提高81D柴油機水泵軸連軸承可靠性研究

（一汽解放公司無錫柴油機廠，無錫214026）

提高81D柴油機水泵軸連軸承可靠性研究

徐金生
（一汽解放公司無錫柴油機廠，無錫214026）

針對81D柴油機水泵選用與29D柴油機水泵同型號軸連軸承用戶中發生軸連軸承早期磨損漏水問題，通過借鑒36D柴油機水泵選用29D柴油機水泵軸連軸承用戶故障率高的改進經驗，展開對29D、36D及81D水泵軸連軸承的理論壽命進行校核，改進水泵軸連軸承設計并通過臺架試驗及用戶驗證，解決了81D水泵軸連軸承早期磨損漏水問題。

柴油機水泵軸連軸承理論壽命實際壽命

1 引言

81D柴油機是一汽集團繼29D、36D后又一個成功開發的具有自主知識產權的民族品牌、高端動力柴油機，自投放市場以來，一直處于旺銷狀態。但在小批投放初期，曾出現過水泵軸連軸承早期磨損、漏水等異常問題，對產品質量造成了一定的影響。

本文介紹了此問題的解決方法和途徑，通過故障件分析，并借鑒36D柴油機水泵選用29D柴油機水泵軸連軸承用戶故障率高的改進經驗，展開對29D、36D及81D水泵軸連軸承的理論壽命的校核，改進水泵軸連軸承設計并通過臺架試驗及用戶驗證，最終解決了81D水泵軸連軸承早期磨損漏水問題。

2 水泵故障問題描述

首先，對從用戶處返回的故障水泵進行拆檢分析。轉動水泵軸承時，感覺軸承松動，軸承外殼由于受熱變黑，軸向、徑向游隙超常，油脂發黑，滾針表面磨損，以上癥狀均體現了此軸連軸承是早期的磨損故障，參見圖1。

3 81D水泵工作原理

81D柴油機傳動輪系由曲軸皮帶輪通過多楔皮帶、自動漲緊輪機構（張緊輪、楔惰輪、平惰輪）帶動整個輪系旋轉，見圖2。在傳動過程中水泵皮帶輪通過法蘭連接帶動軸連軸承旋轉，從而驅動與水泵軸連軸承連在一起的葉輪旋轉，完成水泵的吸水、壓水工作，81D水泵結構見圖3。

圖1 故障件

圖2 81D柴油機前端輪系圖

圖3 81D水泵結構及受力位置圖

4 對標分析與設計改進

4.1 81D與29D水泵軸連軸承主要差別

因81D柴油機水泵軸連軸承的設計采用與29D柴油機相同的結構，在此對兩者水泵主要參數的分析，并對軸承的整體壽命進行理論校核，尋找問題根源，提出改進對策。81D柴油機與29D柴油機水泵軸連軸承主要設計參數對見表1。

表1 81D柴油機和29D柴油機水泵軸連軸承主要設計參數

根據受力傳遞原理，可以把軸連軸承從水泵的整體分離出來，作用在水泵上的力可以簡化到軸連軸承上。軸連軸承的受力可以簡化為軸連軸承滾子和鋼球的受力，參見圖4。

圖4 軸連軸承的受力圖

圖中，

Fr——軸連軸承設計載荷；

Fr1——軸連軸承鋼球受力；

Fr2——軸連軸承滾子受力；

L0——皮帶輪槽的幾何位置中心到軸連軸承外圈端面距離；

L1——滾子中心到軸連軸承外圈端面距離；

L2——滾子中心到鋼球中心距離。

4.2 81D柴油機水泵的原設計壽命校核

4.2.1 受力計算[1]

