彭 濤 胡毅鈞 韓 宇

（海裝沈陽局駐沈陽地區(qū)第四軍事代表室，沈陽 110179）

水泵是發(fā)動機(jī)的核心部件，在人們的生活中有著非常廣泛的應(yīng)用。隨著汽車發(fā)動機(jī)渦輪增壓的普及，汽車性能隨之顯著提升，帶來了發(fā)動機(jī)機(jī)倉溫度增加和冷卻水散熱效果降低等問題，使得水泵使用工況日漸惡劣。水泵作為冷卻系統(tǒng)的動力源，在此種工作環(huán)境下的失效故障率相對更高。深入挖掘水泵失效故障原因并制定針對性的改進(jìn)建議至關(guān)重要，有助于有效提高水泵的工作水平。

1 機(jī)械水泵實例概況

A公司新研制開發(fā)的L型號發(fā)動機(jī)，排量1.7 L，直列4缸，帶渦輪增壓，搭載由葉輪、泵體、密封圈、軸連軸承以及水封總成等組成的機(jī)械水泵。水泵軸承結(jié)構(gòu)涉及芯軸、外圈、滾球、擋圈以及保持架等。在機(jī)械水泵工作過程中，水泵多為輸送流體介質(zhì)，與張緊輪等零件通過齒形皮帶連接。皮帶光滑背面驅(qū)動水泵運轉(zhuǎn)，具有高轉(zhuǎn)速、高壓力以及腐蝕性強(qiáng)等特點[1]。

2 機(jī)械水泵失效故障分析

2.1 機(jī)械水泵失效故障描述

水泵是輸送液體或使液體增壓的機(jī)械設(shè)備，對抵御高轉(zhuǎn)速和高壓力帶來的密封面高溫腐蝕和密封參數(shù)不穩(wěn)定尤為關(guān)鍵。加之受到基本結(jié)構(gòu)件被腐蝕、固體顆粒的沖刷撞擊等影響，失效故障率相對較高。L型號發(fā)動機(jī)搭載的機(jī)械水泵失效故障主要表現(xiàn)為軸承損壞。在實踐運行過程中，水泵失效會出現(xiàn)皮帶打滑現(xiàn)象，嚴(yán)重時會造成發(fā)動機(jī)運轉(zhuǎn)失靈，影響工作效率。

2.2 機(jī)械水泵失效故障排查

結(jié)合機(jī)械水泵失效故障，圍繞軸承、水封、水系統(tǒng)溫度、防凍液結(jié)晶、水泵排氣及泄水布置方式5個方面進(jìn)行分析調(diào)查，以便有效排查故障情況。

2.2.1 關(guān)于軸承的調(diào)查

L型號發(fā)動機(jī)搭載的水泵軸承為雙列球軸承。結(jié)合水泵失效故障統(tǒng)計資料，選取6件失效故障件對軸承進(jìn)行調(diào)查。一是游隙調(diào)查。按照規(guī)格要求，軸向游隙不超出80 μm，徑向游隙15～30 μm，最終測量結(jié)果顯示軸向游隙與徑向游隙的數(shù)值分別達(dá)到160～215 μm和60～83 μm，可見軸承已損壞。二是軸承芯軸表面調(diào)查。放大鏡下觀察剖解后的軸承，發(fā)現(xiàn)軸承芯軸表面呈非加工自然色的亮白色，與軸承在潤滑條件惡化的情況下繼續(xù)運行有關(guān)，確認(rèn)軸承芯軸已出現(xiàn)磨損問題。三是油脂含水量調(diào)查。檢測失效故障件軸承內(nèi)部的油脂含水量，按照規(guī)格要求含水量相對新品油脂不超出2 500 kg·mg-1，最終測量結(jié)果顯示水封側(cè)、皮帶輪側(cè)的油脂含水量達(dá)到5 215～8 543 kg·mg-1、3 026～4 680 kg·mg-1，可見軸承已進(jìn)水。

