1 前言
国产内燃机车使用的废气涡轮增压器，长期存在油封漏油问题的困扰，使机车在实际运用中，因增压器油封漏油而造成增压器转子积碳固死的故障，成为制约机车可靠性的惯性质量故障。
由于机车柴油机用涡轮增压器结构和使用上的特殊性，一方面要保证转子高速旋转下轴承的良好润滑，另一方面又要在有限的空间内实施有效的密封，油封结构设计难度相对较大。因此，尽管目前大量使用的ZN310型增压器，较45GP80系列增压器的结构做了许多有益的改进，使增压器的性能与可靠性得到了显著的提高，但增压器油封漏油故障仍未能得到根本的解决。引进生产的VTC254增压器也存在不同程度的漏油故障。本文针对这一长期制约增压器可靠性提高的惯性质量故障，开展了大量专项试验研究，并取得了一定研究成果。
2 增压器油封结构的改进
2.1 机车柴油机用废气涡轮增压器典型油封结构及存在的问题
目前机车柴油机用涡轮增压器主要有ZN310、ZN290、261P、VTC254、VTC214和450GP80系列等几种型号。尽管各型增压器油封结构不尽相同，但其油封结构型式大体上可以分成接触式和非接触式两大类。
2.1.1 接触式油封
除45GP80系列增压器外，其它几种型号的增压器均采用接触式油封结构，相应的密封件有铸铁涨圈(ZN310、ZN290和VTC254、VTC214)和石墨碳精圈两类(261P)。通常情况下涨圈式油封能较好地起到密封作用，但其结构和安装精度要求较高，特别是涨圈的质量，在很大程度上决定了油封的密封效果和可靠性。碳精圈式油封由于其结构强度较低，长期使用时可靠性和耐久性相对较差。因此，接触式油封结构多趋向于使用强度高、耐磨性好的铸铁涨圈密封件。
2.1.2 非接触式油封
45GP80系列增压器使用的是回油螺纹加甩油盘的非接触式油封结构。由于其静态工作间隙的影响，增压器在低转速和变工况下的密封效果不够理想，且随增压器使用时间的延长，漏油故障率明显增加。该结构型式的油封在45GP80系列增压器上使用的结果证明，需要更新结构设计。
2.2 ZN310LC系列增压器油封结构的改进方案
ZN310LC系列增压器系ZN310型增压器中的一类。其油封型式针对原45GP80系列增压器油封漏油严重的缺陷而改造成涨圈式油封结构。该种油封较45GP80系列增压器油封的密封效果有了明显的改进，在一定程度上缓解了增压器油封漏油的故障现象。但随着机车中修公里的延长以及涨圈质量和油封装配质量的离散性，油封漏油现象再次回升。为此，本文针对现用油封结构进行了专项研究，总结了造成油封结构漏油故障的各方面原因，并在试验台上比较了各种不同油封结构(回油螺纹结构和涨圈式结构及其相应的组合)的工作特性和封油状况，以及涨圈油封结构中涨圈槽间隙、位置、数量和加工精度等结构参数对油封工作状态的影响，提出了新的油封结构改进方案，即涡轮与压气机端均釆用涨圈加回油螺纹的组合油封结构。此外合理设计回油孔，并相应加大回油腔等。改造后的油封，不但继承了原油封的设计优点，而且增加了油封的可靠性。
3 油封结构改进试验研究结果
3.1 试验方案设计及主要检测参数
为了全面分析和掌握不同油封结构的实际密封效果及其对进、回油状态的影响，在增压器试验台和油封试验台上比较了多种不同油封结构及它们之间组合的作用效果，并测试出对应方案的油腔压力。
3.2 主要试验结果及分析
3.2.1 两种不同油封结构的对比试验结果分析
涨圈式油封与回油螺纹油封在增压器试验台上的试验结果表明，不同油封结构，其压气机和涡轮回油腔内的压力不同，如图1、2所示。显然，涨圈式油封结构的回油腔内的压力要低于回油螺纹的油封结构，因此，涨圈式油封结构的密封效果要优于回油螺纹的密封效果。
图1 压气机回油腔压力
图2 涡轮回油腔压力
3.2.2 组合油封结构的筛选结果
油封试验筛选研究的结果表明，涨圈式油封与回油螺纹结构的组合，具有较好的动静态封油作用。表1为涨圈与回油螺纹的4种组合方案在增压器试验台上所得的试验结果。显然，涡轮与压气机两端均釆用涨圈在外、回油螺纹在内的组合方式时，将能较其它组合方式获得更好的密封效果。
表1 油腔内部压力测量值/mmH2O
3.3 增压器油封密封机理论述
除因增压器油封意外损坏或安装不当而造成的油封漏油故障外，造成增压器油封漏油的主要原因是由于油封工作间隙过大，增压器内部各处压力不平衡及回油不畅所致。因此，解决油封漏油的密封问题，理想情况下首先应当使增压器内部在各种工况下均能实现有利的压力平衡状态，以克服因压气机叶轮背面压力低于轴承体内压力而造成的压气机端漏油现象。其次应使气、油腔严密分开，并釆用有效的密封措施。本研究的试验结果证明，选用涨圈的油封结构，正是由于有效地限制了回油腔内油压的变化，保证了回油的畅通，才得以实现有效的密封。尤其是涨圈结构与回油螺纹的合理搭配，既取得了以往为控制回油腔内压力而将回油腔直通大气或通往曲轴箱的效果，又避免了后者污蚀车外表面和干扰曲轴箱内压力的弊病。
4 结论
通过上述油封结构的试验研究，对有效防止和解决增压器油封漏油方面，可得出以下有益结论：
(1)接触式的涨圈油封结构，能有效地限制回油腔内的压力，而使油封处于有利的工作状态。使用该油封结构时,相应涨圈及环槽表面光洁度要高，环表面平行度和垂直度要好，同时,环要符合漏光检查要求。
(2)涨圈的物理参数〈弹性、张力及幵口间隙等)以及涨圈与环槽的配合间隙对油封的密封效果、使用寿命和可靠性有较大影响。特别是涨圈的弹力，其大小应满足既能防止环在环槽中的转动，同时又不妨碍环的轴向窜动要求，以减小其磨损。
(3)非接触式回油螺纹油封结构，在转子低速和变工况减速时易产生漏油，但高转速时密封效果很好。涨圈式油封则无论在高低转速时均可实现良好密封，它仅在转子轴向窜动时，产生少许漏油。因此，尽管回油螺纹油封不宜单独用于密封，但它与涨圈油封的组合，将极大地改善单一油封的密封效果。此外，鉴于其结构上的可靠程度较高，从而可有效提高组合油封结构的可靠性。
(4)组合油封试验筛选的结果表明，涨圈式油封与回油螺纹油封的合理组合，有效地提高了油封的密封质量和可靠性。值得说明的是涨圈与回油螺纹的不同组合方式，对回油腔压力变化的影响不尽相同。因此，建议釆用最为理想的涨圈结构在外、回油螺纹在内的组合方式。
(5)由于回油腔内压力的大小，极大地影响油封的密封质量,因此，在结构及强度允许的条件下，增压器的回油腔容积应尽可能的大，以保证回油的畅通。
此外，应进一步在确定涨圈的技术参数(如弹性、张力和开口间隙等)对油封密封质量的影响程度，以及如何延长涨圈的有效使用寿命和提高其可靠性等方面开展深入细致的研究工作，以达到彻底根除增压器油封漏油这一惯性质量故障的目的。
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