劉亦晴
摘 要：汽車水泵是汽車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的心臟，是汽車強制循環(huán)水冷系統(tǒng)動力源，一旦水泵性能下降會導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)冷卻液壓力降低和流量減少。文章列舉了水泵葉輪常見的失效模式，分析了汽蝕與沖蝕對水泵性能的影響，并提出了相應(yīng)的預(yù)防措施。
關(guān)鍵詞：汽車水泵；失效模式；氣蝕；磨損
汽車水泵在長期運行過程中，由于水流與水中顆粒物所構(gòu)成兩相流動，通常會發(fā)生汽蝕和沖蝕的相互作用，從而使汽車水泵葉輪等部件受此影響逐漸磨損，水泵的工作效率和出水量下降，水泵的單位時間能源增高，甚至使得水泵尚未達(dá)到設(shè)計使用壽命前葉輪等關(guān)鍵部件失效損壞。本文針對汽車水泵常見失效模式及原因，分析其對水泵性能產(chǎn)生的影響，對更換材料及增效防護涂層等提高水泵工作運行效率和使用壽命等預(yù)防性措施予以論述。
1 水泵葉輪常見的失效模式分析
汽蝕和沖蝕是水泵Z常見的失效模式，水泵的汽蝕和沖蝕主要集中在葉輪口環(huán)間隙、葉輪進口和葉輪出口等處，其失效狀態(tài)通常為區(qū)域性蜂窩狀凹坑或魚鱗狀坑，嚴(yán)重的還會產(chǎn)生水泵葉片局部穿孔，使水泵的實際使用壽命大幅縮短，水泵的工作性能指標(biāo)降低，通常情況下使得水泵出口流量降低約30%左右，工作效率也會相應(yīng)降低20%-30%之間。水泵葉片的位置不同失效程度有較大區(qū)別，入水側(cè)葉片前緣根部損壞相對較輕，前緣向葉片端面方向相對較為嚴(yán)重，葉片入水側(cè)溝槽呈魚鱗形狀的破損坑，出口處葉片背面呈較深的魚鱗狀花紋，葉片的邊緣呈現(xiàn)形狀不規(guī)則的刀刃狀缺口。
1.1 水泵葉輪氣蝕
氣蝕是在水流壓力變化情況下，水泵葉片表面與氣體接觸所導(dǎo)致的洞穴狀破壞現(xiàn)象。當(dāng)汽車水泵處于正常運轉(zhuǎn)狀態(tài)時，水壓從水泵入口位置至葉輪入口位置逐漸降低，當(dāng)水的壓力低于飽和蒸汽壓力時，液體發(fā)生汽化現(xiàn)象，便會形成許多微小的氣泡，這些微小的氣泡在低壓區(qū)中積累，并且隨著水流到達(dá)水泵高壓區(qū)。氣蝕通常發(fā)生的位置在水泵葉片葉端的高速減壓區(qū)，微小的氣泡高壓區(qū)在壓力作用下破裂并產(chǎn)生較大的沖擊壓力，從而破壞了金屬表面的保護膜，使得葉片的腐蝕速度加快，氣蝕的特征是在葉片金屬表面形成多個細(xì)小的麻點，麻點逐漸擴大Z終形成洞穴。氣蝕包括氣泡形成、增大、破裂及對水泵葉輪材料表面侵蝕的過程蝕，水泵低壓區(qū)形成的氣泡在水泵高壓區(qū)破裂時通常對表面產(chǎn)生較大的沖擊力，汽蝕現(xiàn)象可瞬間產(chǎn)生高達(dá)數(shù)百至數(shù)千個大氣壓的沖擊應(yīng)力，沖擊應(yīng)力以高頻打擊水泵葉片金屬表面，使水泵葉輪的顯微裂紋逐漸發(fā)展成為疲勞裂紋，疲勞裂紋的擴展會進一步造成金屬晶粒脫落，在水泵葉片表面形成早期的麻點形狀的汽蝕坑。氣蝕過程通常會作用在水泵葉片背面的負(fù)壓區(qū)內(nèi)，并且還會波及到水泵葉片出口位置，經(jīng)過持續(xù)不斷的汽蝕作用，所造成的葉片失效特征形狀為麻面、蜂窩狀和孔洞狀汽蝕區(qū)。水泵葉片金屬表層的顯微裂紋主要是由金屬材料本身的缺陷、沖擊和顆粒物刺入等所產(chǎn)生的，汽蝕過程中氣泡破裂的能量傳遞給水中微小顆粒物，使顆粒物以一定的角度沖擊水泵葉片，進入汽蝕坑的顆粒物會對已經(jīng)形成的汽蝕坑形成往復(fù)式破壞，這就導(dǎo)致汽蝕坑進一步擴大并合并，氣蝕坑壁在顯微切削的作用下變得光滑，當(dāng)多個臨近的汽蝕坑發(fā)生交錯時，會形成刀刃狀的氣蝕坑。
1.2 水泵葉輪磨損
