發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)水泵汽蝕問(wèn)題研究

張 帆，韋家良，劉高領(lǐng)

(上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州545007)

隨著發(fā)動(dòng)機(jī)新項(xiàng)目開發(fā)的日益增多，水泵總成作為發(fā)動(dòng)機(jī)的功能件之一，試驗(yàn)驗(yàn)證也隨之增多。如何保證發(fā)動(dòng)機(jī)各項(xiàng)試驗(yàn)的順利和高效運(yùn)行，是設(shè)計(jì)人員關(guān)注的問(wèn)題之一。

1 汽蝕和泵中的汽蝕過(guò)程

液體在一定溫度下，降低壓力至該溫度下的汽化壓力時(shí)，液體便產(chǎn)生氣泡，將這種產(chǎn)生氣泡的現(xiàn)象，稱為汽蝕。

泵在運(yùn)轉(zhuǎn)中，若其過(guò)流部分的局部區(qū)域（通常是葉輪葉片進(jìn)口稍后的某處），因?yàn)槟撤N原因，抽送液體的絕對(duì)壓力下降到當(dāng)時(shí)溫度下的汽化壓力時(shí)，液體便在該處開始汽化、產(chǎn)生蒸汽、形成氣泡，這些氣泡隨液體向前流動(dòng)，至某高壓處時(shí)，氣泡周圍的高壓液體致使氣泡急驟地縮小以致破裂（凝潔）。在氣泡凝結(jié)的同時(shí)，液體質(zhì)點(diǎn)將以高速填充空穴，發(fā)生互相撞擊而形成水擊。這種現(xiàn)象發(fā)生在固體壁上，將使過(guò)流部件受到腐蝕破壞。上述產(chǎn)生氣泡和氣泡破裂，使過(guò)流部件遭到破壞的過(guò)程，就是泵中的汽蝕過(guò)程。

2 泵產(chǎn)生汽蝕的條件

式中，

NPSHr為泵汽蝕余量；

ν0為葉片進(jìn)口稍前的絕對(duì)速度；

w0為葉片進(jìn)口稍前的相對(duì)速度；

λ為葉輪進(jìn)口繞流壓降系數(shù)；

g為重力加速度；

NPSHa為裝置汽蝕余量；

上述式（1）和式（2）稱為汽蝕基本方程式。

裝置汽蝕余量NPSHr，是指在泵進(jìn)口處單位重量液體具有的超過(guò)汽化壓力水頭的富余能量，其大小與裝置參數(shù)及液體性質(zhì)有關(guān)；

泵汽蝕余量NPSHr。是指為了保證泵不發(fā)生汽蝕而要求在泵進(jìn)口處單位重量液體具有超過(guò)汽化壓力水頭得富余能量，它與裝置參數(shù)無(wú)關(guān)，只與泵進(jìn)口部分的運(yùn)動(dòng)參數(shù)有關(guān)，即有泵本身的特性決定。

當(dāng)時(shí)NPSHr=NPSHa，泵汽蝕；

當(dāng)NPSHr＜NPSHa時(shí)，泵嚴(yán)重汽蝕；

當(dāng)NPSHr＞NPSHa時(shí)，泵無(wú)汽蝕。

3 泵汽蝕對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)的危害

水泵汽蝕現(xiàn)象會(huì)產(chǎn)生噪聲和振動(dòng)，引起過(guò)流部件的腐蝕破壞，導(dǎo)致水泵性能和效率下降。在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)上發(fā)生水泵汽蝕現(xiàn)象時(shí)，將導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液流量不足、局部過(guò)熱；嚴(yán)重時(shí)，甚至?xí)驕u流室穴蝕嚴(yán)重而漏水最終導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)整體過(guò)熱而報(bào)廢。發(fā)動(dòng)機(jī)耐久性臺(tái)架試驗(yàn)耗資巨大，如因水泵汽蝕而導(dǎo)致試驗(yàn)重做將得不償失，所以，如何最大限度地降低發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)過(guò)程中水泵汽蝕出現(xiàn)的幾率，不僅有技術(shù)指導(dǎo)意義，也有經(jīng)濟(jì)指導(dǎo)意義。

下文就以一起案例，詳細(xì)分析發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)水泵的汽蝕問(wèn)題。

4 案例分析

4.1 故障描述

發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)出現(xiàn)水泵汽蝕，導(dǎo)致試驗(yàn)終止。拆解水泵發(fā)現(xiàn)：水泵渦流室嚴(yán)重穴蝕，如圖1所示，其他部位正常。

