劉亦晴
摘 要：汽車水泵是汽車發動機冷卻系統的心臟，是汽車強制循環水冷系統動力源，一旦水泵性能下降會導致系統內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，并提出了相應的預防措施。
關鍵詞：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成兩相流動，通常會發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到設計使用壽命前葉輪等關鍵部件失效損壞。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間隙、葉輪進口和葉輪出口等處，其失效狀態通常為區域性蜂窩狀凹坑或魚鱗狀坑，嚴重的還會產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，工作效率也會相應降低20%-30%之間。水泵葉片的位置不同失效程度有較大區別，入水側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重，葉片入水側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，葉片的邊緣呈現形狀不規則的刀刃狀缺口。
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致的洞穴狀破壞現象。當汽車水泵處于正常運轉狀態時，水壓從水泵入口位置至葉輪入口位置逐漸降低，當水的壓力低于飽和蒸汽壓力時，液體發生汽化現象，便會形成許多微小的氣泡，這些微小的氣泡在低壓區中積累，并且隨著水流到達水泵高壓區。氣蝕通常發生的位置在水泵葉片葉端的高速減壓區，微小的氣泡高壓區在壓力作用下破裂并產生較大的沖擊壓力，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，水泵低壓區形成的氣泡在水泵高壓區破裂時通常對表面產生較大的沖擊力，汽蝕現象可瞬間產生高達數百至數千個大氣壓的沖擊應力，沖擊應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壓區內，并且還會波及到水泵葉片出口位置，經過持續不斷的汽蝕作用，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。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形成的汽蝕坑形成往復式破壞，這就導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，當多個臨近的汽蝕坑發生交錯時，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破壞的磨損現象，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果，所以沖蝕通常發生在水泵葉片迎流面側，顆粒物在葉片表面高速摩擦，導致水泵葉片金屬表面顆粒層被沙粒磨削，在長時間反復磨削過程后水泵葉片表面產生破壞。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，在長時間的持續作用下，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，導致水泵葉片表面產生局部微小的塑性形變，當形變達到金屬材料塑性極限強度時產生水泵葉片沖蝕。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重，其結果是大幅度縮短汽車水泵的使用壽命。
汽車水泵工作運轉時，有尖角的顆粒物會對水泵葉片產生微切削作用，非尖角形顆粒物則對水泵葉片產生擠壓和犁削作用，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的晶粒硬化層，局部的硬化薄層往往隨著非硬化區所產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，而是力學過程與化學過程協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等過流部件造成一定程度的磨損，隨著磨損的加劇會導致密封環間隙增大，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，導致水泵的正常使用壽命縮短，出現水泵部位異響和水溫增高等故障。
2.1 發動機水泵部位異響
當水泵葉片因空蝕磨損而出現蜂窩、麻面或溝槽等損傷時，水流的阻力系數會因此變大，當汽車發動機處于某特定轉速時，水泵可能因共振等因素產生持續噪聲和振動，汽車發動機水泵的動力來源與發動機曲軸，位于曲軸前端的曲軸皮帶輪通過V帶驅動水泵皮帶輪，水泵皮帶輪通過法蘭盤與水泵軸聯接，水泵軸又帶動葉輪轉動，發動機曲軸作為動能輸出，實現將機械能轉化為液壓能，水泵葉片失效產生的噪音是是轉動的摩擦音，噪音可隨發動機轉速的增高而加快，并發生音量大小的變化，噪音一般是隨著故障的加重程度而變得越來越明顯，從而導致整車NVH增加。
2.2 冷卻液水溫增高
汽車發動機的冷卻循環系統為水冷系統，即利用汽車水泵提高循環系統中冷卻液的壓力，強制冷卻液在汽車發動機及水箱等構成的冷卻系統中循環流動，汽車發動機冷卻系統主要由缸體水套、缸蓋水套、水泵組件、水箱散熱器、電子冷卻風扇、節溫器等組成。汽車水泵是汽車發動機冷卻系統的心臟，一旦水泵性能下降，會導致冷卻系統內冷卻液壓力下降且流量降低，汽車發動機工作所產生的熱量無法及時帶走，冷卻系統水溫會逐漸升高，當水溫的波動范圍超出發動機能夠承受的程度時，如駕駛員未能及時關注水溫表的報警信息，強行駕駛車輛，可能會導致汽車發動機拉缸等嚴重故障，Z終造成發動機報廢。
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，實現水泵在整車全生命周期內耐久性能，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
為了適應更加嚴苛的國家油耗法規，乘用車對燃油經濟性要求越來越高，汽車發動機普遍采用小型化和輕量化設計。為了實現發動機輕量化，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。與傳統的金屬葉輪相比，工程塑料材質的葉輪采用注射成型方式，可以容易地生產出較復雜的葉型，水泵設計可進一步優化，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。工程塑料材質的化學性質決定了其耐腐蝕性能較好，非金屬塑料材質的水泵葉輪密度低、轉動慣量較小，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動機。
3.2 對葉片進行預涂覆處理
熱噴涂技術已在航空航天、國防、能源、冶金及石油化工等相關領域廣泛應用，該項技術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，在葉輪表面噴涂具有抗沖和抗磨損性能的非金屬材料，包括環氧金剛砂材料、復合尼龍涂料、環氧樹脂高分子材料、高分子復合材料、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、葉輪加工制造質量等因素有一定相關性，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。隨著材料科學技術的不斷發展，越來越多的新材料和新技術不斷出現并應用于汽車水泵，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：《科技經濟市場》2020年1期
