實(shí)驗(yàn)室鑄鋁水泵汽蝕故障原因的排查與優(yōu)化

高志軍，王麗霞，劉健，張志斌

(1．內(nèi)燃機(jī)可靠性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東濰坊 261061；2．濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東濰坊 261061)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，社會(huì)對(duì)環(huán)保節(jié)能的重視度日益增加。汽車(chē)工業(yè)快速發(fā)展，汽車(chē)保有量逐年增加，作為汽車(chē)的心臟——發(fā)動(dòng)機(jī)，對(duì)可靠性和減重的要求也在逐步提高，鑄鋁件由于其鑄造工藝可實(shí)現(xiàn)性高、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，被普遍的應(yīng)用在發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)零部件上，其中鑄鋁水泵的應(yīng)用范圍也逐漸普遍。發(fā)動(dòng)機(jī)在其工作過(guò)程中，水泵作為冷卻系統(tǒng)中的核心部件，需要提供足夠的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)冷卻液在系統(tǒng)中循環(huán)，確保整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)不會(huì)出現(xiàn)高溫的現(xiàn)象；同時(shí)還需要為后處理系統(tǒng)、空調(diào)暖風(fēng)及除霜系統(tǒng)提供足夠的冷卻液。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)功率密度的不斷增加，整機(jī)體積更小、質(zhì)量要求更輕；發(fā)動(dòng)機(jī)水泵也隨著要求質(zhì)量更輕、體積更小、效率更高。

所以目前的水泵設(shè)計(jì)需要同時(shí)考慮輕量化、模塊化、低成本、工藝性好、可靠性高，具體體現(xiàn)為水泵殼體由鑄鐵到鑄鋁、水泵葉輪由鑄鐵到高耐磨塑料葉輪、水泵效率≥50%等。但是隨著發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率的不斷提高，整機(jī)運(yùn)行水溫也在不斷提高，加之汽車(chē)水泵運(yùn)行轉(zhuǎn)速、工況復(fù)雜多變，水泵揚(yáng)程、流量變化范圍大，容易對(duì)水泵產(chǎn)生汽蝕損壞，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致?lián)P程和效率的急劇下降，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況進(jìn)一步惡劣，由此形成惡性循環(huán)，最終影響冷卻系統(tǒng)的正常工作，縮短水泵壽命，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致整機(jī)拉缸等嚴(yán)重故障。因此很多文獻(xiàn)中對(duì)水泵汽蝕的成因，對(duì)冷卻系統(tǒng)的影響做過(guò)詳細(xì)的研究和闡述，例如：1.在高溫、高轉(zhuǎn)速和大流量工況下容易產(chǎn)生汽蝕現(xiàn)象，嚴(yán)重影響冷卻系統(tǒng)的正常工作，大大縮短冷卻泵使用壽命[1]；2.汽蝕現(xiàn)象會(huì)對(duì)離心泵的葉輪及泵殼表面造成斑痕及裂紋，甚至呈海綿狀逐步脫落，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致離心泵完全不能工作[2]，均詳細(xì)介紹過(guò)汽蝕對(duì)水泵產(chǎn)生的嚴(yán)重危害。

本文通過(guò)梳理某款鑄鋁水泵解決耐久試驗(yàn)過(guò)程中汽蝕故障的仿真和試驗(yàn)方法，確定故障主要起因，并結(jié)合故障原因，提出后續(xù)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)考核的意見(jiàn)，希望能夠?yàn)轭?lèi)似問(wèn)題提供故障排查方向和參考建議。

1 故障現(xiàn)象及可能原因分析

1.1 故障現(xiàn)象

汽蝕是水泵常見(jiàn)的故障現(xiàn)象，冷卻液在水泵低壓區(qū)汽化形成的氣泡隨冷卻液運(yùn)行至高壓區(qū)破滅，周?chē)鋮s液會(huì)快速填充過(guò)來(lái)，對(duì)金屬壁面形成劇烈沖擊，隨著汽蝕時(shí)間的加長(zhǎng)，最終導(dǎo)致水泵金屬壁面發(fā)生材料剝落，形成汽蝕坑穴[3]。

某款型號(hào)為422的鑄鋁水泵，零部件耐久試驗(yàn)后拆檢發(fā)現(xiàn)存在汽蝕故障，主要汽蝕位置在水泵體隔舌處，甚至整個(gè)渦室內(nèi)腔都存在汽蝕痕跡，如圖1所示。為排查故障原因，解決422型號(hào)鑄鋁水泵(以下簡(jiǎn)稱(chēng)422水泵)汽蝕問(wèn)題，進(jìn)行了一系列仿真與試驗(yàn)排查。

