朱東升，趙文仲

發(fā)動(dòng)機(jī)水泵水封密封性優(yōu)化

朱東升，趙文仲

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)用冷卻水泵主要用水封來密封工作腔，當(dāng)水封與水泵匹配不當(dāng)時(shí)，易造成水封失效導(dǎo)致水泵泄露。文章對某型發(fā)動(dòng)機(jī)水泵水封漏水原因進(jìn)行分析，找出水封漏水的主因，然后針對主因提出優(yōu)化方案，最后對優(yōu)化方案進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

水泵；水封；密封性

前言

發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵作為發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)重要的組成部分，其功用是對冷卻液加壓，保證足量的冷卻液在冷卻系統(tǒng)中循環(huán)流動(dòng)[1]，水封是密封冷卻液以免泄露，同時(shí)將冷卻液與水泵軸承隔離[2]。國內(nèi)防凍液市場質(zhì)量較為混亂，特別是大功率柴油發(fā)動(dòng)機(jī)防凍液普遍出現(xiàn)結(jié)晶現(xiàn)象，造成柴油發(fā)動(dòng)機(jī)“三包”漏水故障率和乘用汽車水封的“三包”漏水故障率普遍較高[3]。因此，避免水泵水封漏水已成為各主機(jī)廠在產(chǎn)品開發(fā)過程的基本要求。

由于水泵工作的環(huán)境及工況較復(fù)雜，水封漏水的原因及解決措施也各不相同。本文對水封漏水產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，并進(jìn)行相應(yīng)優(yōu)化，最終進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 水封結(jié)構(gòu)及工作原理概述

發(fā)動(dòng)機(jī)水泵主要由殼體、傳動(dòng)軸、葉輪、及水封等零件組成（如圖1），水封將軸承與水泵工作室隔離，防止冷卻液進(jìn)入軸承和空氣。水泵水封由傳動(dòng)件、輔助密封組件、端面摩擦副、彈性元件及固定件等八個(gè)主要零件組成[4]，摩擦副的靜環(huán)部件與水泵殼體配合保持靜止，動(dòng)環(huán)部件與傳動(dòng)軸配合一起做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，動(dòng)、靜環(huán)間靠彈簧進(jìn)行軸向補(bǔ)償，始終保持貼合在一起，接觸面依靠非常高的平面度，起到動(dòng)態(tài)密封的作用。動(dòng)環(huán)與靜環(huán)組成的摩擦副目前廣泛應(yīng)用的主要有兩種，一種為碳化硅-石墨，一種為碳化硅-碳化硅，目前石墨環(huán)的主要問題是石墨磨損、工作面變形，雙碳化硅摩擦副的水封存在發(fā)熱、吸附甚至咬死問題[5]，兩種摩擦副的優(yōu)缺點(diǎn)見表1。

圖1 水泵及水封結(jié)構(gòu)圖

表1 動(dòng)靜環(huán)摩擦副優(yōu)缺點(diǎn)

2 故障描述

市場反饋某發(fā)動(dòng)機(jī)存在較嚴(yán)重的水泵漏水故障，該問題導(dǎo)致客戶抱怨較大。針對該故障問題進(jìn)行調(diào)查確認(rèn)，發(fā)動(dòng)機(jī)水泵處有冷卻液滲漏情況，表現(xiàn)為水泵蓄水槽處漏水。

為考核蓄水槽處的密封效果，對故障水泵進(jìn)行氣密性檢測，泄漏量滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)，可判斷蓄水槽堵蓋處密封良好，漏水故障為水泵內(nèi)部泄露導(dǎo)致冷卻液流入蓄水槽中，當(dāng)冷卻液超過蓄水槽的儲(chǔ)液容積時(shí)發(fā)生泄露。水泵內(nèi)部泄露的途徑有3處：①水封與殼體間；②水封與軸承間；③水封動(dòng)靜環(huán)結(jié)合處，為確認(rèn)水泵內(nèi)部故障位置，對故障水泵進(jìn)行拆解調(diào)查；經(jīng)分析，水封與水泵殼體間壓裝情況較好，密封劑分布均勻，殼體內(nèi)孔無泄露；水封與軸間配合較好，無泄露痕跡；故水泵漏水確認(rèn)為水封漏水。

