1 前言
國產內燃機車使用的廢氣渦輪增壓器，長期存在油封漏油問題的困擾，使機車在實際運用中，因增壓器油封漏油而造成增壓器轉子積碳固死的故障，成為制約機車可靠性的慣性質量故障。
由于機車柴油機用渦輪增壓器結構和使用上的特殊性，一方面要保證轉子高速旋轉下軸承的良好潤滑，另一方面又要在有限的空間內實施有效的密封，油封結構設計難度相對較大。因此，盡管目前大量使用的ZN310型增壓器，較45GP80系列增壓器的結構做了許多有益的改進，使增壓器的性能與可靠性得到了顯著的提高，但增壓器油封漏油故障仍未能得到根本的解決。引進生產的VTC254增壓器也存在不同程度的漏油故障。本文針對這一長期制約增壓器可靠性提高的慣性質量故障，開展了大量專項試驗研究，并取得了一定研究成果。
2 增壓器油封結構的改進
2.1 機車柴油機用廢氣渦輪增壓器典型油封結構及存在的問題
目前機車柴油機用渦輪增壓器主要有ZN310、ZN290、261P、VTC254、VTC214和450GP80系列等幾種型號。盡管各型增壓器油封結構不盡相同，但其油封結構型式大體上可以分成接觸式和非接觸式兩大類。
2.1.1 接觸式油封
除45GP80系列增壓器外，其它幾種型號的增壓器均采用接觸式油封結構，相應的密封件有鑄鐵漲圈(ZN310、ZN290和VTC254、VTC214)和石墨碳精圈兩類(261P)。通常情況下漲圈式油封能較好地起到密封作用，但其結構和安裝精度要求較高，特別是漲圈的質量，在很大程度上決定了油封的密封效果和可靠性。碳精圈式油封由于其結構強度較低，長期使用時可靠性和耐久性相對較差。因此，接觸式油封結構多趨向于使用強度高、耐磨性好的鑄鐵漲圈密封件。
2.1.2 非接觸式油封
45GP80系列增壓器使用的是回油螺紋加甩油盤的非接觸式油封結構。由于其靜態工作間隙的影響，增壓器在低轉速和變工況下的密封效果不夠理想，且隨增壓器使用時間的延長，漏油故障率明顯增加。該結構型式的油封在45GP80系列增壓器上使用的結果證明，需要更新結構設計。
2.2 ZN310LC系列增壓器油封結構的改進方案
ZN310LC系列增壓器系ZN310型增壓器中的一類。其油封型式針對原45GP80系列增壓器油封漏油嚴重的缺陷而改造成漲圈式油封結構。該種油封較45GP80系列增壓器油封的密封效果有了明顯的改進，在一定程度上緩解了增壓器油封漏油的故障現象。但隨著機車中修公里的延長以及漲圈質量和油封裝配質量的離散性，油封漏油現象再次回升。為此，本文針對現用油封結構進行了專項研究，總結了造成油封結構漏油故障的各方面原因，并在試驗臺上比較了各種不同油封結構(回油螺紋結構和漲圈式結構及其相應的組合)的工作特性和封油狀況，以及漲圈油封結構中漲圈槽間隙、位置、數量和加工精度等結構參數對油封工作狀態的影響，提出了新的油封結構改進方案，即渦輪與壓氣機端均釆用漲圈加回油螺紋的組合油封結構。此外合理設計回油孔，并相應加大回油腔等。改造后的油封，不但繼承了原油封的設計優點，而且增加了油封的可靠性。
3 油封結構改進試驗研究結果
3.1 試驗方案設計及主要檢測參數
為了全面分析和掌握不同油封結構的實際密封效果及其對進、回油狀態的影響，在增壓器試驗臺和油封試驗臺上比較了多種不同油封結構及它們之間組合的作用效果，并測試出對應方案的油腔壓力。
3.2 主要試驗結果及分析
