刘亦晴
摘 要：汽车水泵是汽车发动机冷却系统的心脏，是汽车强制循环水冷系统动力源，一旦水泵性能下降会导致系统内冷却液压力降低和流量减少。文章列举了水泵叶轮常见的失效模式，分析了汽蚀与冲蚀对水泵性能的影响，并提出了相应的预防措施。
关键词：汽车水泵；失效模式；气蚀；磨损
汽车水泵在长期运行过程中，由于水流与水中颗粒物所构成两相流动，通常会发生汽蚀和冲蚀的相互作用，从而使汽车水泵叶轮等部件受此影响逐渐磨损，水泵的工作效率和出水量下降，水泵的单位时间能源增高，甚至使得水泵尚未达到设计使用寿命前叶轮等关键部件失效损坏。本文针对汽车水泵常见失效模式及原因，分析其对水泵性能产生的影响，对更换材料及增效防护涂层等提高水泵工作运行效率和使用寿命等预防性措施予以论述。
1 水泵叶轮常见的失效模式分析
汽蚀和冲蚀是水泵Z常见的失效模式，水泵的汽蚀和冲蚀主要集中在叶轮口环间隙、叶轮进口和叶轮出口等处，其失效状态通常为区域性蜂窝状凹坑或鱼鳞状坑，严重的还会产生水泵叶片局部穿孔，使水泵的实际使用寿命大幅缩短，水泵的工作性能指标降低，通常情况下使得水泵出口流量降低约30%左右，工作效率也会相应降低20%-30%之间。水泵叶片的位置不同失效程度有较大区别，入水侧叶片前缘根部损坏相对较轻，前缘向叶片端面方向相对较为严重，叶片入水侧沟槽呈鱼鳞形状的破损坑，出口处叶片背面呈较深的鱼鳞状花纹，叶片的边缘呈现形状不规则的刀刃状缺口。
1.1 水泵叶轮气蚀
气蚀是在水流压力变化情况下，水泵叶片表面与气体接触所导致的洞穴状破坏现象。当汽车水泵處于正常运转状态时，水压从水泵入口位置至叶轮入口位置逐渐降低，当水的压力低于饱和蒸汽压力时，液体发生汽化现象，便会形成许多微小的气泡，这些微小的气泡在低压区中积累，并且随着水流到达水泵高压区。气蚀通常发生的位置在水泵叶片叶端的高速减压区，微小的气泡高压区在压力作用下破裂并产生较大的冲击压力，从而破坏了金属表面的保护膜，使得叶片的腐蚀速度加快，气蚀的特征是在叶片金属表面形成多个细小的麻点，麻点逐渐扩大Z终形成洞穴。气蚀包括气泡形成、增大、破裂及对水泵叶轮材料表面侵蚀的过程蚀，水泵低压区形成的气泡在水泵高压区破裂时通常对表面产生较大的冲击力，汽蚀现象可瞬间产生高达数百至数千个大气压的冲击应力，冲击应力以高频打击水泵叶片金属表面，使水泵叶轮的显微裂纹逐渐发展成为疲劳裂纹，疲劳裂纹的扩展会进一步造成金属晶粒脱落，在水泵叶片表面形成早期的麻点形状的汽蚀坑。气蚀过程通常会作用在水泵叶片背面的负压区内，并且还会波及到水泵叶片出口位置，经过持续不断的汽蚀作用，所造成的叶片失效特征形状为麻面、蜂窝状和孔洞状汽蚀区。水泵叶片金属表层的显微裂纹主要是由金属材料本身的缺陷、冲击和颗粒物刺入等所产生的，汽蚀过程中气泡破裂的能量传递给水中微小颗粒物，使颗粒物以一定的角度冲击水泵叶片，进入汽蚀坑的颗粒物会对已经形成的汽蚀坑形成往复式破坏，这就导致汽蚀坑进一步扩大并合并，气蚀坑壁在显微切削的作用下变得光滑，当多个临近的汽蚀坑发生交错时，会形成刀刃状的气蚀坑。
1.2 水泵叶轮磨损
