柴油发动机的密封性能分析与仿真研究

顾红根

（中海油能源发展股份有限公司安全环保分公司，天津 300452）

0 引言

海上采油平台的配置中，柴油发动机是作为动力驱动系统设备中不可缺少的一部分。从工作性能效率和安全问题出发，柴油发动机的密封性能成了设备选择和使用中需要考虑分析的必要因素。其密封性能的差异由气缸密封结构决定，而气缸垫在当中起到重要的作用。随着现代科技的发展，机械技术日益完善，发动机的效率飞速提高。因此，如果需要在工作中保证气缸密封可靠，了解气缸结构和判断、合理维护气缸垫了相关工作者需要熟悉掌握的重点内容。

1 柴油发动机密封性能分析

1.1 有限元分析

有限单元法是最常用数值模拟法的之一，其余的还有边界元法和有限差分法。有限单元法中涵盖的数字求解法因其离散化求解方式的特殊性，让有限单元法在结构分析中得到了大范围应用。1941年，A.Hrennikoff构造出了离散模型，并由此提出了求解弹力性力学相关问题的方法，阐释了有限元分析的基础思想，由A.Hrennikoff提出的有限元分析思想因为尚不成熟，因此又被称为广义有限单元法。继其之后的R.Courant于1943年，使有限单元法的基础得到完善，其将模型截面分解成多三角区域，再一次分配翘曲函数，通过该方法表征了翘曲函数在有限单元法中的运用[1]。

研究人员在有限单元法应用于矩阵位移法和能量原理等方面不断改进，终于得到了学者们的认可。在1960年，有限单元法得以飞速发展，许多相关研究者包括数学家和力学家等都参与了有限单元法的研究，加固了其基础理论，更好地阐述了变分法与其之间的关系，有限单元法的可应用范围也得到了一定扩展。20世纪70年代，有限单元法更是成了在连续介质问题中最热门的数值解法分支，其变分法、平面弹性力学、静力平衡、线性以及分析对象等方面的问题都得到了解决，使许多工程上难以解决的复杂问题都得到了突破。

有限单元法的基本原理是让连续模型通过离散出有限数的物体，按一定方式构成互相连结的单元组合。有限元的分析流程图如图1所示。

图1 有限元分析流程图

节点位移是有限单元法求解中的基础未知量，各单元内力情况可以通过节点平衡方程中解出的结果再位移反推得出。通过节点位移的方式和相关方程公式的运用，就可以解出各单元内应力与其的关系和数值大小。

1.2 气缸垫密封性能分析

每个气缸在柴油发动机结构中都具有独立的气缸垫，并且依靠此来保证密封性[3]。该文将对海上采油平台使用的12VPA-DF柴油发动机进行分析，对应12VPA-DF柴油发动机的气缸序号，发火顺序依次为1、3、5、6、4、2，其应力云图和气缸垫工作原理如图2所示。

通过对图2的分析可以得出，上板在密封中起到了主要作用。其中最重要的一点是上板对于气缸垫缸口处做出了对密封结构力的线性调整以及传递，调整板也在结构上连接了上板和下板，此处表现了调整板内应力的作用，最后则是上板依附在气缸口附近时形成了连接密封缸体和缸盖的结构。图中的下板也是气缸垫结构中的重要组成部分，为其提供了稳定性和对称性，具有重要的密封功能。

图2 气缸垫局部截面应力云图和工作原理图

气缸垫通过封闭结合面缝隙来实现的密封作用属于静密封。缸盖、缸体与气缸垫之间接触面上受到的压力均衡性和压力大小2项指标都是密封性能的测试指标。在结构角度分析，首先应分析密封接触面，要对密封性能进行判定，需要确定缸盖、缸体与气缸垫的有效密封宽度是否符合要求，若达到了要求再提取测试其周向的有效密封接触压力，由此来进行判定。对气缸垫的设计过程中，极限密封比压值K被定义为气缸垫在流体压力下仍能保持密封可靠比压，K值被用来保证流体压力下气缸垫的密封性能[2]。

根据12VPA-DF密封接触面的宽度和金属材质硬度，以及其最大燃烧压力为110kg/cm2，可以得出结论：只有当达到σ>37MPa条件的情况下，气缸垫密封的可靠性才能得到保证。在笔者进行的仿真实验当中，在最大燃气压力情况下工作的12VPA-DF柴油发动机中，气缸垫与缸盖和缸体间接触时的接触面周向有效接触压力曲线和接触压力云图如图3、图4所示。

图3 缸垫与缸盖和缸体之间接触压力云图（最大爆破压力状态下）

图4 缸口周向有效接触压力分布曲线图

通过对以上2个图的分析可以得出有效密封接触面宽度不足，以及气缸口接触压力变化较大且周向分布不均匀的结论。在仿真实验中，当在最大爆破压力的情况下，12VPA-DF柴油发动机缸口的镀锌层厚度为10μm，达到了密封压力结构的要求，但是在实验过程中和实验数据结果中依旧可以明显地观察到其不稳定的密封可靠性。除此之外，12VPA-DF柴油发动机缸盖上虽然有4个均匀分布在周围的主螺栓，但是剩余的6个副螺栓在缸盖两侧的分布位置和对缸盖密封性上起到的作用，会对柴油发动机气缸的整体密封性有着重要影响。缸体压力结构不平衡也可能是由各个螺栓被施加的预紧力所影响。

