发动机用离心式水泵机械密封方法研究

张群坡+赵贵红+曾振宇+许星星

摘 要：本文介绍了发动机用离心式水泵机械密封方法研究的过程和结果。研究结果表明：汽蚀是造成机械密封发生干摩擦的重要原因之一；因此研究了一种降低汽蚀对水泵机械密封发生干摩擦的设计方法，通过样机水泵测温试验，验证了该设计方法能够有效地降低机械密封干摩擦的发生，即大大地降低水泵工作中产生汽蚀的可能性。

关键词：离心式水泵；机械密封；干摩擦；汽蚀；方法研究

中图分类号：U464 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2017）05-0025-05

Study on Mechanical Seal of Centrifugal Pump for Engine

ZHANG Qun-po， ZHAO Gui-hong， ZENG Zhen-yu， XU Xing-xing

（ Dongfeng Motor Pump Co. Ltd.， Shiyan442000， China ）

Abstract： This paper introduces the process and results of the study on the mechanical seal of centrifugal pump for engine. The research results show that the cavitation is one of the important reasons for the mechanical seal dry friction occurs； therefore a design method for reducing the dry friction of cavitation pump mechanical seal is studied。Through the test of pump temperature， prove that the design method can effectively reduce the mechanical friction of the seal， which greatly reduce the possibility of in the work of water pump cavitation.

Key Words： centrifugal pump； mechanical seal； dry friction； cavitation； method research

离心式水泵的机械密封，俗称水封，因其被装配后，泄露量小，寿命长，阻力小，功耗少等优点，在汽车发动机用离心式水泵中被广泛采用，并成為水泵的核心部件之一。

近年来，随着发动机冷却能力要求的提升、结构轻量化的需要和更耐磨的SIC-SIC机械密封的推广，汽车发动机用离心式水泵的性能和使用转速逐步升高，结构更趋紧凑化。该趋势直接使离心式水泵内部机械密封的运行环境恶化，出现机械密封发生干摩擦的故障增多。因此，各汽车发动机制造厂为了减少汽车制造厂和终端用户的抱怨，都在努力研究离心式水泵机械密封方法。

本文介绍了发动机用离心式水泵机械密封方法研究的过程和结果。

1 机械密封失效分析

本文以一款典型的离心式水泵机械密封发生干摩擦的故障为例，进行原因分析。

为了满足汽车制造厂和汽车市场的要求，某款车用发动机需要大幅度提升离心式水泵的冷却能力。由于受发动机结构限制，在水泵的叶轮等过流部件不能更改的情况下，直接将水泵的额定转速由5000rpm提升至6000rpm（转速增加20%），提高水泵的流量，实现了发动机冷却能力的大幅度提升。

于是，大流量水泵（6000rpm）样件参加了发动机的高速可靠性试验，水泵样件在发动机上运行600多小时后，发生漏水失效；该水泵试验样件上装配了J公司的机械密封样件。然后，在另一个水泵样件上装配了K公司的机械密封样件，搭载相同的发动机高速可靠性试验，运行300多小时后，也发生了同样的泄漏故障，即机械密封失效。

因此，对J公司的机械密封失效件和K公司的机械密封失效件进行拆解和分析，结论如下：

（1）两种水泵漏水故障模式相同，均为机械密封动环内部密封作用的橡胶元器件因热过载，熔融失效，导致了水泵泄漏失效，如图1所示：

（2）机械密封发生干摩擦，摩擦热往往会使静环与动环之间的液膜蒸发而使摩擦副的最佳润滑状态遭到破坏，发生急剧磨耗 [1]，造成机械密封内部密封橡胶热过载熔融失效，水泵发生泄漏故障，如图2所示。

（3）机械密封运行中因水泵内部发生汽蚀（或冷却系统管道中存有气体），造成汽体（或气体）围绕在水封周围，阻断了冷却液进入机械密封动静环片间隙中进行润滑冷却。因为转速是离心泵性能参数中较重要的参数之一，他的提高将直接影响到其他几个重要参数的明显改变，甚至涉及到离心泵抗汽蚀性能的变化[2]。

2 干摩擦原因分析

针对上述机械密封失效分析结论，本文对水泵中的机械密封与干摩擦原因进行进一步分析，详述如下。

2.1 机械密封关键参数分析

理论上，机械密封内部润滑膜的形成质量与端面的粗糙度、比压、相对滑移速度等有着密切关系[3]，如表1所示，两种机械密封的关键参数值及推荐值[4]。

由表1可知，两款机械密封的粗糙度、比压、相对滑移速度及PV值等均在推荐范围内；K公司机械密封的关键参数值均比J公司大，可能是造成K公司机械密封在试验中故障发生时间略短的因素之一。