圖1 水泵汽蝕故障

1.2 可能原因分析

梳理422水泵的開(kāi)發(fā)過(guò)程，前期仿真及手工樣件試驗(yàn)過(guò)程中均未發(fā)現(xiàn)如此嚴(yán)重的汽蝕風(fēng)險(xiǎn)，所以考慮對(duì)422水泵的仿真及耐久過(guò)程進(jìn)行重新排查。

仿真排查的重點(diǎn)在與同類(lèi)型已批產(chǎn)水泵進(jìn)行各項(xiàng)仿真指標(biāo)對(duì)標(biāo)，排除仿真誤差。但是結(jié)合之前的開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，仿真誤差導(dǎo)致如此嚴(yán)重汽蝕問(wèn)題的可能性不大。

試驗(yàn)過(guò)程的排查，考慮耐久試驗(yàn)開(kāi)始之初，水泵樣件在性能試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行過(guò)性能和汽蝕測(cè)試，并未檢測(cè)到水泵汽蝕，所以考慮對(duì)比性能臺(tái)架與耐久臺(tái)架的差異。

2 仿真、試驗(yàn)過(guò)程排查

2.1 仿真、測(cè)試結(jié)果對(duì)比

汽蝕會(huì)導(dǎo)致過(guò)流部件受到?jīng)_擊破壞，引起水泵發(fā)生振動(dòng)和噪音；同時(shí)由于汽蝕時(shí)氣泡堵塞葉輪槽道，所以此時(shí)流量、揚(yáng)程均降低，效率下降。因此，泵設(shè)計(jì)時(shí)不希望發(fā)生汽蝕現(xiàn)象，所以要控制水泵的汽蝕余量Net Positive Suction Head(NPSH)；其中涉及必須汽蝕余量(NPSH)r、臨界汽蝕余量(NPSH)c、裝置汽蝕余量(NPSH)a，相關(guān)定義如下。

必需汽蝕余量(NPSH)r：由泵本身幾何參數(shù)決定，是規(guī)定泵要達(dá)到的汽蝕性能參數(shù)，值越小泵抗汽蝕能力越強(qiáng)。目前汽蝕試驗(yàn)是驗(yàn)證(NPSH)r唯一可靠的方法。

裝置汽蝕余量(NPSH)a：由吸入裝置提供，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，其值需要永為正值，值越大泵越不容易發(fā)生汽蝕。

臨界汽蝕余量(NPSH)c：在進(jìn)行水泵汽蝕試驗(yàn)時(shí)，以在揚(yáng)程與汽蝕余量的性能曲線(xiàn)上，揚(yáng)程下降3%時(shí)的汽蝕余量。

許用汽蝕余量[NPSH]：這是確定使用條件(如安裝高度)用的汽蝕余量，它應(yīng)大于臨界汽蝕余量，以保證運(yùn)行時(shí)不發(fā)生汽蝕。通常取[NPSH]=(1.1-1.5)(NPSH)c[4]。

所以，這些汽蝕余量有如下的關(guān)系：

(NPSH)c≤(NPSH)r≤[NPSH]≤(NPSH)a

422水泵設(shè)計(jì)過(guò)程中，在保證性能和高效的同時(shí)，應(yīng)盡量減小水泵的必須汽蝕余量(NPSH)r。要保證水泵不發(fā)生汽蝕，還需要保證裝置汽蝕余量(NPSH)a>(NPSH)r，本次試驗(yàn)中試驗(yàn)臺(tái)架的布置結(jié)構(gòu)決定了(NPSH)a的大小，計(jì)算公式如下[5]：

(1)

(2)

式中：

P1——水泵進(jìn)水口壓力，取相對(duì)壓力，單位kPa，計(jì)算時(shí)按照試驗(yàn)過(guò)程中控制的最小壓力計(jì)算；

pa——試驗(yàn)時(shí)的大氣壓力，取絕對(duì)壓力，單位kPa，計(jì)算時(shí)按照1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓取值；

pv——試驗(yàn)溫度下大氣壓力，取絕對(duì)壓力，單位kPa；

z1——進(jìn)口測(cè)壓處至水泵中心的垂直高度，即吸上高度，測(cè)壓處高于水泵中心時(shí)取正值，反之取負(fù)值，單位m；

v1——進(jìn)口測(cè)壓處斷面上介質(zhì)的平均速度，單位m/s；

H1——進(jìn)口總壓頭。

由公式(1)、(2)可得：

(3)

