重型車用柴油機水泵泄漏的原因分析及改進(jìn)

趙華

（上海日野發(fā)動機有限公司，上海201401）

重型車用柴油機水泵泄漏的原因分析及改進(jìn)

趙華

（上海日野發(fā)動機有限公司，上海201401）

針對某重型車用柴油機水泵泄漏故障率高，直接影響發(fā)動機的可靠性和整車?yán)鋮s系統(tǒng)的冷卻效果，用戶反應(yīng)強烈。根據(jù)水泵結(jié)構(gòu)原理和密封件失效機理，對水泵部件進(jìn)行了檢測分析，找出了泄漏的原因所在，做出了相應(yīng)的設(shè)計改進(jìn)，經(jīng)過試驗，效果良好。

柴油機水泵泄漏分析改進(jìn)

1 前言

水泵是發(fā)動機的重要組成部件之一，它的主要功能是在冷卻系統(tǒng)中起到動力源的作用。通過葉輪的旋轉(zhuǎn)，將能量傳遞給冷卻液，使冷卻液在發(fā)動機缸體的冷卻通道和水套中流動，將發(fā)動機多余的熱量帶走；然后通過散熱器與環(huán)境空氣進(jìn)行熱交換，將熱量散到空氣中，使發(fā)動機中的冷卻液維持在一個適當(dāng)?shù)臏囟?。由于受到發(fā)動機總體尺寸的限制，重型車用柴油機水泵的體積較小，轉(zhuǎn)速隨車速變化非常大，使用環(huán)境也較為惡劣，這就使其泄漏故障率比其他用途的水泵更高。本文就某重型車用柴油機水泵出現(xiàn)泄漏故障率高的問題，根據(jù)水泵結(jié)構(gòu)原理和密封件失效機理，對水泵整體、水封、軸聯(lián)軸承、葉輪、皮帶輪系和冷卻液進(jìn)行了檢測分析，找出了泄漏的原因；并采取了相應(yīng)的改進(jìn)措施，很好地解決了水泵泄漏的質(zhì)量問題。

2 水泵泄漏問題描述

該款水泵為獨體式結(jié)構(gòu)，采用軸聯(lián)軸承為傳動件，整體式水封為軸間密封，水泵殼體、葉輪和皮帶輪均為鑄鐵。水泵結(jié)構(gòu)見圖1。

從2010年起，該款重型車用柴油機的市場占有率大幅增加，用戶使用一段時間后，投訴抱怨增多。主要問題之一是在水泵溢水孔處持續(xù)泄漏冷卻液，造成車輛水循環(huán)系統(tǒng)的冷卻液減少，出現(xiàn)柴油機水溫升高，甚至柴油機不能工作等更嚴(yán)重的故障，影響車輛正常行駛。該故障的特征為水泵外殼體上有大量冷卻液蒸發(fā)干涸后的白色物，同時短時間內(nèi)儲液罐液面明顯下降。水泵溢水孔處冷卻液泄漏如圖2所示。

圖1 某重型車用柴油機水泵結(jié)構(gòu)圖

3 故障原因分析

3.1 水封的檢測和故障原因分析

該水泵所用的水封為機械彈力水封，安裝在水泵水腔和軸聯(lián)軸承之間，由動環(huán)、靜環(huán)彈簧、靜環(huán)、輔助密封圈等組成。動環(huán)和靜環(huán)為密封的2個主要零件，動環(huán)安裝在軸上，隨軸一起旋轉(zhuǎn)；靜環(huán)固定在殼體上，不轉(zhuǎn)動。水封結(jié)構(gòu)見圖3。

圖2 水泵溢水孔處冷卻液泄漏情況

機械彈力水封是靠動環(huán)工作端面和靜環(huán)工作端面在冷卻液壓力和彈簧彈力的作用下以及輔助密封的配合下保持緊密貼合，進(jìn)而保證動、靜環(huán)之間的密封，防止冷卻液泄漏。這就要求密封面的光潔度和平行度必須很高。一旦動、靜環(huán)表面由于摩擦破壞了原有的表面粗糙度，甚至出現(xiàn)了劃痕和細(xì)溝槽等，冷卻液的泄漏量將大大增加。

圖3 水封結(jié)構(gòu)圖

通過對故障水泵拆解后的檢測發(fā)現(xiàn)，泄漏水泵的動、靜環(huán)工作面大多出現(xiàn)磨損和劃痕，尤其是動環(huán)工作面的情況更為嚴(yán)重，從而致使水封密封不嚴(yán)，導(dǎo)致水泵泄漏。