同时，汽蚀状态影响机械密封润滑膜的有无。因为离心式水泵转速升高，泵内流体流速也

增加，会直接导致泵内局部压力降低，造成水泵抗汽蚀能力降低[4]等危害，水泵的关键参数如表2所示：endprint

由表2可知，转速提升到6000rpm后，水泵在进口压力10kPa左右时发生汽蚀，抗汽蚀能力降低，因此可以确认汽蚀是水泵故障的根本原因。

另外，额定转速5000rpm的水泵在汽车发动机市场上占有率较大，未发生过该类型故障；结合表2的数据，可以认为冷却系统中存在气体导致干摩擦的可能性几乎为零。

2.2 机械密封试验分析

根据上述分析，进行了一项机械密封失效模拟试验，期望通过试验，观察机械密封在工作过程中动静环片温度升高的过程以及汽蚀现象。

试验设备：特制机械密封，该机械密封的静环内装有嵌入式热敏电阻，如图3所示；数据记录仪，记录频率，1次/秒。

试验条件：冷却液温度100℃，水泵转速6000rpm，流量253L/min；稳定后逐步降低水泵进口压力，迫使水泵发生汽蚀。

试验结果如图4和图5所示：

由图可知，随着水泵进口压力的降低，水泵的流量逐渐减少，在水泵进口压力在-8～0kPa时，观察到水泵发生严重汽蚀，机械密封动静环表面产生高温，并大幅度超过冷却液的沸点温度110℃。

通过该试验，证明了在未发生汽蚀状态下，J和K公司的机械密封能正常工作，满足技术要求；而在水泵发生汽蚀状态下，两公司的机械密封动静环发生干摩擦或干湿交变导致温度急剧上升，并将温度进一步传递给机械密封内部橡胶密封件。

另外，水泵提速到6000rpm后，抗汽蚀性能降低，在发动机工作过程中，水泵一直处于汽蚀状态，如图6所示，机械密封周围水泵壳体表面被汽蚀后表面油漆明显脱落的现状，而远离机械密封的泵体圆周并无此现象。

3 机械密封方法研究

根据上述试验结果，确定了该机械密封失效故障是水泵转速上升后抗汽蚀能力降低造成的。为此，本文进行了改善机械密封的方法研究。

3.1 消除汽蚀的结构设计

本文通过优化水泵结构设计，提升水泵的抗汽蚀能力。如图7所示，在原水泵水封周围的泵體上添加了3条曲型导流筋，曲型导流筋方向与叶轮旋转方向相同，并与水封动静环接触面直径相切；理论上可以通过阻断圆周流向的冷却液，降低水流速度，提升局部冷却液压力，降低汽蚀发生的速度；甚至消除同时还能将水泵内冷却液强制导向机械密封的摩擦面，进行主动冷却，这种主动性强制冷却为机械密封内部水膜的形成提供了源源不断的水源，增强了机械密封动静环片的冷却能力，可靠的润滑液膜，并及时将产生的摩擦热传导出去[5]。

3.2 消除汽蚀的试验验证

将上述消除汽蚀的结构设计制成水泵样件，进行机械密封失效模拟试验，试验结果如图8和图9所示。由图可知，两款机械密封始终未出现异常的高温情况，即最高温度低于106℃，满足机械密封的温度不高于进口水温6℃的技术要求，同时两款机械密封的工作温度均未超过冷却液沸点110℃。

3.3 发动机台架可靠性试验

将消除汽蚀结构设计的水泵样件装配到发动机上，参加了发动机高速可靠性试验，水泵的转速达到了6800rpm，试验时长1000小时。试验结束后，测试水泵总成样件，各项指标均满足技术要求；然后拆解水泵样件，经拆解分析，水泵机械密封完好，机械密封内部橡胶未发现熔融、变形等痕迹，顺利通过发动机台架可靠性试验，技术上具备了水泵商品化的基本条件。

4 结论

（1）在离心式水泵机械密封周边泵体上添加曲型导流筋，可以提高水泵的抗汽蚀能力。

（2）离心式水泵机械密封动静环片发生干摩擦是水泵漏水失效的重要原因之一。

（3）汽蚀是引起离心式水泵机械密封动静环片发生干摩擦的根本原因。

参考文献：

[1] 沈钧华. 机械密封端面摩擦热量计算公式之探讨， 《化工设备与管道》， 1975（1）：45-48.

[2] 徐玉朋.转速提高对离心泵其他性能参数的影响， 《石油库与加油站》， 1999（4）：31-33.

[3] 魏龙等， 机械密封端面摩擦机制与摩擦状态[J]. 润滑与密封， 2008（6）：39-42.

[4] 关醒凡. 现代泵理论与设计[M]， 北京：中国宇航出版社， 2011.

[5] 孙见君等. 机械密封端面磨损的失效评述及其研究方向[J]. 化学工业与工程技术， 1998（4）： 15-19.endprint