其中必須汽蝕余量可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

(4)

式中：v0、ω0為葉輪進(jìn)口稍前液體的絕對(duì)速度與相對(duì)速度；μ為葉片進(jìn)口壓降系數(shù)。

由于(NPSH)r不能準(zhǔn)確計(jì)算，所以一般用臨界汽蝕余量(NPSH)c來(lái)表征水泵抗汽蝕的能力，(NPSH)c可以通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得。試驗(yàn)中，一般在水泵額定轉(zhuǎn)速下，在規(guī)定的介質(zhì)、流量下，通過(guò)不斷減小水泵進(jìn)口壓力，以水泵揚(yáng)程下降3%作為臨界汽蝕余量，表征水泵達(dá)到了汽蝕臨界點(diǎn)，并且為保證水泵設(shè)計(jì)有一定的安全余量，即[NPSH]=(1.1-1.5)(NPSH)c<(NPSH)a。

本次設(shè)計(jì)目標(biāo)臨界汽蝕余量值為(NPSH)c<3.5 m，通過(guò)排查設(shè)計(jì)仿真值(見(jiàn)表1)和試驗(yàn)結(jié)果(見(jiàn)表2)之后，未發(fā)現(xiàn)明顯異常。所以進(jìn)一步對(duì)比其他已批產(chǎn)型號(hào)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)，確認(rèn)異常點(diǎn)，具體參數(shù)件見(jiàn)表3。

表1 水泵性能仿真參數(shù)

表2 水泵實(shí)測(cè)臨界汽蝕余量-性能試驗(yàn)臺(tái)

表3 同類(lèi)型產(chǎn)品實(shí)測(cè)臨界汽蝕余量

422水泵的(NPSH)c<3.5 m，臨界汽蝕點(diǎn)水泵進(jìn)口壓力為-23.3 kPa，而耐久試驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)口壓力控制在0～15 kPa，理論上不應(yīng)發(fā)生汽蝕問(wèn)題。

根據(jù)初步排查結(jié)果，422水泵與現(xiàn)有批量產(chǎn)品相比，水泵性能點(diǎn)流量、揚(yáng)程均較高。根據(jù)性能仿真和性能試驗(yàn)對(duì)比的結(jié)果來(lái)看，水泵在性能臺(tái)架上進(jìn)行測(cè)試時(shí)并未發(fā)生汽蝕；同時(shí)汽蝕臨界點(diǎn)水泵進(jìn)口壓力比耐久試驗(yàn)過(guò)程中控制的進(jìn)口壓力要低，耐久試驗(yàn)過(guò)程中，不應(yīng)該發(fā)生汽蝕。

2.2 仿真對(duì)比過(guò)程

通過(guò)流體仿真軟件分別對(duì)422水泵和批產(chǎn)泵進(jìn)行仿真對(duì)比，壓力云圖如圖2所示，流速云圖如圖3所示，蒸汽體積分?jǐn)?shù)如圖4所示。由此可見(jiàn)，422水泵與批產(chǎn)泵相比并無(wú)明顯劣化指標(biāo)。

圖2 標(biāo)定點(diǎn)壓力云圖徑向切面

圖3 標(biāo)定點(diǎn)的速度徑向切面

圖4 標(biāo)定點(diǎn)的空化橫截面圖

422水泵與4138水泵性能相近，4138水泵市場(chǎng)反饋好，耐久過(guò)程中無(wú)汽蝕故障發(fā)生。通過(guò)與4138水泵對(duì)比仿真，可以確認(rèn)422水泵設(shè)計(jì)無(wú)問(wèn)題，耐久水泵汽蝕應(yīng)與耐久試驗(yàn)臺(tái)架及試驗(yàn)過(guò)程相關(guān)。

