发动机水泵水封密封性优化

朱东升，赵文仲

发动机水泵水封密封性优化

朱东升，赵文仲

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

汽车发动机用冷却水泵主要用水封来密封工作腔，当水封与水泵匹配不当时，易造成水封失效导致水泵泄露。文章对某型发动机水泵水封漏水原因进行分析，找出水封漏水的主因，然后针对主因提出优化方案，最后对优化方案进行试验验证。

水泵；水封；密封性

前言

发动机冷却水泵作为发动机冷却系统重要的组成部分，其功用是对冷却液加压，保证足量的冷却液在冷却系统中循环流动[1]，水封是密封冷却液以免泄露，同时将冷却液与水泵轴承隔离[2]。国内防冻液市场质量较为混乱，特别是大功率柴油发动机防冻液普遍出现结晶现象，造成柴油发动机“三包”漏水故障率和乘用汽车水封的“三包”漏水故障率普遍较高[3]。因此，避免水泵水封漏水已成为各主机厂在产品开发过程的基本要求。

由于水泵工作的环境及工况较复杂，水封漏水的原因及解决措施也各不相同。本文对水封漏水产生的原因进行分析，并进行相应优化，最终进行试验验证。

1 水封结构及工作原理概述

发动机水泵主要由壳体、传动轴、叶轮、及水封等零件组成（如图1），水封将轴承与水泵工作室隔离，防止冷却液进入轴承和空气。水泵水封由传动件、辅助密封组件、端面摩擦副、弹性元件及固定件等八个主要零件组成[4]，摩擦副的静环部件与水泵壳体配合保持静止，动环部件与传动轴配合一起做旋转运动，动、静环间靠弹簧进行轴向补偿，始终保持贴合在一起，接触面依靠非常高的平面度，起到动态密封的作用。动环与静环组成的摩擦副目前广泛应用的主要有两种，一种为碳化硅-石墨，一种为碳化硅-碳化硅，目前石墨环的主要问题是石墨磨损、工作面变形，双碳化硅摩擦副的水封存在发热、吸附甚至咬死问题[5]，两种摩擦副的优缺点见表1。

图1 水泵及水封结构图

表1 动静环摩擦副优缺点

2 故障描述

市场反馈某发动机存在较严重的水泵漏水故障，该问题导致客户抱怨较大。针对该故障问题进行调查确认，发动机水泵处有冷却液渗漏情况，表现为水泵蓄水槽处漏水。

为考核蓄水槽处的密封效果，对故障水泵进行气密性检测，泄漏量满足设计指标，可判断蓄水槽堵盖处密封良好，漏水故障为水泵内部泄露导致冷却液流入蓄水槽中，当冷却液超过蓄水槽的储液容积时发生泄露。水泵内部泄露的途径有3处：①水封与壳体间；②水封与轴承间；③水封动静环结合处，为确认水泵内部故障位置，对故障水泵进行拆解调查；经分析，水封与水泵壳体间压装情况较好，密封剂分布均匀，壳体内孔无泄露；水封与轴间配合较好，无泄露痕迹；故水泵漏水确认为水封漏水。

3 原因分析

为找出水封漏水的根本原因，首先对故障水封进行拆解并利用激光扫描设备对动环、静环进行平面度检测，然后对水封的工作边界进行分析，判断水封是否存在因润滑不良导致动静环密封面磨损。

图3 动环检测结果

经检测，动环平面度满足技术要求，但表面有大量结晶且有明显磨损痕迹（如图3）；静环平面度满足技术要求，但表面有大量油膜且有明显磨损及异常划伤的痕迹（如图4），且静环的损坏程度要高于动环，从检测结果来看动环与静环的密封面密封失效。

图4 静环检测结果

对水封动静环密封处的流体分布情况进行CFD模拟计算，水封密封面处的流体平均密度、空气占比、流速等参数均满足设计指标，水封处润滑条件较好，不易出现干摩擦。

图5 水封流场CFD分析

由以上检测及分析结果可知，冷却液清洁度较差，存在异物颗粒、结晶，当水泵长期运转时，异物导致动环与静环结合面异常磨损，进而造成水封密封失效，水泵出现漏水故障。

4 方案设计及验证

通过前文的分析可知，原方案水封采用动环碳化硅-静环石墨的摩擦副方案，由于石墨材质相对较软，该方案耐异物性较差；考虑水封周边的流场较好，决定将水封的静环材料由石墨提升为碳化硅材料以提升硬度，增强耐异物性，对优化方案样件进行台架及实车验证。

图6 水封优化方案

经400h台架试验验证，优化方案水泵未出现泄漏情况，拆解水泵水封动静环，状态良好；同时针对市场投放400台优化方案样机进行市场验证，优化后效果较好，未反馈漏水故障。

图7 水封优化方案验证

5 结论

本文通过优化水封静环材料的方法解决了因冷却液清洁度较差导致的水泵水封漏水问题。针对发动机的使用环境，合理匹配使用水封摩擦副方案是水泵设计过程中水封选型应重点关注的方面。

[1] 苏晓芳,王次安等.某国V发动机冷却水泵气蚀分析与优化[J].内燃机与动力装置,2016(3):29-33.

[2] 欧阳卡,邹登纪.浅议微型汽车用发动机水泵水封密封性的改善[J].装备制造技术,2010(7):139-140.

[3] 康国兴,刘建卫等.多孔碳-碳化硅复合材料的制备及其在汽车水泵水封中的应用(Ⅰ)[J].陶瓷,2015(2):34-37.

[4] 徐忠芳,黄建松.柴油机水泵水封漏水故障解决方案[J].现代零部件,2014(2): 57-59.

[5] 康国兴,刘建卫等.多孔碳-碳化硅复合材料的制备及其在汽车水泵水封中的应用(Ⅱ)[J].陶瓷,2015(3): 33-37.

Sealing Optimization of Water Seal for Engine Water Pump

Zhu Dongsheng, Zhao Wenzhong

( Anhui Jianghuai Automobile Group Co. Ltd, Anhui Hefei 230601 )

Automobile engine cooling water pump mainly uses water seal to seal the working chamber. When the water seal and water pump do not match properly, it is easy to cause water seal failure and cause water pump leakage. This paper analyzes the cause of water seal leakage of a certain type of engine water pump, finds out the main cause of water seal leakage, and then puts forward the optimization scheme for the main reason, and finally carries out the test verification for the optimization scheme.

Water pump; Water seal; Sealing performance

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.04.019

U463.9

B

1671-7988(2021)04-63-03

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1671-7988(2021)04-63-03

朱东升，男，工程师，本科，发动机设计主管，就职于安徽江淮汽车集团股份有限公司。