張群坡+趙貴紅+曾振宇+許星星

摘 要：本文介紹了發(fā)動機(jī)用離心式水泵機(jī)械密封方法研究的過程和結(jié)果。研究結(jié)果表明：汽蝕是造成機(jī)械密封發(fā)生干摩擦的重要原因之一；因此研究了一種降低汽蝕對水泵機(jī)械密封發(fā)生干摩擦的設(shè)計方法，通過樣機(jī)水泵測溫試驗，驗證了該設(shè)計方法能夠有效地降低機(jī)械密封干摩擦的發(fā)生，即大大地降低水泵工作中產(chǎn)生汽蝕的可能性。

關(guān)鍵詞：離心式水泵；機(jī)械密封；干摩擦；汽蝕；方法研究

中圖分類號：U464 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1005-2550（2017）05-0025-05

Study on Mechanical Seal of Centrifugal Pump for Engine

ZHANG Qun-po， ZHAO Gui-hong， ZENG Zhen-yu， XU Xing-xing

（ Dongfeng Motor Pump Co. Ltd.， Shiyan442000， China ）

Abstract： This paper introduces the process and results of the study on the mechanical seal of centrifugal pump for engine. The research results show that the cavitation is one of the important reasons for the mechanical seal dry friction occurs； therefore a design method for reducing the dry friction of cavitation pump mechanical seal is studied。Through the test of pump temperature， prove that the design method can effectively reduce the mechanical friction of the seal， which greatly reduce the possibility of in the work of water pump cavitation.

Key Words： centrifugal pump； mechanical seal； dry friction； cavitation； method research

離心式水泵的機(jī)械密封，俗稱水封，因其被裝配后，泄露量小，壽命長，阻力小，功耗少等優(yōu)點，在汽車發(fā)動機(jī)用離心式水泵中被廣泛采用，并成為水泵的核心部件之一。

近年來，隨著發(fā)動機(jī)冷卻能力要求的提升、結(jié)構(gòu)輕量化的需要和更耐磨的SIC-SIC機(jī)械密封的推廣，汽車發(fā)動機(jī)用離心式水泵的性能和使用轉(zhuǎn)速逐步升高，結(jié)構(gòu)更趨緊湊化。該趨勢直接使離心式水泵內(nèi)部機(jī)械密封的運行環(huán)境惡化，出現(xiàn)機(jī)械密封發(fā)生干摩擦的故障增多。因此，各汽車發(fā)動機(jī)制造廠為了減少汽車制造廠和終端用戶的抱怨，都在努力研究離心式水泵機(jī)械密封方法。

本文介紹了發(fā)動機(jī)用離心式水泵機(jī)械密封方法研究的過程和結(jié)果。

1 機(jī)械密封失效分析

本文以一款典型的離心式水泵機(jī)械密封發(fā)生干摩擦的故障為例，進(jìn)行原因分析。

為了滿足汽車制造廠和汽車市場的要求，某款車用發(fā)動機(jī)需要大幅度提升離心式水泵的冷卻能力。由于受發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)限制，在水泵的葉輪等過流部件不能更改的情況下，直接將水泵的額定轉(zhuǎn)速由5000rpm提升至6000rpm（轉(zhuǎn)速增加20%），提高水泵的流量，實現(xiàn)了發(fā)動機(jī)冷卻能力的大幅度提升。

于是，大流量水泵（6000rpm）樣件參加了發(fā)動機(jī)的高速可靠性試驗，水泵樣件在發(fā)動機(jī)上運行600多小時后，發(fā)生漏水失效；該水泵試驗樣件上裝配了J公司的機(jī)械密封樣件。然后，在另一個水泵樣件上裝配了K公司的機(jī)械密封樣件，搭載相同的發(fā)動機(jī)高速可靠性試驗，運行300多小時后，也發(fā)生了同樣的泄漏故障，即機(jī)械密封失效。

因此，對J公司的機(jī)械密封失效件和K公司的機(jī)械密封失效件進(jìn)行拆解和分析，結(jié)論如下：

（1）兩種水泵漏水故障模式相同，均為機(jī)械密封動環(huán)內(nèi)部密封作用的橡膠元器件因熱過載，熔融失效，導(dǎo)致了水泵泄漏失效，如圖1所示：