2.3 試驗(yàn)裝置對(duì)比

試驗(yàn)臺(tái)架的布置對(duì)應(yīng)裝置汽蝕余量，根據(jù)裝置汽蝕余量的影響因素，排查試驗(yàn)裝置。

首先排查試驗(yàn)裝置。其中耐久試驗(yàn)臺(tái)架對(duì)比性能試驗(yàn)臺(tái)架，無(wú)圖5所示流量計(jì)[5]。

圖5 封閉性試驗(yàn)臺(tái)架簡(jiǎn)圖

其次排查耐久試驗(yàn)臺(tái)架與性能試驗(yàn)臺(tái)架的管路布置。本次測(cè)試用耐久試驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)水管路內(nèi)徑50 mm，性能試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)水管路內(nèi)徑65 mm，導(dǎo)致水泵進(jìn)口流速分別為5.1 m/s、3.01 m/s，帶入公式(3)，可以計(jì)算出臺(tái)架裝置汽蝕余量值，具體計(jì)算參數(shù)取值及結(jié)果見(jiàn)表4、表5。同時(shí)由于耐久試驗(yàn)臺(tái)架管路較長(zhǎng)，折彎數(shù)量較多，導(dǎo)致實(shí)際耐久臺(tái)架的臨界汽蝕余量也相對(duì)增加，通過(guò)試驗(yàn)可得增加至4.98 m，具體結(jié)果見(jiàn)表5。耐久試驗(yàn)臺(tái)架和性能試驗(yàn)臺(tái)架的安全余量值，即(NPSH)a/(NPSH)c分別為：0.88、1.1，具體計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4、表5。

表4 耐久臺(tái)架裝置汽蝕余量理論計(jì)算

表5 性能臺(tái)架裝置汽蝕余量理論計(jì)算

根據(jù)對(duì)兩臺(tái)架的裝置汽蝕余量安全系數(shù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，耐久試驗(yàn)臺(tái)架安全系數(shù)僅為0.88<1.1，裝置汽蝕余量低于臨界汽蝕余量。進(jìn)而導(dǎo)致試驗(yàn)過(guò)程中，422水泵發(fā)生汽蝕，并且由于耐久臺(tái)架無(wú)流量計(jì)，未檢測(cè)到流量降低，所以整個(gè)耐久過(guò)程中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)水泵已經(jīng)汽蝕。

表6 水泵實(shí)測(cè)臨界汽蝕余量-耐久試驗(yàn)臺(tái)

3 改進(jìn)及驗(yàn)證結(jié)果

為驗(yàn)證汽蝕發(fā)生與耐久試驗(yàn)臺(tái)架布置有關(guān)，將水泵耐久臺(tái)架進(jìn)行改裝，水泵進(jìn)水管路內(nèi)徑加大至65 mm，并且修正管路布置長(zhǎng)度，減少折彎數(shù)量重新裝配422水泵，實(shí)測(cè)臨界汽蝕余量結(jié)果見(jiàn)表7，計(jì)算裝置汽蝕余量安全系數(shù)見(jiàn)表8，進(jìn)行新一輪1 000 h耐久，拆檢結(jié)果如圖6所示。

圖6 臺(tái)架改進(jìn)后耐久水泵

表7 改進(jìn)前水泵實(shí)測(cè)臨界汽蝕余量-性能試驗(yàn)臺(tái)

表8 耐久臺(tái)架裝置汽蝕余量理論計(jì)算-改進(jìn)管路

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)仿真及試驗(yàn)裝置的排查與對(duì)比，可以得出以下結(jié)論：

(1)422水泵的汽蝕故障，與耐久臺(tái)架設(shè)置不規(guī)范相關(guān)。

(2)臺(tái)架布置需要結(jié)合實(shí)際整車(chē)布置情況，與仿真邊界、性能試驗(yàn)邊界盡量一致，本次耐久臺(tái)架管長(zhǎng)超過(guò)5 m，并且折彎較多，這導(dǎo)致試驗(yàn)過(guò)程中，裝置汽蝕余量小于臨界汽蝕余量，水泵發(fā)生汽蝕。

(3)耐久試驗(yàn)臺(tái)架需要同步檢測(cè)流量和揚(yáng)程，以便盡早發(fā)現(xiàn)水泵性能變化情況，提前發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。

建議，后續(xù)開(kāi)展水泵耐久試驗(yàn)前，需要確認(rèn)實(shí)際整車(chē)布置管路要求，保證耐久試驗(yàn)的裝置汽蝕余量盡量與整車(chē)布置相近。同時(shí)耐久試驗(yàn)臺(tái)架需要同步加裝流量計(jì)，及時(shí)監(jiān)控耐久試驗(yàn)水泵的性能變化。