機(jī)械水泵失效分析及改進(jìn)

夏承睿 柏曉峰

摘要：本文主要圍繞某型發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械水泵失效故障，從水泵單品零件結(jié)構(gòu)及水系統(tǒng)相關(guān)問題開展分析調(diào)查，找出了水泵失效機(jī)理，提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施，消除水泵失效故障，取得明顯成效，能夠?yàn)樵擃I(lǐng)域相關(guān)技術(shù)人員對(duì)機(jī)械水泵的深入研究提供有一定價(jià)值的依據(jù)。

關(guān)鍵詞：機(jī)械水泵;水泵失效;失效機(jī)理;改進(jìn)策略

中圖分類號(hào)：U472? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2020）21-0042-02

0? 引言

水泵是發(fā)動(dòng)機(jī)的核心部件，是冷卻系統(tǒng)的動(dòng)力源。近年，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪增壓的普及，它相比較自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)的功率、扭矩大幅增加帶來汽車性能提升，水泵使用工況變惡劣;同時(shí)渦輪增壓會(huì)帶來發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)倉(cāng)溫度增加，冷卻水散熱效果降低、水泵工作環(huán)境變惡劣，這就使水泵失效故障率更高，故深入研究水泵失效的原因、制定改進(jìn)對(duì)策有極大的現(xiàn)實(shí)意義。

1? 水泵失效的危害

某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)排量1.8升、直列4缸、16氣門、帶渦輪增壓，搭載機(jī)械水泵;水泵與張緊輪等零件通過齒形皮帶連接，如圖1，皮帶光滑背面驅(qū)動(dòng)水泵運(yùn)轉(zhuǎn)，如果水泵失效，會(huì)出現(xiàn)皮帶打滑現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)損壞。

水泵故障的特征為手轉(zhuǎn)卡滯難轉(zhuǎn)動(dòng)，軸承已經(jīng)損壞，針對(duì)水泵失效進(jìn)行分析調(diào)查。

2? 水泵故障分析

2.1 軸承相關(guān)調(diào)查

水泵軸承為雙列球軸承，結(jié)構(gòu)圖示如圖1。

對(duì)失效水泵的軸承展開調(diào)查，如下：

2.1.1 游隙調(diào)查

對(duì)5件故障件的雙球深溝軸承進(jìn)行游隙測(cè)量，規(guī)格：徑向游隙15-30um，軸向游隙≤80um，測(cè)量結(jié)果：徑向游隙59-80um之間，軸向164-217um之間;從結(jié)果可知，軸承已經(jīng)損壞，水泵失效。

2.1.2 油脂含水量調(diào)查

取失效水泵5臺(tái)，分別測(cè)軸承內(nèi)油脂含水量，以判斷軸承是否進(jìn)水，規(guī)格要求含水量相對(duì)新品油脂≤2500ppm，測(cè)量結(jié)果顯示軸承已經(jīng)進(jìn)水，測(cè)量結(jié)果水封側(cè)5306-8654之間，皮帶輪側(cè)3137-4791之間，從結(jié)果可知，軸承已經(jīng)進(jìn)水。

2.1.3 油脂剩脂量調(diào)查

取失效水泵的軸承內(nèi)油脂，測(cè)量軸承剩脂量以判斷軸承是否異常溢脂，規(guī)格1±0.2g，實(shí)際測(cè)量結(jié)果1.02-1.08之間，從結(jié)果可知，軸承沒有溢脂。

2.1.4 軸承芯軸表面確認(rèn)

剖解軸承，放大鏡下觀察，軸承芯軸已經(jīng)磨損，表面呈亮白色，此亮白色非加工自然色，是軸承在進(jìn)水之后、潤(rùn)滑條件惡化的情況下繼續(xù)運(yùn)行的特征。

2.1.5 軸承調(diào)查綜合判斷

軸承內(nèi)部進(jìn)水后繼續(xù)運(yùn)行，導(dǎo)致軸承損壞。具體進(jìn)水原因，需要調(diào)查水封等子零件。

2.2 水封相關(guān)調(diào)查

該水泵水封為機(jī)械水封，它有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單成本低優(yōu)點(diǎn)，最高耐溫120°C。水封密封原理是：動(dòng)環(huán)受水壓作用貼緊靜環(huán)，在動(dòng)/靜環(huán)之間生產(chǎn)適當(dāng)比壓及形成極薄的液體膜達(dá)到密封的目的[1]，機(jī)械水泵的水封結(jié)構(gòu)圖示如圖2。

調(diào)查水封，發(fā)現(xiàn)它的動(dòng)/靜環(huán)端面有被硬質(zhì)異物摩擦的“深溝”痕跡，異物侵入水封動(dòng)/靜環(huán)之間，兩環(huán)被撐開，破壞了液體膜導(dǎo)致漏水。硬質(zhì)異物來源于發(fā)動(dòng)機(jī)水道殘留或者水道中防凍液高溫析出的結(jié)晶物。

為了評(píng)價(jià)水封抗異物能力，設(shè)計(jì)了水封抗異物能力試驗(yàn)。試驗(yàn)方法如下：建立模擬試驗(yàn)臺(tái)架，采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，試驗(yàn)中水路工作介質(zhì)為水與防凍液按照50：50配比混合，按照1克/升的密度添加JIS Z8901 class 8級(jí)顆粒物，攪勻混合，介質(zhì)溫度控制（90°C±5°），壓力設(shè)置為最大壓力值140kPa，水封轉(zhuǎn)速在500-5000rpm之間變速，分別測(cè)量漏水量。根據(jù)實(shí)際漏水量判斷水封抗異物能力強(qiáng)弱。

