黃顯淞，雷 莉，韋玉昆

在汽車使用過程中，常常會遇到因密封失效而造成的漏液問題，嚴(yán)重時會導(dǎo)致制動失效、轉(zhuǎn)向卡死、燃油泄漏等重大安全問題。因此，密封性能是評價汽車質(zhì)量的一個重要指標(biāo)。而汽車發(fā)動機(jī)作為汽車的核心部件，保證其可靠地運(yùn)行是每一個發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)工程師一直努力奮斗的目標(biāo)。本文以O(shè)型密封圈為例并結(jié)合發(fā)動機(jī)開發(fā)設(shè)計(jì)過程中針對其失效原因進(jìn)行詳細(xì)具體分析。

1 O型密封圈的密封原理

O型橡膠密封圈簡稱O型密封圈，是一種截面形狀為圓形的自動雙向作用密封元件，具有良好的密封性能。O型密封圈是一種擠壓型密封，基本工作原理是依靠密封件發(fā)生彈性變形，在密封接觸面上造成接觸壓力，接觸壓力大于被密封介質(zhì)的內(nèi)壓，則不會發(fā)生泄漏，反之則發(fā)生泄漏[1]。安裝時，O形密封圈在徑向或軸向的初始壓縮量，決定了O形密封圈的初始密封能力，如圖1所示。

圖1 密封圈不受力的密封狀態(tài)

系統(tǒng)壓力作用于O形密封圈所產(chǎn)生的力，就是其總的密封力，該密封力隨著系統(tǒng)壓力的升高而增大。在壓力作用下，O形圈的形狀和具有高表面張力的液體相仿。壓力朝各個方向等值傳遞，如圖2所示。

圖2 密封圈受力的密封狀態(tài)

2 失效原因分析

密封圈常見的失效形式為老化、磨損、劃傷、變形和開裂。引起失效的原因大致可歸納為以下幾個方面：

2.1 材料的選擇

材料的選擇對O型密封圈密封性能和使用壽命有著重要意義。要求材料既要能抵抗介質(zhì)的侵蝕（包括腐蝕、溶脹等）、有很好的耐老化性、耐溫性，也要有良好的機(jī)械性能（包括擴(kuò)張強(qiáng)度、伸長率和抗撕裂強(qiáng)度等），尤其是良好的耐磨性能，同時也要有良好的彈性、適當(dāng)?shù)挠捕群陀谰脡嚎s變形[2]。

某型號發(fā)動機(jī)的正時鏈條蓋集成了機(jī)油泵和水泵渦室，與缸體接觸密封需要同時密封機(jī)油和冷卻液兩種不同的介質(zhì)。在密封圈型號開發(fā)過程中供應(yīng)商理解產(chǎn)品要求有誤，本來應(yīng)該選擇氫化丁腈橡膠（HNBR）的材料，誤用成了丁腈橡膠（NBR）。在做產(chǎn)品的過程中需要測試機(jī)油泵的性能，丁腈橡膠（NBR）接觸到機(jī)油后發(fā)生體積膨脹，無法再裝配到O型圈槽中，不滿足使用要求。

丁腈橡膠（NBR）耐油性差，容易滲透體積膨脹，所以在實(shí)際使用中需要綜合考慮周邊的使用環(huán)境，避免發(fā)生類似的案例。

2.2 密封參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算

2.2.1 壓縮率的設(shè)定

使用范圍：8%~30%

式中，E（%）為壓縮率；σ（mm）為壓縮余量 =W-H；W（mm）為 O形圈截徑；H（mm）為圈槽深度。

圖3 密封圈壓縮率計(jì)算參數(shù)示意圖

2.2.2 充填率的設(shè)定

使用范圍：max 90%、中間值75%（設(shè)計(jì)目標(biāo)值）

式中，n（%）為充填率，G（mm）為溝槽寬，W（mm）為O形圈截徑，H（mm）為溝槽深度。

圖4 密封圈填充率計(jì)算參數(shù)示意圖

某增壓發(fā)動機(jī)在完成637h臺架耐久試驗(yàn)后，經(jīng)拆解機(jī)油冷卻器轉(zhuǎn)接頭，發(fā)現(xiàn)該處O型圈接觸面出現(xiàn)表面破損，膠體融化的失效情況。經(jīng)測量分析該O型圈截徑為8.5 mm，如圖5所示。圈槽深度為6 mm，如圖6所示。圈槽截面積為24.03 mm2，經(jīng)計(jì)算該O型圈填充率達(dá)到96.34%，壓縮率達(dá)到29.4%，該O型圈尺寸設(shè)計(jì)的填充率和壓縮率偏大，致使裝配后產(chǎn)生較大接觸應(yīng)力，產(chǎn)品最終因過度擠壓而在使用過程中出現(xiàn)了溶膠現(xiàn)象。