（1）水封動、靜環(huán)材質(zhì)差

分析該水封靜環(huán)材質(zhì)屬于碳石墨，動環(huán)則為氧化鋁陶瓷。靜環(huán)材質(zhì)雖然硬度高、耐高溫性好，但干磨狀態(tài)下其自潤滑性能差；動環(huán)材質(zhì)在冷卻液溫度較高時硬度反而降低，容易拉傷。經(jīng)過對不同廠家同類水泵的水封質(zhì)量調(diào)研后認(rèn)為現(xiàn)用水封的耐磨性不甚理想，容易造成動、靜環(huán)表面粗糙度和耐磨性差，導(dǎo)致產(chǎn)生劃痕和細(xì)溝槽，使環(huán)面接觸不密貼，直接影響水泵密封性能。故障水泵動環(huán)外圈表面磨損和表層顯微組織見圖4。

圖4 水泵動環(huán)外圈表面磨損和表層顯微組織

（2）水封彈簧預(yù)緊力小

水泵的水封密封性依靠彈簧彈力的補償來實現(xiàn)，如果水封彈簧預(yù)緊力過小，將直接影響水泵動、靜環(huán)密貼面接觸是否可靠，所以預(yù)緊力不夠是導(dǎo)致水泵泄漏的主要原因之一。經(jīng)過檢測，發(fā)現(xiàn)該水泵在裝配過程中，水封的壓裝高度公差過大，尤其是出現(xiàn)泄漏故障水泵的水封壓裝高度過高，容易導(dǎo)致水封彈簧預(yù)緊力過小。

（3）水封裝配問題

經(jīng)裝配現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，安裝水封時，操作人員僅用手推壓的方式進(jìn)行安裝，僅憑手感和經(jīng)驗，無法保證水封的安裝質(zhì)量，極易造成密封圈有錯切、扭曲，安裝不到位的情況。

3.2 軸聯(lián)軸承

在10 N·m力矩下，對10臺故障水泵軸聯(lián)軸承的軸向和徑向游隙進(jìn)行了測量，測量結(jié)果如表1所示。

表1 軸向游隙和徑向游隙的測量結(jié)果

根據(jù)當(dāng)初設(shè)計要求，分別在10 N·m力矩下，軸向游隙＜0.1 mm，徑向游隙應(yīng)控制0.015～0.035 mm之間比較適宜。從檢測結(jié)果可見故障水泵軸聯(lián)軸承的軸向游隙和徑向游隙過大。拆檢軸聯(lián)軸承見圖5。

圖5 拆檢軸聯(lián)軸承

軸聯(lián)軸承軸向和徑向游隙過大，就會產(chǎn)生軸向和徑向竄動。如果軸向竄動量過大，會使水封動、靜環(huán)之間的壓緊力過大或過小。過大導(dǎo)致動、靜環(huán)產(chǎn)生熱量過多，造成密封面過熱、變形和加速端面磨損；過小導(dǎo)致靜環(huán)端面壓比不足，動、靜環(huán)不能緊密貼合。如果徑向游隙過大，會使軸聯(lián)軸承在轉(zhuǎn)動過程中強烈振動導(dǎo)致軸彎曲，特別是受到?jīng)_擊載荷和交變載荷時更容易導(dǎo)致軸彎曲，從而使水封動、靜環(huán)異常磨損[1]。

3.3 葉輪

對3臺發(fā)生泄漏水泵的葉輪進(jìn)行稱重，發(fā)現(xiàn)葉輪重量差異較大，最大偏差占葉輪重量的20%左右。表2為葉輪重量的測量結(jié)果。

表2 葉輪重量測量結(jié)果

同時檢測發(fā)現(xiàn)葉輪端面、中心孔外壁和葉片厚薄不均（如圖6所示），這就會使葉輪動平衡不良，可引起水泵運轉(zhuǎn)時振動加大，高溫高負(fù)荷下旋轉(zhuǎn)時對軸聯(lián)軸承產(chǎn)生額外的不平衡徑向力，從而嚴(yán)重影響水封的密封性能。

3.4 水泵傳動皮帶

該水泵通過水泵皮帶輪與曲軸皮帶輪、發(fā)電機皮帶輪和空調(diào)壓縮機皮帶輪連接。在傳動過程中，水泵以曲軸皮帶輪為動力源，起從動作用，而帶動空調(diào)壓縮機工作，水泵作為驅(qū)動動力，又起驅(qū)動作用，所以從受力角度分析，水泵皮帶輪承受不同方向、不同大小的力和力矩。水泵輪系圖見圖7。

按照圖8所示的方法，用壓力計在水泵皮帶和空調(diào)壓縮機皮帶之間施加98 N的壓力，測量皮帶的撓度[2]。測量結(jié)果如表3所示。

從皮帶撓度的檢測結(jié)果看，水泵皮帶和空調(diào)壓縮機皮帶的撓度實際檢測值都小于設(shè)計值，撓度小即表示張緊力大，張緊力過大會使軸聯(lián)軸承產(chǎn)生額外徑向力，使水封異常磨損導(dǎo)致水泵泄漏。