3.2.1 兩種不同油封結構的對比試驗結果分析
漲圈式油封與回油螺紋油封在增壓器試驗臺上的試驗結果表明，不同油封結構，其壓氣機和渦輪回油腔內的壓力不同，如圖1、2所示。顯然，漲圈式油封結構的回油腔內的壓力要低于回油螺紋的油封結構，因此，漲圈式油封結構的密封效果要優于回油螺紋的密封效果。
圖1 壓氣機回油腔壓力
圖2 渦輪回油腔壓力
3.2.2 組合油封結構的篩選結果
油封試驗篩選研究的結果表明，漲圈式油封與回油螺紋結構的組合，具有較好的動靜態封油作用。顯然，渦輪與壓氣機兩端均釆用漲圈在外、回油螺紋在內的組合方式時，將能較其它組合方式獲得更好的密封效果。
3.3 增壓器油封密封機理論述
除因增壓器油封意外損壞或安裝不當而造成的油封漏油故障外，造成增壓器油封漏油的主要原因是由于油封工作間隙過大，增壓器內部各處壓力不平衡及回油不暢所致。因此，解決油封漏油的密封問題，理想情況下首先應當使增壓器內部在各種工況下均能實現有利的壓力平衡狀態，以克服因壓氣機葉輪背面壓力低于軸承體內壓力而造成的壓氣機端漏油現象。其次應使氣、油腔嚴密分開，并釆用有效的密封措施。本研究的試驗結果證明，選用漲圈的油封結構，正是由于有效地限制了回油腔內油壓的變化，保證了回油的暢通，才得以實現有效的密封。尤其是漲圈結構與回油螺紋的合理搭配，既取得了以往為控制回油腔內壓力而將回油腔直通大氣或通往曲軸箱的效果，又避免了后者污蝕車外表面和干擾曲軸箱內壓力的弊病。
4 結論
通過上述油封結構的試驗研究，對有效防止和解決增壓器油封漏油方面，可得出以下有益結論：
(1)接觸式的漲圈油封結構，能有效地限制回油腔內的壓力，而使油封處于有利的工作狀態。使用該油封結構時,相應漲圈及環槽表面光潔度要高，環表面平行度和垂直度要好，同時,環要符合漏光檢查要求。
(2)漲圈的物理參數〈彈性、張力及幵口間隙等)以及漲圈與環槽的配合間隙對油封的密封效果、使用壽命和可靠性有較大影響。特別是漲圈的彈力，其大小應滿足既能防止環在環槽中的轉動，同時又不妨礙環的軸向竄動要求，以減小其磨損。
(3)非接觸式回油螺紋油封結構，在轉子低速和變工況減速時易產生漏油，但高轉速時密封效果很好。漲圈式油封則無論在高低轉速時均可實現良好密封，它僅在轉子軸向竄動時，產生少許漏油。因此，盡管回油螺紋油封不宜單獨用于密封，但它與漲圈油封的組合，將極大地改善單一油封的密封效果。此外，鑒于其結構上的可靠程度較高，從而可有效提高組合油封結構的可靠性。
(4)組合油封試驗篩選的結果表明，漲圈式油封與回油螺紋油封的合理組合，有效地提高了油封的密封質量和可靠性。值得說明的是漲圈與回油螺紋的不同組合方式，對回油腔壓力變化的影響不盡相同。因此，建議釆用最為理想的漲圈結構在外、回油螺紋在內的組合方式。
(5)由于回油腔內壓力的大小，極大地影響油封的密封質量,因此，在結構及強度允許的條件下，增壓器的回油腔容積應盡可能的大，以保證回油的暢通。
此外，應進一步在確定漲圈的技術參數(如彈性、張力和開口間隙等)對油封密封質量的影響程度，以及如何延長漲圈的有效使用壽命和提高其可靠性等方面開展深入細致的研究工作，以達到徹底根除增壓器油封漏油這一慣性質量故障的目的。
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