圖5 優(yōu)化前的密封圈截面尺寸

圖6 密封圈安裝槽截面尺寸

基于以上分析重新設(shè)計(jì)O型圈結(jié)構(gòu)和尺寸，如圖7所示。變更后壓縮率為23%，填充率為81.3%，重新搭載發(fā)動機(jī)臺架驗(yàn)證再無泄露和膠體融化問題。上述經(jīng)驗(yàn)說明，產(chǎn)品尺寸設(shè)計(jì)是否合理，必須經(jīng)過充分的計(jì)算與驗(yàn)證。

圖7 優(yōu)化后的密封圈截面尺寸

2.3 正確的安裝條件

密封件表面有飛邊、毛刺、裂紋、切邊或幾何尺寸及精度不符合標(biāo)準(zhǔn)要求等情況都會影響密封效果。某發(fā)動機(jī)在項(xiàng)目造機(jī)過程中出現(xiàn)機(jī)油尺導(dǎo)管插入力大情況，檢查O型圈出現(xiàn)分層現(xiàn)象，如圖8所示。

圖8 安裝出現(xiàn)切削現(xiàn)象的密封圈

經(jīng)過魚骨圖分析，如圖9所示。該機(jī)油尺導(dǎo)管為安裝在缸體上，缸體孔為機(jī)加孔其邊沿存在棱角邊，機(jī)油尺導(dǎo)管在插入孔內(nèi)過程中O型圈與棱角邊接觸，導(dǎo)致O型圈被切削。優(yōu)化該安裝孔設(shè)計(jì)，將此處棱角改成圓弧過渡即可消除該問題，如圖10所示。

圖9 魚骨圖分析

圖10 優(yōu)化后的安裝孔

2.4 使用不當(dāng)

環(huán)境溫度是影響O型圈使用的重要因素。使用過程中可能會出現(xiàn)超溫現(xiàn)象，超溫將導(dǎo)致密封件老化和使用壽命降低。

某型號增壓發(fā)動機(jī)小批量試產(chǎn)后，在發(fā)動機(jī)耐久試驗(yàn)臺上進(jìn)行試驗(yàn)，完成試驗(yàn)拆機(jī)發(fā)現(xiàn)某部位O型圈發(fā)生熱老化變形，失去橡膠的彈性，導(dǎo)致密封失效。經(jīng)調(diào)查該密封圈為從其他型號發(fā)動機(jī)上直接借用而來，材料為聚丙烯酸酯橡膠，經(jīng)試驗(yàn)確認(rèn)該密封部位在工作中的溫度已接近材料本身可以承受的最高溫度。在與密封件生產(chǎn)商協(xié)商后將其材料由聚丙烯酸酯橡膠（ACM，具有極佳的耐臭氧性，耐風(fēng)化性和耐熱空氣性能；聚丙烯酸酯橡膠工作溫度范圍是-20℃~+150℃）改成氟橡膠（FKM，具有阻燃性，極低的透氣性以及極佳的耐臭氧性，耐油性和耐老化性。氟橡膠的工作溫度范圍為-20℃~+200℃）之后，其耐高溫性能得到改善，后期臺架試驗(yàn)中均能保持良好的密封性能。該案例說明在借用產(chǎn)品之前，除了確認(rèn)結(jié)構(gòu)尺寸外，還必須考慮材料性能是否符合其工作環(huán)境要求，以免使用不當(dāng)造成密封失效后果。

3 結(jié)束語

綜上所述，橡膠密封件應(yīng)用廣泛，其失效形式和原因是多樣性的。要改善其使用性能，須從多方面著手。

[1]喬東平.橡膠密封膜的失效分析[J].材料開發(fā)與應(yīng)用，2001，10，16（5）：20-22.

[2]張洪雁，曹壽德，王景鷂.高性能橡膠密封材料[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007，7.