基于正向设计的高温密封失效分析及优化

2022-05-19李守藏赵红兵

内燃机与配件 2022年8期

关键词：垫片排气管法兰

0 引言

随着排放法规的不断升级，发动机强化程度持续增加，热负荷和排气压力明显提高，对高温密封带来了严峻的挑战。垫片作为高温密封重要的元件，一旦失效就会导致气体泄漏

，进而造成垫片、缸盖烧蚀，引起发动机动力不足。

本文以某发动机为研究对象，针对耐久过程中排气管—缸盖密封面泄漏问题进行分析，并提出改进措施，通过试验验证了改进方案的有效性。

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1 故障现象

图1为某直列六缸发动机排气系统布置，排气管为三段式，增压器取气口布置于3缸、4缸之间，EGR系统6缸外侧取气。每缸排气管法兰通过三颗螺栓固定在缸盖上，排气管与螺栓之间的套筒用来降低螺栓温度，每缸排气管法兰与缸盖之间装有排气管垫片以防止泄漏。

1.1 试验室故障

该发动机在开发过程中多次出现排气管—缸盖密封面失效现象，耐久后的排气管垫片氧化变色，缸盖密封面出现凹坑。排气管垫片变色最深部位和缸盖密封面凹坑如图2所示。

1.2 市场故障

该机器在市场运行过程中，用户感受整车动力不足，发动机异响，服务站拆检发现排气管垫片烧蚀、缸盖烧蚀并在密封带出现凹坑，排气管垫片与缸盖烧蚀部位基本出现在每段排气管法兰内侧偏下部位，如图3所示。

从以上故障现象可以看出密封失效部位主要发生在排气管法兰两侧，尤其发生在每段排气管法兰内侧。

2 故障分析

根据设计要求，在最低服役温度下，焊缝、热影响区冲击吸收能量平均值不低于54J才能满足要求。由试验结果可知，焊缝和热影响区的冲击吸收能量均满足要求，而自动焊的冲击吸收能量更高，能够满足更高的要求。

排气管受热变形，导致排气管法兰与缸盖结合面产生间隙，若此时垫片的压缩回弹量无法弥补两法兰间隙或垫片回弹力达不到密封力要求，则会发生失效。由上述分析可知，原方案垫片高温回弹性较弱，需提升原垫片密封能力，如图7所示，一方面，更改了垫片的材料和硬度，以提高垫片高温回弹性能，另一方面对波形进行了优化，减小垫片波形被压溃的风险，提高了垫片回弹性能。

2.1 排气管法兰—缸盖法兰变形

对优化后的排气系统进行了FEA分析，计算边界与优化前保持一致计算结果如图10所示。由仿真结果可知，排气管法兰形变量由原方案的0.512mm减小为现在的0.431mm，很大程度上减小了法兰变形。

2.2 排气管垫片

排气管法兰—缸盖结合面温度最高温度392℃，在不发生泄漏时，可排除原方案不锈钢垫片因蠕变松弛造成的密封失效风险。密封是否失效的判断最重要的是垫片残余高度，即试验后垫片波形的残余波高，残余波高越大，表明垫片的密封性能越好。对装机和耐久后的排气管垫片分别进行了波高残余高度测量，装机后垫片残余高度不足0.05mm，耐久后垫片残余高度不足0.04mm，回弹率小于17%、6%，基本失去回弹，当两法兰因高温变形分离时无法提供足够的密封压力，进而导致密封失效。

2.3 螺栓—套筒

该发动机螺栓和套筒均采用某型号耐热钢，抗蠕变松弛性能优异，套筒较长可以保证螺栓热量散失，能够在高温下保证足够的强度和刚度

，表3检测了试验前后排气管螺栓轴力结果。由力矩检测结果可知，试验前排气管螺栓例句满足安装力矩要求，试验后的拆卸力矩大于安装力矩，未发生螺栓轴力衰减，可排除因螺栓轴力衰减造成的密封失效。

但是，如果认真审视这些关于工匠精神的研究，不难发现，必须细致分析“工匠精神”的内涵，精确把握工匠精神的要求，才有助于进一步阐发高职业教育如何培育“工匠精神”。“虽然目前学者对‘工匠精神’尚无标准权威的定义，但对其已达成基本一致的共识：工匠精神是对所从事的工作追求精益求精、勇于创新、一丝不苟的精神理念。”[4]143在笔者看来，工匠精神应该从如下四个层次做进一步的阐发：

2.4 材料分析

进行缸盖凹坑区域宏观形貌分析，体视形貌如图5和图6所示。缸盖凹坑处观察到表面呈鳞片状，且有剥落的痕迹，较深区域深度约0.03mm，剥落区表面未见明显氧化层和气流冲蚀痕迹，金相组织无异常。接近凹坑和远离凹坑表面两个区域进行金相和硬度未见异常，由形貌特征和金相组织可判断为微动磨损造成。