2.2.2 關(guān)于水封的調(diào)查

L型號發(fā)動機(jī)搭載的水泵水封為最高耐溫達(dá)到120 ℃的機(jī)械水封。它以動環(huán)、靜環(huán)、推環(huán)、套圈、軸套、波紋管以及密封圈等為主要結(jié)構(gòu)，具有成本低和結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點。選擇漏水水封#1～#5與X品牌水封#1～#5，開展水封抗異物能力測試。結(jié)果顯示：漏水水封#1～#5平均運轉(zhuǎn)時間為82 h，泄漏量為14.1 mL·min-1；X品牌水封#1～#5平均運轉(zhuǎn)時間為98.4 h，泄漏量為5.6 mL·min-1。因此，判斷漏水水封#1～#5抗異物能力較X品牌水封#1～#5差。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，漏水水封#1～#5的動環(huán)與靜環(huán)端面存在深溝痕跡，源于被硬質(zhì)異物摩擦而成。異物侵入動環(huán)與靜環(huán)縫隙間，會造成液體膜損壞而出現(xiàn)漏水問題。

2.2.3 關(guān)于防凍液結(jié)晶的調(diào)查

在高溫條件下，L型號發(fā)動機(jī)防凍液會發(fā)生脫水縮合反應(yīng)，從而形成相關(guān)的結(jié)晶物質(zhì)。選用該型號冷卻液進(jìn)行測量，發(fā)現(xiàn)不同溫度條件下析晶量存在差異：溫度達(dá)到100 ℃時，對應(yīng)的析晶量最少；溫度達(dá)到110 ℃時，對應(yīng)的析晶量明顯增多；溫度達(dá)到120 ℃時，對應(yīng)的析晶量最多?？梢姡瑴囟仍礁?，結(jié)晶物越多[2]。

2.2.4 關(guān)于水泵排氣及泄水布置方式的調(diào)查

L型號發(fā)動機(jī)搭載的水泵殼體設(shè)置了排氣孔與泄水孔，安裝于泵體中部。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，因水泵排氣和泄水布置方式失誤，泵體中的水蒸氣、冷卻液等無法及時排出會滲入軸承內(nèi)部，導(dǎo)致軸承進(jìn)水，影響軸承的使用壽命。

2.3 機(jī)械水泵失效原因確定

綜合各項調(diào)查結(jié)果，L型號發(fā)動機(jī)搭載的水泵失效故障發(fā)生的主要原因可概括如下。一是按照規(guī)范要求，水泵結(jié)構(gòu)設(shè)置不合理，不能及時排出泵體內(nèi)的水蒸氣而反向侵入軸承內(nèi)部，造成軸承失效，繼而出現(xiàn)相應(yīng)的異常運行故障。二是車輛水系統(tǒng)溫度過高，最高水溫臨近水封耐溫極限值，加劇了水封漏水問題，影響系統(tǒng)的運行。三是水封漏水時受到高溫的影響，泄露的水會迅速結(jié)晶，造成泄水孔堵塞無法將其排到水泵外部，轉(zhuǎn)而反向侵入軸承內(nèi)容，進(jìn)一步加劇了軸承運轉(zhuǎn)的失靈問題，嚴(yán)重影響水泵的工作效率。

3 機(jī)械水泵失效故障的改進(jìn)建議

結(jié)合L型號發(fā)動機(jī)搭載的水泵失效故障分析情況，可知軸承損壞是其主要表現(xiàn)。在機(jī)械水泵運行過程中，提出3點具體改進(jìn)建議。一是水泵結(jié)構(gòu)的改進(jìn)。L型號發(fā)動機(jī)搭載水泵的基本結(jié)構(gòu)組件包含了葉輪、軸承、電動機(jī)、聯(lián)軸器以及保護(hù)系統(tǒng)等諸多部分，且各個組件之間的聯(lián)系尤其密切。改進(jìn)水泵結(jié)構(gòu)可在殼體最高位置處增加排氣孔，在殼體最低位置處增加泄水孔。二是水封單品耐溫特性和抗異物特性的改進(jìn)。水泵水封最高耐溫為120 ℃，漏水水封#1～#5耐溫已接近固定水溫值。為解決水封漏水問題，建議參照耐溫達(dá)到150 ℃的X品牌水封設(shè)計參數(shù)，提高抗異物特性，避免因漏水帶來的反向侵入軸承現(xiàn)象的發(fā)生。三是車輛熄火溫度的改進(jìn)。結(jié)合車輛熄火后溫升調(diào)查結(jié)果，建議熄火后觸發(fā)風(fēng)扇延時功能，將啟動溫度105 ℃降低至98 ℃。