圖1 某水泵渦流室汽蝕圖片

4.2 原因分析

潛在原因分析。導(dǎo)致水泵汽蝕的潛在原因有：水泵原因，臺(tái)架裝置原因，其它原因。

其中，水泵原因包括：設(shè)計(jì)原因，即水泵選型時(shí)水泵本身的汽蝕余量過(guò)高；質(zhì)量原因，即水泵在制造過(guò)程中存在制造缺陷，還有其他的原因。

故障樹分析樹見圖2。

臺(tái)架裝置原因包括：臺(tái)架裝置汽蝕余量過(guò)?。慌_(tái)架運(yùn)行過(guò)程中因水泵進(jìn)水口流速過(guò)快、試驗(yàn)開始前未進(jìn)行排空氣或排氣未盡，導(dǎo)致水泵進(jìn)水口處存在空氣；其他的原因。

4.3 故障排查

（1）水泵分析。水泵分析包括3項(xiàng)：一是尺寸檢測(cè)；二是同批次水泵互換汽蝕余量對(duì)比檢測(cè)；三是同類型產(chǎn)品汽蝕余量對(duì)比檢測(cè)。

第一項(xiàng)和二項(xiàng)的目的，是為了檢測(cè)水泵的制造質(zhì)量；第三項(xiàng)是為了檢測(cè)水泵的設(shè)計(jì)品質(zhì)。

圖2 水泵汽蝕故障分析樹

第一項(xiàng)——尺寸檢測(cè)：

檢測(cè)項(xiàng)目共2項(xiàng)：葉輪的安裝高度，葉輪和渦流室之間的間隙。選取同批次同等試驗(yàn)條件后無(wú)故障的樣件3件，作為對(duì)比樣件同時(shí)進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果見表1。

表1 尺寸檢測(cè)結(jié)果

葉輪和渦流室之間的間隙，影響水泵的性能和汽蝕。間隙越小，水泵的性能越好，汽蝕性能越差；間隙越大，水泵的性能越差，汽蝕性能越好。

水泵設(shè)計(jì)一般取該值為（0.8±0.3）mm。葉輪的外圓跳動(dòng)與水泵的汽蝕性能之間的關(guān)系如下：跳動(dòng)越小，越不易發(fā)生汽蝕，而當(dāng)葉輪外圓跳動(dòng)超過(guò)一定值時(shí)，汽蝕的可能性將大幅增加，一般不應(yīng)超過(guò)0.5 mm。

從表1可以看出，檢測(cè)結(jié)果合格，說(shuō)明該水泵不存在裝配品質(zhì)問(wèn)題。

第二項(xiàng)——同批次水泵互換汽蝕余量對(duì)比檢測(cè)：

用鋁質(zhì)修補(bǔ)劑復(fù)原汽蝕的泵座，將故障件的泵體和泵座與新品水泵（與故障水泵同一生產(chǎn)批次）的泵體和泵座分別搭配組合后，在同一水泵臺(tái)架上做汽蝕余量對(duì)比試驗(yàn)，測(cè)量臨界汽蝕余量值。檢測(cè)結(jié)果見表2。

表2 汽蝕余量檢測(cè)結(jié)果

臨界汽蝕余量是表征水泵汽蝕性能的重要參數(shù)，其值越小，水泵的汽蝕性能越好，越不易發(fā)生汽蝕。

從表2中可以看出，不同組合下的汽蝕余量相差無(wú)幾，說(shuō)明該水泵不存在鑄造和機(jī)械加工品質(zhì)問(wèn)題。

綜合上述2項(xiàng)檢測(cè)，可以判斷：該水泵在制造過(guò)程中沒有異常，排除水泵品質(zhì)問(wèn)題的可能。

第三項(xiàng)——同類型產(chǎn)品汽蝕余量對(duì)比檢測(cè)：

選取同類型已經(jīng)量產(chǎn)的水泵2種與新品水泵，在同一水泵臺(tái)架上做汽蝕余量對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 汽蝕余量檢測(cè)結(jié)果

從表3中可以看出，新品水泵優(yōu)于對(duì)比水泵的汽蝕余量，對(duì)比水泵已經(jīng)通過(guò)開發(fā)階段的各項(xiàng)試驗(yàn)驗(yàn)證和售后市場(chǎng)的驗(yàn)證，所以水泵的設(shè)計(jì)選型也不存在問(wèn)題，排除水泵設(shè)計(jì)問(wèn)題的可能。

