發動機水泵水封密封性優化

朱東升，趙文仲

發動機水泵水封密封性優化

朱東升，趙文仲

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

汽車發動機用冷卻水泵主要用水封來密封工作腔，當水封與水泵匹配不當時，易造成水封失效導致水泵泄露。文章對某型發動機水泵水封漏水原因進行分析，找出水封漏水的主因，然后針對主因提出優化方案，最后對優化方案進行試驗驗證。

水泵；水封；密封性

前言

發動機冷卻水泵作為發動機冷卻系統重要的組成部分，其功用是對冷卻液加壓，保證足量的冷卻液在冷卻系統中循環流動[1]，水封是密封冷卻液以免泄露，同時將冷卻液與水泵軸承隔離[2]。國內防凍液市場質量較為混亂，特別是大功率柴油發動機防凍液普遍出現結晶現象，造成柴油發動機“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廠在產品開發過程的基本要求。

由于水泵工作的環境及工況較復雜，水封漏水的原因及解決措施也各不相同。本文對水封漏水產生的原因進行分析，并進行相應優化，最終進行試驗驗證。

1 水封結構及工作原理概述

發動機水泵主要由殼體、傳動軸、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，防止冷卻液進入軸承和空氣。水泵水封由傳動件、輔助密封組件、端面摩擦副、彈性元件及固定件等八個主要零件組成[4]，摩擦副的靜環部件與水泵殼體配合保持靜止，動環部件與傳動軸配合一起做旋轉運動，動、靜環間靠彈簧進行軸向補償，始終保持貼合在一起，接觸面依靠非常高的平面度，起到動態密封的作用。動環與靜環組成的摩擦副目前廣泛應用的主要有兩種，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熱、吸附甚至咬死問題[5]，兩種摩擦副的優缺點見表1。

圖1 水泵及水封結構圖

表1 動靜環摩擦副優缺點

2 故障描述

市場反饋某發動機存在較嚴重的水泵漏水故障，該問題導致客戶抱怨較大。針對該故障問題進行調查確認，發動機水泵處有冷卻液滲漏情況，表現為水泵蓄水槽處漏水。

為考核蓄水槽處的密封效果，對故障水泵進行氣密性檢測，泄漏量滿足設計指標，可判斷蓄水槽堵蓋處密封良好，漏水故障為水泵內部泄露導致冷卻液流入蓄水槽中，當冷卻液超過蓄水槽的儲液容積時發生泄露。水泵內部泄露的途徑有3處：①水封與殼體間；②水封與軸承間；③水封動靜環結合處，為確認水泵內部故障位置，對故障水泵進行拆解調查；經分析，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，首先對故障水封進行拆解并利用激光掃描設備對動環、靜環進行平面度檢測，然后對水封的工作邊界進行分析，判斷水封是否存在因潤滑不良導致動靜環密封面磨損。

圖3 動環檢測結果

經檢測，動環平面度滿足技術要求，但表面有大量結晶且有明顯磨損痕跡（如圖3）；靜環平面度滿足技術要求，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），且靜環的損壞程度要高于動環，從檢測結果來看動環與靜環的密封面密封失效。

圖4 靜環檢測結果

對水封動靜環密封處的流體分布情況進行CFD模擬計算，水封密封面處的流體平均密度、空氣占比、流速等參數均滿足設計指標，水封處潤滑條件較好，不易出現干摩擦。

圖5 水封流場CFD分析

由以上檢測及分析結果可知，冷卻液清潔度較差，存在異物顆粒、結晶，當水泵長期運轉時，異物導致動環與靜環結合面異常磨損，進而造成水封密封失效，水泵出現漏水故障。

4 方案設計及驗證

通過前文的分析可知，原方案水封采用動環碳化硅-靜環石墨的摩擦副方案，由于石墨材質相對較軟，該方案耐異物性較差；考慮水封周邊的流場較好，決定將水封的靜環材料由石墨提升為碳化硅材料以提升硬度，增強耐異物性，對優化方案樣件進行臺架及實車驗證。

圖6 水封優化方案

經400h臺架試驗驗證，優化方案水泵未出現泄漏情況，拆解水泵水封動靜環，狀態良好；同時針對市場投放400臺優化方案樣機進行市場驗證，優化后效果較好，未反饋漏水故障。

圖7 水封優化方案驗證

5 結論

本文通過優化水封靜環材料的方法解決了因冷卻液清潔度較差導致的水泵水封漏水問題。針對發動機的使用環境，合理匹配使用水封摩擦副方案是水泵設計過程中水封選型應重點關注的方面。

[1] 蘇曉芳,王次安等.某國V發動機冷卻水泵氣蝕分析與優化[J].內燃機與動力裝置,2016(3):29-33.

[2] 歐陽卡,鄒登紀.淺議微型汽車用發動機水泵水封密封性的改善[J].裝備制造技術,2010(7):139-140.

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

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

[5] 康國興,劉建衛等.多孔碳-碳化硅復合材料的制備及其在汽車水泵水封中的應用(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，發動機設計主管，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司。