3 原因分析

為找出水封漏水的根本原因，首先對故障水封進(jìn)行拆解并利用激光掃描設(shè)備對動(dòng)環(huán)、靜環(huán)進(jìn)行平面度檢測，然后對水封的工作邊界進(jìn)行分析，判斷水封是否存在因潤滑不良導(dǎo)致動(dòng)靜環(huán)密封面磨損。

圖3 動(dòng)環(huán)檢測結(jié)果

經(jīng)檢測，動(dòng)環(huán)平面度滿足技術(shù)要求，但表面有大量結(jié)晶且有明顯磨損痕跡（如圖3）；靜環(huán)平面度滿足技術(shù)要求，但表面有大量油膜且有明顯磨損及異常劃傷的痕跡（如圖4），且靜環(huán)的損壞程度要高于動(dòng)環(huán)，從檢測結(jié)果來看動(dòng)環(huán)與靜環(huán)的密封面密封失效。

圖4 靜環(huán)檢測結(jié)果

對水封動(dòng)靜環(huán)密封處的流體分布情況進(jìn)行CFD模擬計(jì)算，水封密封面處的流體平均密度、空氣占比、流速等參數(shù)均滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)，水封處潤滑條件較好，不易出現(xiàn)干摩擦。

圖5 水封流場CFD分析

由以上檢測及分析結(jié)果可知，冷卻液清潔度較差，存在異物顆粒、結(jié)晶，當(dāng)水泵長期運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，異物導(dǎo)致動(dòng)環(huán)與靜環(huán)結(jié)合面異常磨損，進(jìn)而造成水封密封失效，水泵出現(xiàn)漏水故障。

4 方案設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

通過前文的分析可知，原方案水封采用動(dòng)環(huán)碳化硅-靜環(huán)石墨的摩擦副方案，由于石墨材質(zhì)相對較軟，該方案耐異物性較差；考慮水封周邊的流場較好，決定將水封的靜環(huán)材料由石墨提升為碳化硅材料以提升硬度，增強(qiáng)耐異物性，對優(yōu)化方案樣件進(jìn)行臺(tái)架及實(shí)車驗(yàn)證。

圖6 水封優(yōu)化方案

經(jīng)400h臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證，優(yōu)化方案水泵未出現(xiàn)泄漏情況，拆解水泵水封動(dòng)靜環(huán)，狀態(tài)良好；同時(shí)針對市場投放400臺(tái)優(yōu)化方案樣機(jī)進(jìn)行市場驗(yàn)證，優(yōu)化后效果較好，未反饋漏水故障。

圖7 水封優(yōu)化方案驗(yàn)證

5 結(jié)論

本文通過優(yōu)化水封靜環(huán)材料的方法解決了因冷卻液清潔度較差導(dǎo)致的水泵水封漏水問題。針對發(fā)動(dòng)機(jī)的使用環(huán)境，合理匹配使用水封摩擦副方案是水泵設(shè)計(jì)過程中水封選型應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注的方面。

[1] 蘇曉芳,王次安等.某國V發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵氣蝕分析與優(yōu)化[J].內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置,2016(3):29-33.

[2] 歐陽卡,鄒登紀(jì).淺議微型汽車用發(fā)動(dòng)機(jī)水泵水封密封性的改善[J].裝備制造技術(shù),2010(7):139-140.

[3] 康國興,劉建衛(wèi)等.多孔碳-碳化硅復(fù)合材料的制備及其在汽車水泵水封中的應(yīng)用(Ⅰ)[J].陶瓷,2015(2):34-37.

[4] 徐忠芳,黃建松.柴油機(jī)水泵水封漏水故障解決方案[J].現(xiàn)代零部件,2014(2): 57-59.

[5] 康國興,劉建衛(wèi)等.多孔碳-碳化硅復(fù)合材料的制備及其在汽車水泵水封中的應(yīng)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

U463.9

B

1671-7988(2021)04-63-03

朱東升，男，工程師，本科，發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)主管，就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司。