4 機(jī)械水泵失效故障的試驗驗證

在L型號發(fā)動機(jī)搭載的機(jī)械水泵運行過程中，調(diào)查分析水泵的軸承、水封、水系統(tǒng)溫度、防凍液結(jié)晶、水泵排氣及泄水布置方式，更加深入地了解水泵失效故障的機(jī)理，同時提出相應(yīng)的改進(jìn)建議，以期為解決機(jī)械水泵故障提供了有效參考。針對上述3項改進(jìn)建議，圍繞水泵失效故障進(jìn)行試驗驗證。

4.1 水泵結(jié)構(gòu)的改進(jìn)驗證

將改進(jìn)后的水泵投入生產(chǎn)工作，運行時間長達(dá)100 h。通過拆解水泵，觀察水泵內(nèi)部情況，發(fā)現(xiàn)新增的排氣孔起到明顯效果，清晰可見水蒸氣散發(fā)后的痕跡。驗證結(jié)果表明，合理布置水泵排氣孔與泄水孔的建議有效。

4.2 水封單品耐溫特性及抗異物特性的改進(jìn)驗證

如表1所示，原水封與改進(jìn)后水封的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)變化明顯，改進(jìn)后水封耐溫特性及抗異物特性提升顯著。

表1 改進(jìn)前后L型號發(fā)動機(jī)搭載水泵水封關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)變化

4.3 車輛熄火溫度的改進(jìn)驗證

車輛熄火后風(fēng)扇延時溫度點降低至98 ℃，便于降低水系統(tǒng)溫度?？梢?，考慮車輛熄火后溫度升高情況對控制水系統(tǒng)溫度尤為關(guān)鍵，便于取得較好的改進(jìn)效益[3]。

5 機(jī)械水泵失效故障分析與改進(jìn)的保障措施

為了有效解決L型號發(fā)動機(jī)搭載的水泵失效故障問題，促進(jìn)水泵失效故障分析與改進(jìn)工作得以有效落實，現(xiàn)從故障總結(jié)與分析方法的運用和水泵自動化工作水平的加強(qiáng)兩個方面提出具體的保障措施。

5.1 善用水泵常見故障總結(jié)與分析方法

針對L型號發(fā)動機(jī)搭載的水泵失效故障及問題，善用常見故障總結(jié)與分析方法尤為關(guān)鍵，便于有效提高機(jī)械水泵設(shè)備的工作效率。通過運用視覺觀察法添加潤滑油，可對水泵設(shè)備進(jìn)行簡單維修與管理。通過運用水泵聽診法，借助手錘擊打水泵零部件或是利用電子聽診器，查看零部件的破裂雜音情況，分析水泵運行過程中發(fā)生的聲音情況，進(jìn)而判斷水泵是否存在異?，F(xiàn)象。通過運用振動與溫度測定法，借助振動頻率分辨設(shè)備，以及時查看是否存在裂紋、磨損以及銹蝕等問題。

5.2 提升機(jī)械水泵自動化工作水平

一是水泵運行控制自動化。通過對水泵運行進(jìn)行自動化控制，全面檢測水泵運行過程中的工作狀態(tài)和工作性能，便于及時發(fā)現(xiàn)失效故障和安全隱患，制定有效的處理措施，從而預(yù)防安全事故，提高水泵運行質(zhì)量水平。二是水泵管理與維修自動化。借助信息技術(shù)，充分發(fā)揮水泵故障檢測功能、管理功能以及維修功能的作用，統(tǒng)一調(diào)動自動化管理系統(tǒng)，保證水泵穩(wěn)定、高效運行。對比傳統(tǒng)的水泵維修方法，實施水泵維修自動化方案，在水泵運行前及日常工作中予以維修與保養(yǎng)，以降低失效故障幾率。

6 結(jié)語

為了提高機(jī)械水泵運行效率，使其發(fā)揮更大的效用，分析水泵失效故障的原因，并提出改進(jìn)建議及保障措施，以提高水泵工作水平，對推動機(jī)械行業(yè)的穩(wěn)健發(fā)展具有重大意義。