沖蝕磨損是水泵葉片失效的另外一種模式，沖蝕是指水泵葉片受到水中小而松散的顆粒物沖擊時，在水泵葉片表面出現(xiàn)破壞的磨損現(xiàn)象，可以理解為金屬表面與含有固體顆粒物的水流接觸并在相對運動下所產(chǎn)生的磨損。因為沖蝕是水中的微小顆粒物在水泵葉片表面摩擦作用的結(jié)果，所以沖蝕通常發(fā)生在水泵葉片迎流面?zhèn)龋w粒物在葉片表面高速摩擦，導(dǎo)致水泵葉片金屬表面顆粒層被沙粒磨削，在長時間反復(fù)磨削過程后水泵葉片表面產(chǎn)生破壞。此外，含顆粒物水流在水泵葉片表面高速沖擊會形成局部漩渦區(qū)，在長時間的持續(xù)作用下，水泵葉片形成凹凸不平的表面，由于部分水流中顆粒物尖角與水泵葉片表面發(fā)生接觸，沖擊力相同的情況下對葉片表面的壓強更大，在與局部汽蝕共同作用的過程中，導(dǎo)致水泵葉片表面產(chǎn)生局部微小的塑性形變，當(dāng)形變達(dá)到金屬材料塑性極限強度時產(chǎn)生水泵葉片沖蝕。沖蝕通常會形成魚鱗形狀的溝槽腐蝕，是水泵葉片表面與水流之間因較高速度相對運動而導(dǎo)致的金屬失效。沖蝕是一種危害性較大的失效模式，尤其是在水流中顆粒物較多的情況下，在兩相流中破壞更加嚴(yán)重，其結(jié)果是大幅度縮短汽車水泵的使用壽命。
汽車水泵工作運轉(zhuǎn)時，有尖角的顆粒物會對水泵葉片產(chǎn)生微切削作用，非尖角形顆粒物則對水泵葉片產(chǎn)生擠壓和犁削作用，通常情況下尖角型顆粒物的切削作用比非尖角形顆粒物的犁削作用破壞性更強，顆粒物的微切削作用使水泵葉片晶粒表面產(chǎn)生碎屑，而擠壓和犁削則將水泵葉片晶粒表層材料擠出并卷邊，卷邊在持續(xù)的切削、擠壓和犁削作用下不斷剝落。切削、擠壓和犁削同時會使水泵葉片表面局部產(chǎn)生晶粒硬化薄層，硬化薄層一定程度上會使磨削速率下降，但由于水泵葉片表面為非連續(xù)的晶粒硬化層，局部的硬化薄層往往隨著非硬化區(qū)所產(chǎn)生的卷邊和切屑一同剝落。在水泵葉片沖蝕的過程中，同時也伴隨著金屬腐蝕現(xiàn)象，沖蝕是金屬材料以固體顆粒形式脫離金屬表面，腐蝕是腐蝕產(chǎn)物以離子形式脫離金屬表面，沖蝕和腐蝕所造成的材料損失量不僅僅是二者的簡單疊加，而是力學(xué)過程與化學(xué)過程協(xié)同作用并相互促進所致。
2 水泵葉輪的汽蝕與沖蝕對其性能的影響
水泵葉輪的汽蝕與沖蝕相互作用，通常會對水泵密封環(huán)等過流部件造成一定程度的磨損，隨著磨損的加劇會導(dǎo)致密封環(huán)間隙增大，水泵運行的性能逐漸下降，在單位時間能耗增加的同時水流量反而減小，水泵葉輪及過流部件會被逐漸剝蝕破壞，導(dǎo)致水泵的正常使用壽命縮短，出現(xiàn)水泵部位異響和水溫增高等故障。
2.1 發(fā)動機水泵部位異響
當(dāng)水泵葉片因空蝕磨損而出現(xiàn)蜂窩、麻面或溝槽等損傷時，水流的阻力系數(shù)會因此變大，當(dāng)汽車發(fā)動機處于某特定轉(zhuǎn)速時，水泵可能因共振等因素產(chǎn)生持續(xù)噪聲和振動，汽車發(fā)動機水泵的動力來源與發(fā)動機曲軸，位于曲軸前端的曲軸皮帶輪通過V帶驅(qū)動水泵皮帶輪，水泵皮帶輪通過法蘭盤與水泵軸聯(lián)接，水泵軸又帶動葉輪轉(zhuǎn)動，發(fā)動機曲軸作為動能輸出，實現(xiàn)將機械能轉(zhuǎn)化為液壓能，水泵葉片失效產(chǎn)生的噪音是是轉(zhuǎn)動的摩擦音，噪音可隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速的增高而加快，并發(fā)生音量大小的變化，噪音一般是隨著故障的加重程度而變得越來越明顯，從而導(dǎo)致整車NVH增加。
2.2 冷卻液水溫增高
