机械水泵失效分析及改进

夏承睿 柏晓峰

摘要：本文主要围绕某型发动机的机械水泵失效故障，从水泵单品零件结构及水系统相关问题开展分析调查，找出了水泵失效机理，提出了相应的改进措施，消除水泵失效故障，取得明显成效，能够为该领域相关技术人员对机械水泵的深入研究提供有一定价值的依据。

关键词：机械水泵;水泵失效;失效机理;改进策略

中图分类号：U472                                        文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2020）21-0042-02

0  引言

水泵是发动机的核心部件，是冷却系统的动力源。近年，汽车发动机涡轮增压的普及，它相比较自然吸气发动机的功率、扭矩大幅增加带来汽车性能提升，水泵使用工况变恶劣;同时涡轮增压会带来发动机机仓温度增加，冷却水散热效果降低、水泵工作环境变恶劣，这就使水泵失效故障率更高，故深入研究水泵失效的原因、制定改进对策有极大的现实意义。

1  水泵失效的危害

某型号发动机排量1.8升、直列4缸、16气门、带涡轮增压，搭载机械水泵;水泵与张紧轮等零件通过齿形皮带连接，如图1，皮带光滑背面驱动水泵运转，如果水泵失效，会出现皮带打滑现象，严重时发动机损坏。

水泵故障的特征为手转卡滞难转动，轴承已经损坏，针对水泵失效进行分析调查。

2  水泵故障分析

2.1 轴承相关调查

水泵轴承为双列球轴承，结构图示如图1。

对失效水泵的轴承展开调查，如下：

2.1.1 游隙调查

对5件故障件的双球深沟轴承进行游隙测量，规格：径向游隙15-30um，轴向游隙≤80um，测量结果：径向游隙59-80um之间，轴向164-217um之间;从结果可知，轴承已经损坏，水泵失效。

2.1.2 油脂含水量调查

取失效水泵5台，分别测轴承内油脂含水量，以判断轴承是否进水，规格要求含水量相对新品油脂≤2500ppm，测量结果显示轴承已经进水，测量结果水封侧5306-8654之间，皮带轮侧3137-4791之间，从结果可知，轴承已经进水。

2.1.3 油脂剩脂量调查

取失效水泵的轴承内油脂，测量轴承剩脂量以判断轴承是否异常溢脂，规格1±0.2g，实际测量结果1.02-1.08之间，从结果可知，轴承没有溢脂。

2.1.4 轴承芯轴表面确认

剖解轴承，放大镜下观察，轴承芯轴已经磨损，表面呈亮白色，此亮白色非加工自然色，是轴承在进水之后、润滑条件恶化的情况下继续运行的特征。

2.1.5 轴承调查综合判断

轴承内部进水后继续运行，导致轴承损坏。具体进水原因，需要调查水封等子零件。

2.2 水封相关调查

该水泵水封为机械水封，它有结构简单成本低优点，最高耐温120°C。水封密封原理是：动环受水压作用贴紧静环，在动/静环之间生产适当比压及形成极薄的液体膜达到密封的目的[1]，机械水泵的水封结构图示如图2。

调查水封，发现它的动/静环端面有被硬质异物摩擦的“深沟”痕迹，异物侵入水封动/静环之间，两环被撑开，破坏了液体膜导致漏水。硬质异物来源于发动机水道残留或者水道中防冻液高温析出的结晶物。

为了评价水封抗异物能力，设计了水封抗异物能力试验。试验方法如下：建立模擬试验台架，采用电机驱动，试验中水路工作介质为水与防冻液按照50：50配比混合，按照1克/升的密度添加JIS Z8901 class 8级颗粒物，搅匀混合，介质温度控制（90°C±5°），压力设置为最大压力值140kPa，水封转速在500-5000rpm之间变速，分别测量漏水量。根据实际漏水量判断水封抗异物能力强弱。

从表1结果看，该水封抗异物能力较B品牌水封差。

2.3 水泵排气、泄水布置方式调查

水泵壳体设置了排气孔和泄水孔，该水泵安装后排气孔、泄水孔在泵体中部，水蒸气及冷却液不能及时排出，积在泵体中渗入到轴承内部，影响轴承润滑轴承寿命下降[2]，此问题也是导致轴承进水的原因之一。

