈密封筋面壓為1.87～1.93 MPa；方案2的橡膠密封圈的外圈密封筋面壓為4.55～5.00 MPa，內(nèi)圈密封筋面壓為4.60～4.95 MPa；方案3的橡膠密封圈的外圈密封筋面壓為8.15～8.80 MPa，內(nèi)圈密封筋面壓為8.15～8.80 MPa。一般面壓試驗的面壓要大于實際內(nèi)部密封介質(zhì)壓力的3倍。

3.3.2氣密性測試

采用測試工裝模擬金屬橡膠復(fù)合墊片在發(fā)動機上的裝配狀態(tài)，樣件通過4個M10螺栓在四周進行固定鎖緊，鎖緊扭矩為40 N·m，將樣件試制得到3種方案的金屬橡膠復(fù)合墊片安裝在氣密性工裝中，如圖8所示。從進氣端充入壓縮空氣，浸入水中，觀察是否有氣泡冒出，進行氣密性試驗。

圖8 氣密性試驗的測試工裝

方案1、方案2和方案3的金屬橡膠復(fù)合墊片的開始泄漏壓力分別為0.8 MPa、2.3 MPa和4.0 MPa。方案1的金屬橡膠復(fù)合墊片應(yīng)用在發(fā)動機潤滑系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)上，能夠承受0.2 MPa的油壓或者冷卻液壓力；但如果應(yīng)用在柴油機主油道上會存在開始泄漏壓力過低的問題，存在泄漏風險。方案2和方案3的金屬橡膠復(fù)合墊片能夠滿足高于0.8 MPa內(nèi)部介質(zhì)壓力的密封；與方案2相比，方案3金屬橡膠復(fù)合墊片的密封能力更高，橡膠密封圈內(nèi)側(cè)有鋁板阻隔流體沖擊，可進一步提升可靠性。

4 結(jié)語

金屬橡膠復(fù)合墊片是一種有效的密封設(shè)計方案，能夠適應(yīng)無法設(shè)置密封槽的空間狹小的密封部位。

本文針對某型柴油機機油油道的密封要求，設(shè)計了3種橡膠密封圈結(jié)構(gòu)，可以滿足不同的密封端面空間布局和內(nèi)部介質(zhì)壓力等密封要求。通過有限元分析橡膠密封圈的接觸應(yīng)力分布狀態(tài)，評價3種不同方案的密封能力。

在實物試制后，通過面壓試驗測量3種金屬橡膠復(fù)合墊片的密封面的密封能力；通過模擬裝配情況進行氣密性試驗，記錄開始泄漏壓力，可以評估產(chǎn)品的密封性能。

在3種設(shè)計方案中，采用單側(cè)金屬支撐的方案1只能夠滿足0.2 MPa的密封需求，方案2和方案3都能夠滿足0.8 MPa的密封需求。方案3在金屬橡膠復(fù)合墊片橡膠密封圈內(nèi)側(cè)增加金屬支撐，即內(nèi)、外側(cè)為鋁板，中間為橡膠密封圈的結(jié)構(gòu)，能夠滿足壓力大于0.8 MPa甚至更高的密封要求，橡膠密封圈內(nèi)側(cè)的鋁板可以阻隔流體沖擊，使產(chǎn)品可靠性得到進一步提升。