杭州刘振家：(2013长春)在第15届国际摩擦密封材料会议上的发言

1、12013年第十五届国际摩擦密封材料技术交流暨产品展示会发言题目内燃机气缸垫及其应用材料的发展杭州内燃机缸垫有限公司董事长兼总经理 苗文旱总工程师 刘振家2013.05.24 于长春2气缸垫的工作原理pp3气缸垫的工作原理（说明） 这里的几张图片，右下面一张是管道密封示意图，在历次会议上或文件上都都提到它。我们引用过来（从上海索拓公司）说明它与内燃机有相似之处：法兰（上盖）与管道（机体）是力的传递件；螺栓是施加密封力的构件；而垫片是我们要谈论的主体-密封件。大多数情况下，它内部压力和温度变化不大，近似恒定值。 右上图是气缸垫示意图。在爆发压力作用下，缸盖向上移动，如果导致密封面产生间隙，就要产

2、生泄漏。气缸垫工作者的任务就是，千方百计的不许它发生，保证气缸垫的可靠密封。 左图是气缸垫的结构示意图（从我们过去的幻灯片中截取）4关于密封机理及缸盖螺栓受力变形与气缸垫（密封材料）变形的动态密封三角形定则5关于密封机理及缸盖螺栓受力变形与气缸垫（密封材料）变形的动态密封三角形定则（说明）这是缸盖螺栓受力变形与气缸垫（密封材料）变形的曲线图，它同时展示了气缸垫的密封机理。（图中假设，缸体、缸盖、缸套为刚性，缸垫为弹性体，无塑性形。）Y轴-由螺栓扭紧力矩产生的螺栓轴向力。X轴-缸盖螺栓和气缸垫压缩变形。图中，缸盖螺栓变形曲线与气缸垫（密封材料）变形曲线两条曲线以B点为交点，形成了静态密封三角形。

3、该图形，在20世纪40年代已经形成，50年代以后形成了成熟的理论，技术书和文献中都作为规定样式予以登载和介绍。现在，在爆发力的作用下，形成了螺栓轴力的变化和由爆发力引起的螺栓工作拉力的变化的动态密封力的变化曲线。这已经形成了一种固定模式，规则，作为交变动态力作用下密封原理被广泛采用。为了与静态密封三角形相区别，我们索性称其为动态密封三角形定则。6气缸垫的功能 气缸垫是安装在发动机缸体与缸盖之间的多功能垫片：它是一种连接件；是一种调整件，调整压缩余隙；还是一种密封件，它同时密封温度为10002500、压力为80300Mpa的燃气，温度为80110、压力为0.30.6Mpa的冷却液，温度可达160

4、、压力约1Mpa的润滑油，这是三种化学性能、物理性能差别极大的流体。气缸垫是处于高温、高压和脉动负荷条件下工作的，可想而知它的功能是多么奇特，他所处的工作环境是多么苛刻，它起的作用是多么关键。气缸垫、发动机与密封流体三者之间相互作用、相互制约的结果导致了发动机的成功与失败。所以要从密封总体及他们的相互关系与平衡上来考虑问题。为此，气缸垫的设计者运筹帷幄予设计室、试验室，进行道路试验予千里之外，以确保气缸垫以及的性能可靠。7气缸垫的密封时间曲线8气缸垫密封性能是时间的函数 从宏观上分析，气缸垫密封性能是时间的函数。随着时间的推移，密封性能逐步降低，直至失效，或趋于稳定。它是与时间的对数成比例的。

5、这一稳定值应该是密封极限值的某一倍数。即不但密封初期的整个密封接触面上的初始接触压力大于泄漏临界压力，而且要求随着弹性衰减，其值稳定，始终高于泄漏的临界压力。这涉及到如何实现初始接触压力及确定其数值的技术问题。 这里，首先取决于发动机的特性，如发动机的参数，缸盖螺栓及预紧力，接触面的刚性，其次是气缸垫的设计与制造，及气缸垫的检验与试验。9影响气缸垫密封的因素 缸体 盖缸 发动机 螺栓 试验 影响因素 气缸垫 密封流体及其他 操作 10缸体 材质 接触面刚度（纵向变形与凹陷、顶面厚度不足、各水油孔及加强筋设计欠佳）及缸筒变形 顶面不平度及粗糙度 缸套凸出量及宽度、倒角 螺栓孔结构、布置及孔深 沿