（2）機(jī)械密封發(fā)生干摩擦，摩擦熱往往會使靜環(huán)與動環(huán)之間的液膜蒸發(fā)而使摩擦副的最佳潤滑狀態(tài)遭到破壞，發(fā)生急劇磨耗 [1]，造成機(jī)械密封內(nèi)部密封橡膠熱過載熔融失效，水泵發(fā)生泄漏故障，如圖2所示。

（3）機(jī)械密封運行中因水泵內(nèi)部發(fā)生汽蝕（或冷卻系統(tǒng)管道中存有氣體），造成汽體（或氣體）圍繞在水封周圍，阻斷了冷卻液進(jìn)入機(jī)械密封動靜環(huán)片間隙中進(jìn)行潤滑冷卻。因為轉(zhuǎn)速是離心泵性能參數(shù)中較重要的參數(shù)之一，他的提高將直接影響到其他幾個重要參數(shù)的明顯改變，甚至涉及到離心泵抗汽蝕性能的變化[2]。

2 干摩擦原因分析

針對上述機(jī)械密封失效分析結(jié)論，本文對水泵中的機(jī)械密封與干摩擦原因進(jìn)行進(jìn)一步分析，詳述如下。

2.1 機(jī)械密封關(guān)鍵參數(shù)分析

理論上，機(jī)械密封內(nèi)部潤滑膜的形成質(zhì)量與端面的粗糙度、比壓、相對滑移速度等有著密切關(guān)系[3]，如表1所示，兩種機(jī)械密封的關(guān)鍵參數(shù)值及推薦值[4]。

由表1可知，兩款機(jī)械密封的粗糙度、比壓、相對滑移速度及PV值等均在推薦范圍內(nèi)；K公司機(jī)械密封的關(guān)鍵參數(shù)值均比J公司大，可能是造成K公司機(jī)械密封在試驗中故障發(fā)生時間略短的因素之一。

同時，汽蝕狀態(tài)影響機(jī)械密封潤滑膜的有無。因為離心式水泵轉(zhuǎn)速升高，泵內(nèi)流體流速也

增加，會直接導(dǎo)致泵內(nèi)局部壓力降低，造成水泵抗汽蝕能力降低[4]等危害，水泵的關(guān)鍵參數(shù)如表2所示：endprint

由表2可知，轉(zhuǎn)速提升到6000rpm后，水泵在進(jìn)口壓力10kPa左右時發(fā)生汽蝕，抗汽蝕能力降低，因此可以確認(rèn)汽蝕是水泵故障的根本原因。

另外，額定轉(zhuǎn)速5000rpm的水泵在汽車發(fā)動機(jī)市場上占有率較大，未發(fā)生過該類型故障；結(jié)合表2的數(shù)據(jù)，可以認(rèn)為冷卻系統(tǒng)中存在氣體導(dǎo)致干摩擦的可能性幾乎為零。

2.2 機(jī)械密封試驗分析

根據(jù)上述分析，進(jìn)行了一項機(jī)械密封失效模擬試驗，期望通過試驗，觀察機(jī)械密封在工作過程中動靜環(huán)片溫度升高的過程以及汽蝕現(xiàn)象。

試驗設(shè)備：特制機(jī)械密封，該機(jī)械密封的靜環(huán)內(nèi)裝有嵌入式熱敏電阻，如圖3所示；數(shù)據(jù)記錄儀，記錄頻率，1次/秒。

試驗條件：冷卻液溫度100℃，水泵轉(zhuǎn)速6000rpm，流量253L/min；穩(wěn)定后逐步降低水泵進(jìn)口壓力，迫使水泵發(fā)生汽蝕。

試驗結(jié)果如圖4和圖5所示：

由圖可知，隨著水泵進(jìn)口壓力的降低，水泵的流量逐漸減少，在水泵進(jìn)口壓力在-8～0kPa時，觀察到水泵發(fā)生嚴(yán)重汽蝕，機(jī)械密封動靜環(huán)表面產(chǎn)生高溫，并大幅度超過冷卻液的沸點溫度110℃。

通過該試驗，證明了在未發(fā)生汽蝕狀態(tài)下，J和K公司的機(jī)械密封能正常工作，滿足技術(shù)要求；而在水泵發(fā)生汽蝕狀態(tài)下，兩公司的機(jī)械密封動靜環(huán)發(fā)生干摩擦或干濕交變導(dǎo)致溫度急劇上升，并將溫度進(jìn)一步傳遞給機(jī)械密封內(nèi)部橡膠密封件。

