機械水泵失效分析及改進

夏承睿 柏曉峰

摘要：本文主要圍繞某型發動機的機械水泵失效故障，從水泵單品零件結構及水系統相關問題開展分析調查，找出了水泵失效機理，提出了相應的改進措施，消除水泵失效故障，取得明顯成效，能夠為該領域相關技術人員對機械水泵的深入研究提供有一定價值的依據。

關鍵詞：機械水泵;水泵失效;失效機理;改進策略

中圖分類號：U472? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）21-0042-02

0? 引言

水泵是發動機的核心部件，是冷卻系統的動力源。近年，汽車發動機渦輪增壓的普及，它相比較自然吸氣發動機的功率、扭矩大幅增加帶來汽車性能提升，水泵使用工況變惡劣;同時渦輪增壓會帶來發動機機倉溫度增加，冷卻水散熱效果降低、水泵工作環境變惡劣，這就使水泵失效故障率更高，故深入研究水泵失效的原因、制定改進對策有極大的現實意義。

1? 水泵失效的危害

某型號發動機排量1.8升、直列4缸、16氣門、帶渦輪增壓，搭載機械水泵;水泵與張緊輪等零件通過齒形皮帶連接，如圖1，皮帶光滑背面驅動水泵運轉，如果水泵失效，會出現皮帶打滑現象，嚴重時發動機損壞。

水泵故障的特征為手轉卡滯難轉動，軸承已經損壞，針對水泵失效進行分析調查。

2? 水泵故障分析

2.1 軸承相關調查

水泵軸承為雙列球軸承，結構圖示如圖1。

對失效水泵的軸承展開調查，如下：

2.1.1 游隙調查

對5件故障件的雙球深溝軸承進行游隙測量，規格：徑向游隙15-30um，軸向游隙≤80um，測量結果：徑向游隙59-80um之間，軸向164-217um之間;從結果可知，軸承已經損壞，水泵失效。

2.1.2 油脂含水量調查

取失效水泵5臺，分別測軸承內油脂含水量，以判斷軸承是否進水，規格要求含水量相對新品油脂≤2500ppm，測量結果顯示軸承已經進水，測量結果水封側5306-8654之間，皮帶輪側3137-4791之間，從結果可知，軸承已經進水。

2.1.3 油脂剩脂量調查

取失效水泵的軸承內油脂，測量軸承剩脂量以判斷軸承是否異常溢脂，規格1±0.2g，實際測量結果1.02-1.08之間，從結果可知，軸承沒有溢脂。

2.1.4 軸承芯軸表面確認

剖解軸承，放大鏡下觀察，軸承芯軸已經磨損，表面呈亮白色，此亮白色非加工自然色，是軸承在進水之后、潤滑條件惡化的情況下繼續運行的特征。

2.1.5 軸承調查綜合判斷

軸承內部進水后繼續運行，導致軸承損壞。具體進水原因，需要調查水封等子零件。

2.2 水封相關調查

該水泵水封為機械水封，它有結構簡單成本低優點，最高耐溫120°C。水封密封原理是：動環受水壓作用貼緊靜環，在動/靜環之間生產適當比壓及形成極薄的液體膜達到密封的目的[1]，機械水泵的水封結構圖示如圖2。

調查水封，發現它的動/靜環端面有被硬質異物摩擦的“深溝”痕跡，異物侵入水封動/靜環之間，兩環被撐開，破壞了液體膜導致漏水。硬質異物來源于發動機水道殘留或者水道中防凍液高溫析出的結晶物。

為了評價水封抗異物能力，設計了水封抗異物能力試驗。試驗方法如下：建立模擬試驗臺架，采用電機驅動，試驗中水路工作介質為水與防凍液按照50：50配比混合，按照1克/升的密度添加JIS Z8901 class 8級顆粒物，攪勻混合，介質溫度控制（90°C±5°），壓力設置為最大壓力值140kPa，水封轉速在500-5000rpm之間變速，分別測量漏水量。根據實際漏水量判斷水封抗異物能力強弱。

從表1結果看，該水封抗異物能力較B品牌水封差。

2.3 水泵排氣、泄水布置方式調查

水泵殼體設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排出，積在泵體中滲入到軸承內部，影響軸承潤滑軸承壽命下降[2]，此問題也是導致軸承進水的原因之一。

2.4 防凍液結晶調查

發動機冷卻液在高溫條件下，防凍液會發生脫水縮合反應[3]表面形成結晶物質，冷卻液在相同時間不同溫度條件下的析晶量關系如圖3。

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

2.5 水系統溫度調查

2.5.1 車輛熄火后溫升

車輛熄火后水系統溫度受熱平衡作用會呈先增加后逐漸下降的趨勢，為了對應車輛熄火后水溫上升的影響，目前很多汽車都有冷卻風扇熄火延時停止功能，實測目前車輛熄火時風扇啟動臨界溫度為105°，熄火后雖然冷卻風扇會繼續工作250s，但水溫已經上升到119°C，此溫度值接近水封極限耐溫值。

2.5.2 車輛高/低速行駛時水系統問題

為了調查水溫高對水泵的影響程度，在水泵的水封動/靜環之間、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，連續行駛15min，低速爬長坡、掛高速7檔，車速≥110Km/h，連續行駛60min，高速路行駛等不同工況進行實測溫度值，測量結果是，低速：水封動/靜環116.5°C，水封附近117°C，軸承外圈115°C;高速：水封動/靜環101°C，水封附近101°C，軸承外圈100°C。

車輛在低速工況下，實測溫度都偏高，特別是水封附近的水溫已經接近極限耐溫值。水系統的熱平衡設計就偏高。

2.6 原因分析

綜合上述各項調查，水泵失效機理是由于如下原因綜合導致：①水泵結構設置不合理，水蒸氣難排出導致反向侵入軸承內部，運行異常，軸承失效;②車輛水系統溫度過高，防凍液結晶物引起水封漏水同時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晶，堵住泄水孔，泄漏的水無法排到水泵外部導致反向侵入軸承內部，加劇軸承失效。

3? 改進措施

①水泵結構改進：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：熄火后觸發風扇延時啟動溫度點從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已經接近水溫值，更換某品牌水封，將水封耐溫提高到150°C同時提高耐異物特性。

4? 效果確認

措施1驗證：將改進后水泵安排進行發動機臺架耐久，運行100小時，拆解水泵，能清晰看到水蒸氣從新增的排氣孔散發出去的痕跡，改進措施有效。

措施2驗證：車輛熄火后風扇延時觸發溫度點從105°C調整為98°C，能降低水系統溫度，實測熄火后水溫109°C。

措施3驗證：水封變更抗異物特性強及耐溫值高的型號，差異如表2。

上述改進措施實施之后，水泵失效課題完全解決，取得很好的經濟效益。

5? 結論

綜合上述，通過以上的機械水泵失效調查分析，可以了解到水封選型設計時除了關注泄漏等傳統技術指標還要增加考慮抗異物性能及極限耐溫值與水系統溫度關系、車輛水系統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計要充分合理，幫助我們更加深入地認識及了解水泵失效的機理，同時，也提出了改進措施，能夠為今后解決機械水泵故障提供一定參考。

參考文獻：

[1]曹占龍，李宏燕，任柏林.汽車水泵故障分析及改進[J].湖北汽車工業學院學報，2013，9.

[2]羅澤青.汽車水泵軸承的裝配設計及工藝研討[J].咸寧學院學報，2012，6.

[3]趙華.重型車用柴油機水泵泄漏的原因分析及改進[J].柴油機設計與制造，2013（3）.