汽車發(fā)動機的冷卻循環(huán)系統(tǒng)為水冷系統(tǒng)，即利用汽車水泵提高循環(huán)系統(tǒng)中冷卻液的壓力，強制冷卻液在汽車發(fā)動機及水箱等構(gòu)成的冷卻系統(tǒng)中循環(huán)流動，汽車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)主要由缸體水套、缸蓋水套、水泵組件、水箱散熱器、電子冷卻風(fēng)扇、節(jié)溫器等組成。汽車水泵是汽車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的心臟，一旦水泵性能下降，會導(dǎo)致冷卻系統(tǒng)內(nèi)冷卻液壓力下降且流量降低，汽車發(fā)動機工作所產(chǎn)生的熱量無法及時帶走，冷卻系統(tǒng)水溫會逐漸升高，當(dāng)水溫的波動范圍超出發(fā)動機能夠承受的程度時，如駕駛員未能及時關(guān)注水溫表的報警信息，強行駕駛車輛，可能會導(dǎo)致汽車發(fā)動機拉缸等嚴(yán)重故障，Z終造成發(fā)動機報廢。
3 防止水泵葉輪失效的措施
為了提高汽車水泵葉輪的可靠性，實現(xiàn)水泵在整車全生命周期內(nèi)耐久性能，需要針對其失效模式采取必要的措施，目前普遍采取的措施可分為兩大類，一類是選擇耐沖蝕的材料制造水泵葉輪，另一類是利用熱噴涂技術(shù)在水泵葉輪及其組件的表面制備涂層。
3.1 更改水泵葉輪的材質(zhì)
為了適應(yīng)更加嚴(yán)苛的國家油耗法規(guī)，乘用車對燃油經(jīng)濟性要求越來越高，汽車發(fā)動機普遍采用小型化和輕量化設(shè)計。為了實現(xiàn)發(fā)動機輕量化，汽車水泵殼體可采用鋁合金材料，水泵葉輪可采用工程塑料。隨著工程塑料技術(shù)不斷進步，水泵葉輪耐高溫性越來越強，葉輪強度也不斷增強。與傳統(tǒng)的金屬葉輪相比，工程塑料材質(zhì)的葉輪采用注射成型方式，可以容易地生產(chǎn)出較復(fù)雜的葉型，水泵設(shè)計可進一步優(yōu)化，葉片外形采用向后彎曲的半圓弧形狀、雙圓弧形狀或者多圓弧形狀，為提高泵水效率，葉片與水流方向一致，從而明顯提高水泵性能和效率。工程塑料材質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)決定了其耐腐蝕性能較好，非金屬塑料材質(zhì)的水泵葉輪密度低、轉(zhuǎn)動慣量較小，水泵運行時噪音低、振動小，葉輪不平衡量較小，對水泵軸承的要求也小，但缺點是機械強度較低，因此通常適用于中小型發(fā)動機。
3.2 對葉片進行預(yù)涂覆處理
熱噴涂技術(shù)已在航空航天、國防、能源、冶金及石油化工等相關(guān)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，該項技術(shù)對汽車水泵葉輪組件進行表面處理，可以有效地降低能耗、提高水泵運行效率、增加水泵使用壽命并提高可靠性。為提升水泵葉輪耐氣蝕性能，工程上可采用對水泵葉輪進行預(yù)涂覆的方法，該方法是采用粉末噴涂或聚醚型聚氨脂涂料等噴涂技術(shù)，在葉輪表面噴涂具有抗沖和抗磨損性能的非金屬材料，包括環(huán)氧金剛砂材料、復(fù)合尼龍涂料、環(huán)氧樹脂高分子材料、高分子復(fù)合材料、耐磨陶瓷等。水泵葉輪上高性能耐磨材料可有效地降低汽蝕磨損速度，可使水泵的使用壽命同比延長2倍以上。
4 結(jié)束語
汽車水泵失效模式不僅取決于水泵葉輪本身材料的耐磨性能和抗汽蝕性能，也與汽車水泵的安裝條件、車輛運行工況、水泵裝配精度、葉輪加工制造質(zhì)量等因素有一定相關(guān)性，進一步的失效模式分析，需要對這些非主要因素予以分析和研究。隨著材料科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的新材料和新技術(shù)不斷出現(xiàn)并應(yīng)用于汽車水泵，為了進一步提升汽車水泵的性能和耐久性，有必要對水泵進行更深入的研究和分析。
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來源：《科技經(jīng)濟市場》2020年1期
