機械水泵失效故障分析及改進

彭 濤 胡毅鈞 韓 宇

（海裝沈陽局駐沈陽地區第四軍事代表室，沈陽 110179）

水泵是發動機的核心部件，在人們的生活中有著非常廣泛的應用。隨著汽車發動機渦輪增壓的普及，汽車性能隨之顯著提升，帶來了發動機機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。水泵作為冷卻系統的動力源，在此種工作環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建議至關重要，有助于有效提高水泵的工作水平。

1 機械水泵實例概況

A公司新研制開發的L型號發動機，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械水泵。水泵軸承結構涉及芯軸、外圈、滾球、擋圈以及保持架等。在機械水泵工作過程中，水泵多為輸送流體介質，與張緊輪等零件通過齒形皮帶連接。皮帶光滑背面驅動水泵運轉，具有高轉速、高壓力以及腐蝕性強等特點[1]。

2 機械水泵失效故障分析

2.1 機械水泵失效故障描述

水泵是輸送液體或使液體增壓的機械設備，對抵御高轉速和高壓力帶來的密封面高溫腐蝕和密封參數不穩定尤為關鍵。加之受到基本結構件被腐蝕、固體顆粒的沖刷撞擊等影響，失效故障率相對較高。L型號發動機搭載的機械水泵失效故障主要表現為軸承損壞。在實踐運行過程中，水泵失效會出現皮帶打滑現象，嚴重時會造成發動機運轉失靈，影響工作效率。

2.2 機械水泵失效故障排查

結合機械水泵失效故障，圍繞軸承、水封、水系統溫度、防凍液結晶、水泵排氣及泄水布置方式5個方面進行分析調查，以便有效排查故障情況。

2.2.1 關于軸承的調查

L型號發動機搭載的水泵軸承為雙列球軸承。結合水泵失效故障統計資料，選取6件失效故障件對軸承進行調查。一是游隙調查。按照規格要求，軸向游隙不超出80 μm，徑向游隙15～30 μm，最終測量結果顯示軸向游隙與徑向游隙的數值分別達到160～215 μm和60～83 μm，可見軸承已損壞。二是軸承芯軸表面調查。放大鏡下觀察剖解后的軸承，發現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運行有關，確認軸承芯軸已出現磨損問題。三是油脂含水量調查。檢測失效故障件軸承內部的油脂含水量，按照規格要求含水量相對新品油脂不超出2 500 kg·mg-1，最終測量結果顯示水封側、皮帶輪側的油脂含水量達到5 215～8 543 kg·mg-1、3 026～4 680 kg·mg-1，可見軸承已進水。

2.2.2 關于水封的調查

L型號發動機搭載的水泵水封為最高耐溫達到120 ℃的機械水封。它以動環、靜環、推環、套圈、軸套、波紋管以及密封圈等為主要結構，具有成本低和結構簡單等優點。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。結果顯示：漏水水封#1～#5平均運轉時間為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。調查發現，漏水水封#1～#5的動環與靜環端面存在深溝痕跡，源于被硬質異物摩擦而成。異物侵入動環與靜環縫隙間，會造成液體膜損壞而出現漏水問題。

2.2.3 關于防凍液結晶的調查

在高溫條件下，L型號發動機防凍液會發生脫水縮合反應，從而形成相關的結晶物質。選用該型號冷卻液進行測量，發現不同溫度條件下析晶量存在差異：溫度達到100 ℃時，對應的析晶量最少；溫度達到110 ℃時，對應的析晶量明顯增多；溫度達到120 ℃時，對應的析晶量最多。可見，溫度越高，結晶物越多[2]。

2.2.4 關于水泵排氣及泄水布置方式的調查

L型號發動機搭載的水泵殼體設置了排氣孔與泄水孔，安裝于泵體中部。調查發現，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部，導致軸承進水，影響軸承的使用壽命。

2.3 機械水泵失效原因確定

綜合各項調查結果，L型號發動機搭載的水泵失效故障發生的主要原因可概括如下。一是按照規范要求，水泵結構設置不合理，不能及時排出泵體內的水蒸氣而反向侵入軸承內部，造成軸承失效，繼而出現相應的異常運行故障。二是車輛水系統溫度過高，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，泄露的水會迅速結晶，造成泄水孔堵塞無法將其排到水泵外部，轉而反向侵入軸承內容，進一步加劇了軸承運轉的失靈問題，嚴重影響水泵的工作效率。

3 機械水泵失效故障的改進建議

結合L型號發動機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。在機械水泵運行過程中，提出3點具體改進建議。一是水泵結構的改進。L型號發動機搭載水泵的基本結構組件包含了葉輪、軸承、電動機、聯軸器以及保護系統等諸多部分，且各個組件之間的聯系尤其密切。改進水泵結構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。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，建議參照耐溫達到150 ℃的X品牌水封設計參數，提高抗異物特性，避免因漏水帶來的反向侵入軸承現象的發生。三是車輛熄火溫度的改進。結合車輛熄火后溫升調查結果，建議熄火后觸發風扇延時功能，將啟動溫度105 ℃降低至98 ℃。

4 機械水泵失效故障的試驗驗證

在L型號發動機搭載的機械水泵運行過程中，調查分析水泵的軸承、水封、水系統溫度、防凍液結晶、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理，同時提出相應的改進建議，以期為解決機械水泵故障提供了有效參考。針對上述3項改進建議，圍繞水泵失效故障進行試驗驗證。

4.1 水泵結構的改進驗證

將改進后的水泵投入生產工作，運行時間長達100 h。通過拆解水泵，觀察水泵內部情況，發現新增的排氣孔起到明顯效果，清晰可見水蒸氣散發后的痕跡。驗證結果表明，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驗證

如表1所示，原水封與改進后水封的關鍵技術參數變化明顯，改進后水封耐溫特性及抗異物特性提升顯著。

表1 改進前后L型號發動機搭載水泵水封關鍵技術參數變化

4.3 車輛熄火溫度的改進驗證

車輛熄火后風扇延時溫度點降低至98 ℃，便于降低水系統溫度。可見，考慮車輛熄火后溫度升高情況對控制水系統溫度尤為關鍵，便于取得較好的改進效益[3]。

5 機械水泵失效故障分析與改進的保障措施

為了有效解決L型號發動機搭載的水泵失效故障問題，促進水泵失效故障分析與改進工作得以有效落實，現從故障總結與分析方法的運用和水泵自動化工作水平的加強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與分析方法

針對L型號發動機搭載的水泵失效故障及問題，善用常見故障總結與分析方法尤為關鍵，便于有效提高機械水泵設備的工作效率。通過運用視覺觀察法添加潤滑油，可對水泵設備進行簡單維修與管理。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生的聲音情況，進而判斷水泵是否存在異常現象。通過運用振動與溫度測定法，借助振動頻率分辨設備，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。通過對水泵運行進行自動化控制，全面檢測水泵運行過程中的工作狀態和工作性能，便于及時發現失效故障和安全隱患，制定有效的處理措施，從而預防安全事故，提高水泵運行質量水平。二是水泵管理與維修自動化。借助信息技術，充分發揮水泵故障檢測功能、管理功能以及維修功能的作用，統一調動自動化管理系統，保證水泵穩定、高效運行。對比傳統的水泵維修方法，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，以降低失效故障幾率。

6 結語

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