图8显示优化前后排气管垫片压波回弹曲线，由回弹曲线可知，优化后的排气管垫片回弹有了大幅提升，回弹量由原来的0.148mm提升至0.204mm，相对原方案提升近38%，大幅提升密封性能。

经过对排气系统全面分析，锁定造成密封失效主要由两方面因素，一方面是受排温和排气管结构的影响，排气管法兰变形大；另一方面是排气管垫片回弹性能差，排气管垫片回弹不足以弥补两法兰之间的形变间隙。

根据发动机监测数据，发动机参数如表1所示

3 优化设计方案

该发动机排温高于700℃，受管身和法兰厚度的影响，排气管法兰在高温工况下会发生较大变形，减小排气管法兰和管身形变最有效的措施为降低排气温度来降低变形或提高法兰和管身刚度来抑制变形。排气管垫片在法兰变形后通过回弹提供密封力，达到密封的效果，当排气管垫片无法密封排气管法兰与缸盖密封面形变间隙时，容易发生漏气故障，因此，在法兰形变一定时，提升垫片的回弹性能也能有效改善密封性能。因此本次优化将从提升垫片回弹性和减小法兰形变入手来改善密封，解决漏气故障。

3.企业在研发投入期间往往要承担较高的研发风险，因此很多企业往往会选择直接购入无形资产或通过其他途径来增加无形资产账面价值。据此，可得出企业系统性风险与资本化强度呈负相关关系，企业系统性风险越高，资本化强度越小。

3.1 优化排气管垫片

针对排气管垫片烧蚀、氧化变色、缸盖烧蚀和凹坑问题，对排气系统做了全面分析，排除了螺栓轴力衰减和工艺问题，最终锁定了造成泄漏的原因，如图4故障树所示。

本研究只调查了江苏省南京市1所三级甲等专科医院精神科护士职业倦怠情况，研究结果可能存在一定偏倚；在变量选择上未探讨人口学因素，如年龄、职称、学历等变量对职业倦怠的影响，结论可能存在一定局限性。在后续研究中，需扩大样本量，考虑人口学变量因素，使结果更具说服力。

由材料分析可知，缸盖表面凹坑为排气管变形带动垫片搓动缸盖造成的微动磨损，而减小磨损的有效措施为减小排气管变形，提高法兰刚度。

3.2 优化排气管

针对排期管流道局部换热系数高，排气温度高的情况，对排气管流道进行了优化，如图9所示。优化后的排气温度相对原方案降低超过20℃。

排气管法兰变形与排气管垫片的弥补量匹配不合理是造成密封失效的主要原因，本次从排气管结构入手来降低排气温度、减小法兰变形。排气管法兰—缸盖密封面漏气位置主要发生在每段排气管法兰内侧，因此对局部区域从抑制变形的角度，将排气管法兰与管身进行强化，以减小排气管法兰—缸盖结合面受变形影响形成的间隙。

3.3 FEA分析

试验前的排气管和缸盖平面度和粗糙度如表2所示。排气管法兰、缸盖平面度、粗糙度均在设计范围内，排除了因零部件加工质量问题造成的泄漏。对300h耐久后的排气管和缸盖进行了平面度分析，排气管与缸盖密封面最大间隙在每段排气管法兰内侧，最大间隙0.2mm。

图11为优化前、后密封情况，由仿真分析可知，优化前最小密封压力低至0Mpa，泄露风险极高，最大风险区发生在每段排气管法兰内侧。对垫片和排气管进行优化后，最小密封压力提升至14Mpa，满足密封要求。

由于勘探开发条件和勘探史的巨大差异，按2017年的数据全国及主要盆地／地区（经济）可采储量及未开发率可分为三种。

优化后方案显著提高了密封能力，一方面垫片采用半波，减小了塑性变形，使压波保持一定的回弹量，另一方面排气管法兰形变量小，一定程度弥补了垫片回弹不足的局限。

对于第一组使用母婴床边护理的方式。病房安排给婴儿洗澡、按摩、接种、保护脐带防止感染、换尿不湿并且进行皮肤护理。一个护士只照顾一对母婴,即护士的操作说明,母婴和家庭成员一起参加。传达对新生儿喂养母乳的方法和好处、怎样保护乳房、分娩后怎样增加营养、产后症状、婴儿常出现症状的解决方式、婴儿注射疫苗、分娩后的避孕方式、婴儿皮肤护理等。实验组在住院期间每天床边护理时间为三十分钟。