從表1結(jié)果看，該水封抗異物能力較B品牌水封差。

2.3 水泵排氣、泄水布置方式調(diào)查

水泵殼體設(shè)置了排氣孔和泄水孔，該水泵安裝后排氣孔、泄水孔在泵體中部，水蒸氣及冷卻液不能及時(shí)排出，積在泵體中滲入到軸承內(nèi)部，影響軸承潤(rùn)滑軸承壽命下降[2]，此問題也是導(dǎo)致軸承進(jìn)水的原因之一。

2.4 防凍液結(jié)晶調(diào)查

發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液在高溫條件下，防凍液會(huì)發(fā)生脫水縮合反應(yīng)[3]表面形成結(jié)晶物質(zhì)，冷卻液在相同時(shí)間不同溫度條件下的析晶量關(guān)系如圖3。

從圖3可知，溫度110°C開始明顯增多，115°C驟然增多，溫度越高析出結(jié)晶物越多。因此，選用該型號(hào)冷卻液，車輛水路的水溫要嚴(yán)格控制，防止溫度過高，一旦析出過多的結(jié)晶物，結(jié)晶物會(huì)混合在水道中，有異物侵入水封導(dǎo)致漏水的可能。

2.5 水系統(tǒng)溫度調(diào)查

2.5.1 車輛熄火后溫升

車輛熄火后水系統(tǒng)溫度受熱平衡作用會(huì)呈先增加后逐漸下降的趨勢(shì)，為了對(duì)應(yīng)車輛熄火后水溫上升的影響，目前很多汽車都有冷卻風(fēng)扇熄火延時(shí)停止功能，實(shí)測(cè)目前車輛熄火時(shí)風(fēng)扇啟動(dòng)臨界溫度為105°，熄火后雖然冷卻風(fēng)扇會(huì)繼續(xù)工作250s，但水溫已經(jīng)上升到119°C，此溫度值接近水封極限耐溫值。

2.5.2 車輛高/低速行駛時(shí)水系統(tǒng)問題

為了調(diào)查水溫高對(duì)水泵的影響程度，在水泵的水封動(dòng)/靜環(huán)之間、水封附近5mm處、軸承外圈分別布置溫度傳感器，車輛按照掛低速1檔，車速≤30Km/h，連續(xù)行駛15min，低速爬長(zhǎng)坡、掛高速7檔，車速≥110Km/h，連續(xù)行駛60min，高速路行駛等不同工況進(jìn)行實(shí)測(cè)溫度值，測(cè)量結(jié)果是，低速：水封動(dòng)/靜環(huán)116.5°C，水封附近117°C，軸承外圈115°C;高速：水封動(dòng)/靜環(huán)101°C，水封附近101°C，軸承外圈100°C。

車輛在低速工況下，實(shí)測(cè)溫度都偏高，特別是水封附近的水溫已經(jīng)接近極限耐溫值。水系統(tǒng)的熱平衡設(shè)計(jì)就偏高。

2.6 原因分析

綜合上述各項(xiàng)調(diào)查，水泵失效機(jī)理是由于如下原因綜合導(dǎo)致：①水泵結(jié)構(gòu)設(shè)置不合理，水蒸氣難排出導(dǎo)致反向侵入軸承內(nèi)部，運(yùn)行異常，軸承失效;②車輛水系統(tǒng)溫度過高，防凍液結(jié)晶物引起水封漏水同時(shí)極限水溫已接近水封耐溫極限，加劇水封漏水;泄漏的水受高溫影響迅速結(jié)晶，堵住泄水孔，泄漏的水無法排到水泵外部導(dǎo)致反向侵入軸承內(nèi)部，加劇軸承失效。

3? 改進(jìn)措施

①水泵結(jié)構(gòu)改進(jìn)：殼體最高位置增加排氣孔最低位置增加泄水孔;

②車輛熄火溫度改善：熄火后觸發(fā)風(fēng)扇延時(shí)啟動(dòng)溫度點(diǎn)從105°C降低到98°C;

③子件單品耐溫特性及抗異物特性提升：水封單品耐溫120°C已經(jīng)接近水溫值，更換某品牌水封，將水封耐溫提高到150°C同時(shí)提高耐異物特性。

4? 效果確認(rèn)

措施1驗(yàn)證：將改進(jìn)后水泵安排進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架耐久，運(yùn)行100小時(shí)，拆解水泵，能清晰看到水蒸氣從新增的排氣孔散發(fā)出去的痕跡，改進(jìn)措施有效。

措施2驗(yàn)證：車輛熄火后風(fēng)扇延時(shí)觸發(fā)溫度點(diǎn)從105°C調(diào)整為98°C，能降低水系統(tǒng)溫度，實(shí)測(cè)熄火后水溫109°C。

措施3驗(yàn)證：水封變更抗異物特性強(qiáng)及耐溫值高的型號(hào)，差異如表2。

上述改進(jìn)措施實(shí)施之后，水泵失效課題完全解決，取得很好的經(jīng)濟(jì)效益。

5? 結(jié)論

綜合上述，通過以上的機(jī)械水泵失效調(diào)查分析，可以了解到水封選型設(shè)計(jì)時(shí)除了關(guān)注泄漏等傳統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)還要增加考慮抗異物性能及極限耐溫值與水系統(tǒng)溫度關(guān)系、車輛水系統(tǒng)溫度控制要考慮熄火后溫度升高情況、水泵排氣及泄水孔位置布置設(shè)計(jì)要充分合理，幫助我們更加深入地認(rèn)識(shí)及了解水泵失效的機(jī)理，同時(shí)，也提出了改進(jìn)措施，能夠?yàn)榻窈蠼鉀Q機(jī)械水泵故障提供一定參考。

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