綜合上述3項(xiàng)檢測(cè)，可以判斷：水泵本身不存在異常。

（2）臺(tái)架裝置分析。對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中的臺(tái)架裝置進(jìn)行檢測(cè)發(fā)現(xiàn)：臺(tái)架冷卻系統(tǒng)由水泵本身驅(qū)動(dòng)，水泵進(jìn)水口流速不存在異常。但是，臺(tái)架裝置不符合試驗(yàn)規(guī)范要求。

體現(xiàn)在：臺(tái)架水箱放置位置低于水泵進(jìn)水口，導(dǎo)致水泵處于吸上狀態(tài)；臺(tái)架冷卻系統(tǒng)的布置不符合整車狀態(tài)冷卻系統(tǒng)的布置要求。

試驗(yàn)人員在操作時(shí)，未按照試驗(yàn)要求進(jìn)行：試驗(yàn)運(yùn)行前沒有對(duì)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行排氣。

解剖發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋，從圖3中可以發(fā)現(xiàn)，缸蓋水套內(nèi)部同樣存在汽蝕的痕跡，由此可以證明：該水泵汽蝕現(xiàn)象系臺(tái)架裝置原因?qū)е隆?/p>

圖3 剖切后的發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋水套示意圖

4.4 要因確認(rèn)

綜合上述分析可知：臺(tái)架不符合試驗(yàn)規(guī)范要求（水箱放置高度不合理，臺(tái)架冷卻系統(tǒng)的布置不符合整車狀態(tài)冷卻系統(tǒng)的布置要求）以及試驗(yàn)人員操作不合理（試驗(yàn)前未進(jìn)行冷卻系統(tǒng)排氣）為導(dǎo)致水泵汽蝕的要因。

4.5 故障處理

針對(duì)臺(tái)架不符合試驗(yàn)規(guī)范要求的問(wèn)題，改進(jìn)如下：將水箱位置抬高至高于發(fā)動(dòng)機(jī)出水口處，使水泵處于倒灌狀態(tài)；按照整車?yán)鋮s系統(tǒng)的布置增加自動(dòng)排氣的循環(huán)管路。因?yàn)楦倪M(jìn)后的臺(tái)架冷卻系統(tǒng)具備自動(dòng)排氣功能，所以，臺(tái)架上不需要配備透明管路用以檢查排氣后的狀態(tài)。改進(jìn)前后的臺(tái)架冷卻系統(tǒng)圖見圖5和圖6。

圖4 改進(jìn)前臺(tái)架冷卻系統(tǒng)圖

圖5 改進(jìn)后臺(tái)架冷卻系統(tǒng)圖

4.6 試驗(yàn)驗(yàn)證

臺(tái)架冷卻系統(tǒng)改造完成后，進(jìn)行了多臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)耐久性試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)生水泵汽蝕現(xiàn)象的概率由30%降低至0%，臺(tái)架試驗(yàn)運(yùn)行的可靠性，得到了顯著提高。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)案例分析，采用QC這種解決問(wèn)題的方法，利用故障樹分析發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)水泵汽蝕的潛在原因，并逐一排查，得出結(jié)論如下：臺(tái)架不符合試驗(yàn)規(guī)范要求（水箱放置高度不合理，臺(tái)架冷卻系統(tǒng)的布置不符合整車狀態(tài)冷卻系統(tǒng)的布置要求）以及試驗(yàn)人員操作不合理（試驗(yàn)前未進(jìn)行冷卻系統(tǒng)排氣）為導(dǎo)致水泵汽蝕的要因。

針對(duì)故障要因，改進(jìn)如下：將水箱位置抬高至高于發(fā)動(dòng)機(jī)出水口處，使水泵處于倒灌狀態(tài)；按照整車?yán)鋮s系統(tǒng)的布置，增加自動(dòng)排氣的循環(huán)管路。改進(jìn)后，試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)生水泵汽蝕現(xiàn)象的概率由30%降低至0%，臺(tái)架試驗(yàn)運(yùn)行的可靠性得到了顯著提高。

本文就發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)水泵汽蝕問(wèn)題深入探討，這種分析問(wèn)題的方法和解決問(wèn)題的經(jīng)驗(yàn)，為類似問(wèn)題的分析和處理，提供了很好的解決思路和方法，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)有很好的借鑒作用。

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