（1）皮帶張力計算值

考慮預緊力修正值42 N，取系數1.2則：

（2）作用在軸上力

式中，

Kr——皮帶契合系數；

Ft——有效圓周力；

FQ——作用在軸上力；

α——皮帶包角；

Z——皮帶根數。

對于帶傳動，有效圓周力為皮帶張緊力即，Ft=F張，則有

取負荷系數為2，可得到軸連軸承設計載荷

（3）、計算Fr1、Fr2

由杠桿原理得：

通過對調查樣本數據統計和計算后得出，我國畜牧業機械化水平在規模化飼養和散養條件下分別達到59.41%和42.22%。其中，10頭以上奶牛、100頭以上肉牛、500頭以上生豬、2 000只以上蛋禽、10 000只以上肉禽規模化飼養機械化水平分別為60.45%，46.54%，62.07%，44.84%，78.62%。4頭以下奶牛、50頭以下肉牛、50頭以下生豬、2 000只以下蛋禽和10 000只以下肉禽散養機械化水平分別為57.22%，28.10%，37.71%，29.90%，47.05%，詳見表3。

由水泵和軸連軸承結構得知：L0=-12.44mm，L1=12.55 mm，L2=31.45mm。將L0、L1、L2代入上面兩個公式中，可計算得到

Fr1=10.57(N)

Fr2=3 033(N)

由以上計算結果可以看出滾子端為危險位置，所以主要考慮對滾子的承載壽命進行計算。

4.2.2 承載壽命計算[2,3]

單列滾動體的壽命：轉速為超速運轉時的1.2倍額定轉速。軸連軸承套圈長度為56 mm，軸徑為25 mm。

軸連軸承柱端為8個直徑為9.5 mm、長度為14 mm的圓柱滾子組成。其基本額定載荷為Cr=36.5 kN。當量動載荷為P=fdFr2=3.64 kN（fd——動載荷系數，取1.2），法蘭端壽命為

（2）葉輪端壽命計算

軸連軸承球端為5個直徑為12.7 mm鋼球組成。其基本額定載荷為Cr=18.0 kN，則當量動載荷為P=fdFr1=12.68 N(fd——動載荷系數，取1.2)，葉輪端壽命為

（3）組合軸連軸承整體壽命為

組合系數：單列滾子時為10/9，單列球為9/8，組合后整體為

（10/9+9/8）/2=1.1181

（a）軸連軸承整體法蘭端壽命為

（b）軸連軸承整體葉輪端壽命為

（c）軸連軸承整體壽命為

（d）軸連軸承整體的額定壽命為

按同樣的計算方法，對29D柴油機、36D柴油機及81D柴油機（改進后）的水泵軸連軸承的理論壽命進行計算，統計對比結果見表2。

表2 水泵軸連軸承理論壽命統計對比表

從以上對比表可以看出，改進后的36D與81D軸連軸承型號為WR3258*62.5，與29D軸連軸承WR2552*56相比：皮帶輪軸頸由Φ25 mm增粗至Φ32 mm，軸連軸承外徑由Φ52 mm增大至Φ58 mm，軸連軸承套圈長度由56 mm增長至62.5 mm。改進前81D柴油機水泵軸連軸承理論壽命為10 751 h，改進后理論壽命達到31 050 h，提高了189%。

（3）效果分析

2009年市場共反饋29D柴油機水泵軸連軸承故障68件，共計故障里程240.7萬km，平均故障里程3.54萬km，遠小于我廠10萬km的保修里程。按車輛行駛車速80 km/h計算，3.49萬km僅合442 h左右，而其理論壽命應為3 117 h，故障件的平均實際壽命僅為理論壽命的14.19%。由于81D柴油機的水泵軸連軸承結構與29D柴油機的類似，理論上將也會出現同樣的問題。現將改進后81D柴油機的水泵軸連軸實際壽命按理論壽命的14%計算，實際壽命將達到4 350小時，合計34.8萬km（按車速80 km/h計算），已超過我廠發動機10萬公里保修里程。所以，改進后的水泵將大大降低因軸連軸承引起的失效問題。