通过对12VPA-DF柴油发动机在最大燃烧压力下的缸盖、缸体以及气缸垫组合结构下模拟的有限元数值分析，可以得出密封接触压力的分布情况和密封接触压力云图，通过对数据分析能得出相应结论：首先，合理分配缸盖上4个主螺栓和6个副螺栓的预紧力，可以有效地控制密封接触压力在气缸工作时的分布情况。通过有限元分析法，在保持2个主螺栓预紧力不变的情况下，提高另外2处主螺栓预紧力。其次，改进缸盖的材质刚度或者缸体的材质刚度可以改善12VPA-DF柴油发动机的密封性能。最后，则是优化气缸垫上板处缸口的镀层来改善密封性能[4]。

在该测试当中，从接触面压力分布云图可以观察得出，当镀层厚度为30μm、40μm时，密封接触面宽度有效性得到了保障，同时缸口周向接触面压力可以在气缸垫的作用下确保可靠性。但当镀层厚度为40μm时，密封接触面压力集中的问题出现于气缸垫缸口镀层上，产生了局部面集中压力问题。此问题不仅会破坏气缸点密封结构，并且还会导致气缸垫使用寿命缩短。局部面集中压力问题可以通过优化螺栓预紧力进行调整[5]。因此，12VPA-FD柴油发动机的最优镀层厚度应为30μm～40μm，来保证最稳定的气缸垫密封性能。

2 柴油发动机热稳态及热—结构耦合分析

海上采油平台工作中，柴油发动机作为供应动力的装置会产生大量的热能，过大的热能即使在冷却系统的保障下，也无法避免产生对气缸垫密封性能和物理结构上的影响。该文将通过热能角度分析气缸垫和发动机在此因素下可能受到的密封性能影响。

热稳态也被称为额定短时耐受电流（Ik），用来衡量电路及其原件是否可以在短时间内承受当短路电流通过导体时散发的大量热量。热结构耦合则指柴油发动机中的特定结构在外界辐射边界的作用下产生的表面形态变化，同时影响边界辐射条件。通过使用这2种计算方法，可以在热传热的平衡和积累仿真实验中提高实验数据的精确度，使温度场和应用场得到改善，可以更好地保证柴油发动机的工作状态。

在仿真实验当中，从热稳态分布情况分析可得，在12VPA-FD工作达到稳态时，缸体预气缸盖结合处的外部温度最高，这是由于此处属于热量产生最集中，并且热能产生醉倒的地方，在无法接受到冷却系统足够的冷却影响下热量无法发散而导致了外部温度最高的情况，因此可以判断这一部分对气缸点的影响也最大。就缸盖外部温度而论，虽然缸盖总体温度稳定，但烧壁处比起其他部分温度较高，出气口鼻梁区和进气口鼻梁区的外部温度尤为注目。除此之外，12VPA-FD发动机的气缸与缸体上气缸之间的部分外部温度也较高。在发动机工作状态下，气缸口附近的外部温度过高会对气缸点密封性能的产生影响，并且需要通过热结构耦合方法来进一步分析缸口高温部分对气缸点的具体影响。

通过热结构耦合分析可以得出发动机气缸垫上表面中的局部压力发生了细微变化，在螺栓预紧力的影响下缸口密封接触压力略微减小。因此，热载荷在12VPA-FD柴油发动机工作发热时对螺栓、缸盖和缸体的整体结构影响明显，但是对气缸垫密封性能影响较小。

3 柴油发动机气缸垫冲压模具设计及气缸垫加工仿真

该文将通过观察CAD/CAM技术来进行计算机仿真实验来改善生产中可能出现的问题。先通过成型件的分析对气缸垫调整板的内部特征机型标记删除形成模板。结合考虑调整板的特征情况，再对料带各个工位进行设计，完成料带设计样本的最终设计。接下来进行对安装冲压磨具上的金属零件冲头进行设计，设计中应该结合考虑材料直接接触的因素及其特征。

4 结论

该文通过有限元分析法对12VPA-FD柴油发动机密封性能进行分析，通过仿真实验和物理实验得出的接触面压力分布情况及压力云图，总结出了螺栓预紧力、金属材质和镀层厚度对密封性能造成的影响。再使用热稳态和热结构耦合2种测试方法计算出柴油发动机在工作中产生的大量热量对密封性能的影响。总之，为了更好地确保海上采油平台工作中动力供给及工作人员安全问题，要深入、全面地了解和掌握柴油发动机密封性能及相关规律，不断地对柴油发动机部件进行技术优化，切实提高整个采油平台的工作效率。