表3 皮帶撓度檢測結(jié)果

圖6 葉輪壁厚不均

圖7 水泵輪系圖

3.5 冷卻液

對用戶的實地走訪和了解，出現(xiàn)泄漏水泵情況的客戶選擇的冷卻液大多是硅酸系列冷卻液。這種冷卻液在高溫下會發(fā)生脫水縮合反應(yīng)，產(chǎn)生一種膠狀物，而這種膠狀物會吸附在物體上。水泵靜環(huán)材質(zhì)為碳石墨，對膠狀物的吸附能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于動環(huán)材質(zhì)氧化鋁陶瓷，這樣會使靜環(huán)上出現(xiàn)堆積物，使得水泵動環(huán)極易受到磨損，甚至出現(xiàn)劃痕。一旦水泵的水封功能失效，冷卻液就會從水泵的溢水孔中流出來。

圖8 皮帶撓度測量方法

4 改進(jìn)措施及改進(jìn)效果

4.1 水封

（1）改進(jìn)水封動、靜環(huán)材質(zhì)

根據(jù)目前其他廠家同類水泵的水封使用情況以及用戶使用冷卻液的實際效果，可以認(rèn)為現(xiàn)用水封的耐磨性不甚理想，必須改用其他材質(zhì)。因此要求供應(yīng)商在保證水泵性能的前提下，對水封動、靜環(huán)都選用碳化硅材質(zhì)，使其具有良好的耐磨性和散熱性。

（2）適度控制水封彈簧的預(yù)緊力

水封壓裝高度原為11.3±0.8，現(xiàn)改為11.3± 0.1，增加了彈簧預(yù)緊力，使動、靜環(huán)貼合面接觸更加緊密和可靠。水封壓裝高度檢測見圖9。

（3）改進(jìn)裝配方式

使用專用水封壓裝機安裝水封，改變以前直接手推式的安裝方法，避免水封安裝不緊密貼合而導(dǎo)致漏水故障的發(fā)生。專用水封壓裝機見圖10。水封安裝完畢后，在裝配葉輪前灌水試驗，檢查水封是否密貼，防止泄漏。

4.2 其它措施

（1）軸聯(lián)軸承：增加檢測頻次，裝配前嚴(yán)格控制軸聯(lián)軸承的軸向和徑向游隙不超過設(shè)計值。

（2）葉輪：提高葉輪鑄造水平，嚴(yán)控不合格率；提高機加工和裝配水平以減小誤差；增加葉輪不平衡度的測量要求，不平衡度嚴(yán)控在50 g·cm以下，避免其動平衡不良造成高溫高負(fù)荷下過大的徑向力導(dǎo)致水泵泄漏。

（3）水泵傳動皮帶：裝配時，增加檢測水泵皮帶張緊力，嚴(yán)格控制在合適范圍內(nèi)，同時要求服務(wù)站在皮帶調(diào)整過程中也要按照設(shè)計要求進(jìn)行檢測。

（4）采用符合發(fā)動機制造商要求的冷卻液：要求用戶必須四季使用符合發(fā)動機制造商要求的冷卻液。杜絕因使用不合格冷卻液造成水封損壞，從而引起水泵泄漏。

從經(jīng)過改進(jìn)后水泵的使用情況來看，2011年至今，水泵泄漏故障率從以前的2%降低到3‰左右。用戶投訴抱怨大大降低，不僅減小了維修率，提高了水泵和柴油機的可靠性，而且提高了勞動生產(chǎn)率和經(jīng)濟(jì)效益。

圖9 水封壓裝高度專用檢測機

圖10 水封壓裝專機

5 結(jié)論

通過對某重型車用柴油機水泵水封、軸聯(lián)軸承、葉輪和輪系的檢測分析，找出了水泵泄漏的原因并加以改進(jìn)，很好地解決了水泵泄漏故障。此問題的解決，為以后同類機型出現(xiàn)此問題提供了可借鑒的經(jīng)驗。

1唐建平．汽車發(fā)動機冷卻水泵用水泵軸聯(lián)軸承：中國，CN200420028014.6[P]．2006-03-08.

2徐灝．機械設(shè)計手冊[M]．北京：機械工業(yè)出版社，1994．

Cause Analysis of and Solution to the Leakage of Water Pump of Heavy-Duty Vehicle Diesel Engine

Zhao Hua
（Shanghai Hino Engine Co.,Ltd.,Shanghai 201401,China）

There is a rather high failure rate in water pump leakage of a heavy-duty vehicle diesel engine that directly affects the cooling effectiveness of the cooling system and engine reliability,resulting in heavy customers'complains.To tackle this problem,a series of inspection and analysis on the failed water pump and relevant components are carried out to find out the root cause of the issue according to the water pump theory and sealing failure mechanism.Then some design improvements are made based on the results of the inspection and analysis.The improvements are proven to be effective and the rate of water pump leakage is drastically reduced.

diesel engine,water pump,leakage,analysis,improvement

10.3969/j.issn.1671-0614.2013.03.007

來稿日期：2013-04-27

趙華（1975-），男，工程師，主要研究方向為發(fā)動機設(shè)計與試驗。