6、X轴方向上下面积不对称（偏载） 链条罩盒与缸体不在同一高度上，且超差 缸盖螺栓连线之外有水油孔11缸盖 材质 接触面刚度（纵横向变形及凹陷、底面厚度薄、各水道及加强筋欠佳、过热及变形） 底面不平度及粗糙度 螺栓孔布置 水道及进排气孔道的布置1213发动机运转试验时温度变化曲线14发动机运转试验时温度变化曲线(说明) 在高温试验时，缸盖底面温度如虚线所示，急剧上升，而缸盖螺栓的温度沿细线逐步上升。此时螺栓因缸盖热胀而受力增大。4分钟后，两者温度接进。急转至低温运转时，缸盖温度急剧下降，螺栓温度缓慢下降，此时螺栓拉力降低，极易在此时产生泄漏。 该图也表示发动机运转条件不同时的影响。发动机反复启动、

7、停车运转要比一定条件下运转更苛刻。这是因为，循环所造成的温度变化，促使缸垫弹性衰减加快，缸体、缸盖的热变形加剧的缘故。 由于温度对缸垫影响很大，所以在发动机设计时要认真考虑缸垫周围的冷却问题，处理好冷却水路及水的温度。15爆发力的影响16振动的影响1718操作及其他 缸垫安装 螺栓扭紧及润滑 点火提前角控制及分电器性能匹配 爆发压力调控 供油路长短不一、燃烧不充分 燃油标号及润滑油 缸体、缸盖上下冷却液通道及“死区”过热 增压技术等的协调应用 运转中振动引起的诸多问题 缸体、缸盖系统性变形 冷却系统不良19气缸垫设计材质选择总体密封尤其是燃气密封结构设计合理密封面压配置功能层板上密封筋形状、宽

8、度、高度，合理选择密封限位片或密封片与密封筋的配合方式曲纹形密封筋或蜂窝状密封筋的选用燃气密封力作用在机体上水油孔密封筋的确定水油孔密封筋形状及总体走向位置选择微密封及减磨防粘涂料的选择及实施工艺缸盖偏载及翘曲问题的处理发动机的振动机热负荷的影响气缸垫的装配结构上述一切都要与气缸垫的设计计算（面压、安全系数）的结果相一致以试验结果验证设计计算、图纸设计及工艺。20金属气缸垫燃气密封结构示意图几种典型结构我公司的设计规范中，燃气密封结构就有78种21气缸垫制造及密封流体 各部尺寸及密封筋形合格 冲裁毛刺小 压制密封筋形凸凹模尖角R制造 预压时不损伤密封筋形 涂料种类、涂覆部位、厚度、形状及施工

9、装配后垫片不翘曲 燃气爆发压力范围 流体温度和压力密封流体 粘度 相 冷却液汽化 流体的腐蚀性 22检验与试验 全部气缸垫工作皆按16949程序进行 按图纸工艺检验合格（尺寸、密封筋形、涂层。） 压紧厚度试验 水压试验 静态试验 面压试验 缸盖缸体刚度试验 铝质环试验 面压试验 缸筒变形试验（见24页） 动态试验及道路试验（由主机厂进行）23面压试验24缸筒变形试验我们自己进行的EQ6100气缸垫试验的结果图（从左至右 1缸、2缸、3缸）25密封筋变形特性有限元分析烟台及辽宁工业大学两位研究生对气缸垫的有限元分析都发表了精辟的论文，大家可以去看。26发动机的发展趋势对密封件的影响27小结：发动

10、机与气缸垫的关系28气缸垫密封的短板效应29气缸垫的发展史铜包石棉垫复合型垫全金属垫石棉复合垫石墨复合垫结合发动机的发展趋势，对气缸垫的要求将更加苛刻。30气缸垫结构示意图铜包石棉垫复合型垫全金属垫31对气缸垫材料的要求材料种类规格品牌较多，技术指标各异，适用不同用途。耐液体性包括耐油性，耐水、耐防冻液；也包括水澎润型、油澎润型等。32气缸垫所用材料的演变 演变过程：石棉材料及金属石棉复合材料 无石棉材料 及金属无石棉复合材料 金属材料 衬垫石棉板 石棉胶乳抄取板 石棉：石棉橡胶板 金属石棉复合板 金属-金属石棉复合板 无石棉材料：无石棉材料板 金属无石棉材料复合板 金属材料：合金钢板 碳素钢板 根据不同用途、不同环境，种类繁多。现在，特殊行业还在使用，曾经听北京恒年技贸公司杨鸥总经理介绍过。除了气缸垫用金属板以外，其他垫片在使用；中低档车使