5 可靠性試驗驗證

5.1 水泵耐久試驗

為了保證改進設計后的水泵符合設計要求，并驗證改進后的實際效果，針對81D柴油機水泵采用改進后的軸連軸承，2009年6月9日開始在河南省西峽汽車水泵股份有限公司中心試驗室對該水泵總成的可靠性進行了耐久試驗，于2009年7月25日結束，整個試驗共運行了1 011 h。試驗過程中水泵運行正常，泄水孔處無漏水，其它各結合面也無滲、漏水現象；手動轉動水泵總成，無卡滯、無異響等現象，符合圖紙技術條件。按照試驗規定對試驗后的水泵進行拆檢：

（1）轉動軸連軸承無卡滯、無異響，無漏脂；軸連軸承外圈表面正常，滾道正常，滾動體正常，保持架無老化，參見圖5和圖6。

（2）水封動、靜環摩擦面有磨損現象，動環墊無老化，波紋管正常，無漏水，見圖7。

（3）葉輪、法蘭等其他部件無老化、變形、裂紋等不正常現象，如圖8、圖9所示。

5.2 發動機臺架試驗驗證

圖5 軸連軸承總成

圖6 軸連軸承零件

圖7 水封

為了保證改進后的水泵在整機上的可靠性，滿足柴油機的可靠性及性能要求，一汽錫柴研發部又于2009年8月對改進后的81D柴油機水泵總成在柴油機臺架上進行了2 000 h的可靠性試驗，到2009年10月結束時未發生任何水泵故障，水泵拆檢也完全正常。試驗過程表明，改進后的81D水泵總成相對于改進前的水泵總成穩定性和可靠性上都有大幅提高，水泵總成各部件通過可靠性驗證。

圖8 葉輪

圖9 法蘭

6 結論

改進后的81D柴油機水泵采用了WR3258*62. 5軸連軸承，理論壽命達到了31 069 h，比改進前采用WR2552*56軸連軸承提高了189%，比改進后的36D柴油機水泵采用的WR3258*62.5軸連軸承的理論壽命14 257 h也提高了1倍多。經統計，2009年36D柴油機共生產了20 906臺，市場尚未發現改進后水泵軸連軸承發生故障。可見，36D柴油機水泵軸連軸承的改進取得理想的經濟和社會效果。同樣，改進后的81D柴油機水泵自2009年12月裝機驗證以來，已經批量投放市場2萬多臺，至今未發生軸連軸承失效故障，解決了因水泵軸連軸承松曠引起的水封漏水問題。

此問題的解決，為以后其他機型可能出現的水泵軸連軸承早期磨損漏水問題提供了一種可具借鑒的寶貴經驗。

1徐灝．機械設計手冊（第三冊）[M]．北京：機械工業出版社，1991．

2徐灝．機械設計手冊（第四冊）[M]．北京：機械工業出版社，1991．

3全國滾動軸承標準化技術委員會．GB/T6391－2003/ISO 281:1990標準滾動軸連軸承額定動載荷和額定壽命[S]．

Study on Improvement of 81D Diesel Engine Water Pump Shaft Bearing Reliability

Xu Jinsheng
（Wuxi Dlesel Engine Worke,Jiefang Automobile Co.Ltd.,Wuxi 214026,China）

To tackle the problem of water pump leakage of 810 Diesel Engine that adopted the same bearing for the water pump of 29D Diesel Engine,strength and reliability checking calculation was mad for the bearings used by engines of 29D,36D and 81D.Based on the calculation,improvement of bearing design was conducted for 81D engine by referring to the successfully experience of design improvement of D36 Diesel Engine water pump bearing.Rig and field tests showed that the improvement meets design requirement and prevents the water pump from early wear and leakage.

diesel engine,water pump,bearing,theoretical life,actual life

10.3969/j.issn.1671-0614.2011.03.007

來稿日期：2010-06-15

徐金生（1953-），男，工程師，主要研究方向為柴油機水泵、機油泵、空壓泵等功能件的可靠性質量提升。