2.4 防冻液结晶调查

发动机冷却液在高温条件下，防冻液会发生脱水缩合反应[3]表面形成结晶物质，冷却液在相同时间不同温度条件下的析晶量关系如图3。

从图3可知，温度110°C开始明显增多，115°C骤然增多，温度越高析出结晶物越多。因此，选用该型号冷却液，车辆水路的水温要严格控制，防止温度过高，一旦析出过多的结晶物，结晶物会混合在水道中，有异物侵入水封导致漏水的可能。

2.5 水系统温度调查

2.5.1 车辆熄火后温升

车辆熄火后水系统温度受热平衡作用会呈先增加后逐渐下降的趋势，为了对应车辆熄火后水温上升的影响，目前很多汽车都有冷却风扇熄火延时停止功能，实测目前车辆熄火时风扇启动临界温度为105°，熄火后虽然冷却风扇会继续工作250s，但水温已经上升到119°C，此温度值接近水封极限耐温值。

2.5.2 车辆高/低速行驶时水系统问题

为了调查水温高对水泵的影响程度，在水泵的水封动/静环之间、水封附近5mm处、轴承外圈分别布置温度传感器，车辆按照挂低速1档，车速≤30Km/h，连续行驶15min，低速爬长坡、挂高速7档，车速≥110Km/h，连续行驶60min，高速路行驶等不同工况进行实测温度值，测量结果是，低速：水封动/静环116.5°C，水封附近117°C，轴承外圈115°C;高速：水封动/静环101°C，水封附近101°C，轴承外圈100°C。

车辆在低速工况下，实测温度都偏高，特别是水封附近的水温已经接近极限耐温值。水系统的热平衡设计就偏高。

2.6 原因分析

综合上述各项调查，水泵失效机理是由于如下原因综合导致：①水泵结构设置不合理，水蒸气难排出导致反向侵入轴承内部，运行异常，轴承失效;②车辆水系统温度过高，防冻液结晶物引起水封漏水同时极限水温已接近水封耐温极限，加剧水封漏水;泄漏的水受高温影响迅速结晶，堵住泄水孔，泄漏的水无法排到水泵外部导致反向侵入轴承内部，加剧轴承失效。

3  改进措施

①水泵结构改进：壳体最高位置增加排气孔最低位置增加泄水孔;

②车辆熄火温度改善：熄火后触发风扇延时启动温度点从105°C降低到98°C;

③子件单品耐温特性及抗异物特性提升：水封单品耐温120°C已经接近水温值，更换某品牌水封，将水封耐温提高到150°C同时提高耐异物特性。

4  效果确认

措施1验证：将改进后水泵安排进行发动机台架耐久，运行100小时，拆解水泵，能清晰看到水蒸气从新增的排气孔散发出去的痕迹，改进措施有效。

措施2验证：车辆熄火后风扇延时触发温度点从105°C调整为98°C，能降低水系统温度，实测熄火后水温109°C。

措施3验证：水封变更抗异物特性强及耐温值高的型号，差异如表2。

上述改进措施实施之后，水泵失效课题完全解决，取得很好的经济效益。

5  結论

综合上述，通过以上的机械水泵失效调查分析，可以了解到水封选型设计时除了关注泄漏等传统技术指标还要增加考虑抗异物性能及极限耐温值与水系统温度关系、车辆水系统温度控制要考虑熄火后温度升高情况、水泵排气及泄水孔位置布置设计要充分合理，帮助我们更加深入地认识及了解水泵失效的机理，同时，也提出了改进措施，能够为今后解决机械水泵故障提供一定参考。

参考文献：

[1]曹占龙，李宏燕，任柏林.汽车水泵故障分析及改进[J].湖北汽车工业学院学报，2013，9.

[2]罗泽青.汽车水泵轴承的装配设计及工艺研讨[J].咸宁学院学报，2012，6.

[3]赵华.重型车用柴油机水泵泄漏的原因分析及改进[J].柴油机设计与制造，2013（3）.