另外，水泵提速到6000rpm后，抗汽蝕性能降低，在發(fā)動機(jī)工作過程中，水泵一直處于汽蝕狀態(tài)，如圖6所示，機(jī)械密封周圍水泵殼體表面被汽蝕后表面油漆明顯脫落的現(xiàn)狀，而遠(yuǎn)離機(jī)械密封的泵體圓周并無此現(xiàn)象。

3 機(jī)械密封方法研究

根據(jù)上述試驗結(jié)果，確定了該機(jī)械密封失效故障是水泵轉(zhuǎn)速上升后抗汽蝕能力降低造成的。為此，本文進(jìn)行了改善機(jī)械密封的方法研究。

3.1 消除汽蝕的結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文通過優(yōu)化水泵結(jié)構(gòu)設(shè)計，提升水泵的抗汽蝕能力。如圖7所示，在原水泵水封周圍的泵體上添加了3條曲型導(dǎo)流筋，曲型導(dǎo)流筋方向與葉輪旋轉(zhuǎn)方向相同，并與水封動靜環(huán)接觸面直徑相切；理論上可以通過阻斷圓周流向的冷卻液，降低水流速度，提升局部冷卻液壓力，降低汽蝕發(fā)生的速度；甚至消除同時還能將水泵內(nèi)冷卻液強制導(dǎo)向機(jī)械密封的摩擦面，進(jìn)行主動冷卻，這種主動性強制冷卻為機(jī)械密封內(nèi)部水膜的形成提供了源源不斷的水源，增強了機(jī)械密封動靜環(huán)片的冷卻能力，可靠的潤滑液膜，并及時將產(chǎn)生的摩擦熱傳導(dǎo)出去[5]。

3.2 消除汽蝕的試驗驗證

將上述消除汽蝕的結(jié)構(gòu)設(shè)計制成水泵樣件，進(jìn)行機(jī)械密封失效模擬試驗，試驗結(jié)果如圖8和圖9所示。由圖可知，兩款機(jī)械密封始終未出現(xiàn)異常的高溫情況，即最高溫度低于106℃，滿足機(jī)械密封的溫度不高于進(jìn)口水溫6℃的技術(shù)要求，同時兩款機(jī)械密封的工作溫度均未超過冷卻液沸點110℃。

3.3 發(fā)動機(jī)臺架可靠性試驗

將消除汽蝕結(jié)構(gòu)設(shè)計的水泵樣件裝配到發(fā)動機(jī)上，參加了發(fā)動機(jī)高速可靠性試驗，水泵的轉(zhuǎn)速達(dá)到了6800rpm，試驗時長1000小時。試驗結(jié)束后，測試水泵總成樣件，各項指標(biāo)均滿足技術(shù)要求；然后拆解水泵樣件，經(jīng)拆解分析，水泵機(jī)械密封完好，機(jī)械密封內(nèi)部橡膠未發(fā)現(xiàn)熔融、變形等痕跡，順利通過發(fā)動機(jī)臺架可靠性試驗，技術(shù)上具備了水泵商品化的基本條件。

4 結(jié)論

（1）在離心式水泵機(jī)械密封周邊泵體上添加曲型導(dǎo)流筋，可以提高水泵的抗汽蝕能力。

（2）離心式水泵機(jī)械密封動靜環(huán)片發(fā)生干摩擦是水泵漏水失效的重要原因之一。

（3）汽蝕是引起離心式水泵機(jī)械密封動靜環(huán)片發(fā)生干摩擦的根本原因。

參考文獻(xiàn)：

[1] 沈鈞華. 機(jī)械密封端面摩擦熱量計算公式之探討， 《化工設(shè)備與管道》， 1975（1）：45-48.

[2] 徐玉朋.轉(zhuǎn)速提高對離心泵其他性能參數(shù)的影響， 《石油庫與加油站》， 1999（4）：31-33.

[3] 魏龍等， 機(jī)械密封端面摩擦機(jī)制與摩擦狀態(tài)[J]. 潤滑與密封， 2008（6）：39-42.

[4] 關(guān)醒凡. 現(xiàn)代泵理論與設(shè)計[M]， 北京：中國宇航出版社， 2011.

[5] 孫見君等. 機(jī)械密封端面磨損的失效評述及其研究方向[J]. 化學(xué)工業(yè)與工程技術(shù)， 1998（4）： 15-19.endprint