冲蚀磨损是水泵叶片失效的另外一种模式，冲蚀是指水泵叶片受到水中小而松散的颗粒物冲击时，在水泵叶片表面出现破坏的磨损现象，可以理解为金属表面与含有固体颗粒物的水流接触并在相对运动下所产生的磨损。因为冲蚀是水中的微小颗粒物在水泵叶片表面摩擦作用的结果，所以冲蚀通常发生在水泵叶片迎流面侧，颗粒物在叶片表面高速摩擦，导致水泵叶片金属表面颗粒层被沙粒磨削，在长时间反复磨削过程后水泵叶片表面产生破坏。此外，含颗粒物水流在水泵叶片表面高速冲击会形成局部漩涡区，在长时间的持续作用下，水泵叶片形成凹凸不平的表面，由于部分水流中颗粒物尖角与水泵叶片表面发生接触，冲击力相同的情况下对叶片表面的压强更大，在与局部汽蚀共同作用的过程中，导致水泵叶片表面产生局部微小的塑性形变，当形变达到金属材料塑性极限强度时产生水泵叶片冲蚀。冲蚀通常会形成鱼鳞形状的沟槽腐蚀，是水泵叶片表面与水流之间因较高速度相对运动而导致的金属失效。冲蚀是一种危害性较大的失效模式，尤其是在水流中颗粒物较多的情况下，在两相流中破坏更加严重，其结果是大幅度缩短汽车水泵的使用寿命。
汽车水泵工作运转时，有尖角的颗粒物会对水泵叶片产生微切削作用，非尖角形颗粒物则对水泵叶片产生挤压和犁削作用，通常情况下尖角型颗粒物的切削作用比非尖角形颗粒物的犁削作用破坏性更强，颗粒物的微切削作用使水泵叶片晶粒表面产生碎屑，而挤压和犁削则将水泵叶片晶粒表层材料挤出并卷边，卷边在持续的切削、挤压和犁削作用下不断剥落。切削、挤压和犁削同时会使水泵叶片表面局部产生晶粒硬化薄层，硬化薄层一定程度上会使磨削速率下降，但由于水泵叶片表面为非连续的晶粒硬化层，局部的硬化薄层往往随着非硬化区所产生的卷边和切屑一同剥落。在水泵叶片冲蚀的过程中，同时也伴随着金属腐蚀现象，冲蚀是金属材料以固体颗粒形式脱离金属表面，腐蚀是腐蚀产物以离子形式脱离金属表面，冲蚀和腐蚀所造成的材料损失量不仅仅是二者的简单叠加，而是力学过程与化学过程协同作用并相互促进所致。
2 水泵叶轮的汽蚀与冲蚀对其性能的影响
水泵叶轮的汽蚀与冲蚀相互作用，通常会对水泵密封环等过流部件造成一定程度的磨损，随着磨损的加剧会导致密封环间隙增大，水泵运行的性能逐渐下降，在单位时间能耗增加的同时水流量反而减小，水泵叶轮及过流部件会被逐渐剥蚀破坏，导致水泵的正常使用寿命缩短，出现水泵部位异响和水温增高等故障。
2.1 发动机水泵部位异响
当水泵叶片因空蚀磨损而出现蜂窝、麻面或沟槽等损伤时，水流的阻力系数会因此变大，当汽车发动机处于某特定转速时，水泵可能因共振等因素产生持续噪声和振动，汽车发动机水泵的动力来源与发动机曲轴，位于曲轴前端的曲轴皮带轮通过V带驱动水泵皮带轮，水泵皮带轮通过法兰盘与水泵轴联接，水泵轴又带动叶轮转动，发动机曲轴作为动能输出，实现将机械能转化为液压能，水泵叶片失效产生的噪音是是转动的摩擦音，噪音可随发动机转速的增高而加快，并发生音量大小的变化，噪音一般是随着故障的加重程度而变得越来越明显，从而导致整车NVH增加。
2.2 冷却液水温增高
汽车发动机的冷却循环系统为水冷系统，即利用汽车水泵提高循环系统中冷却液的压力，强制冷却液在汽车发动机及水箱等构成的冷却系统中循环流动，汽车发动机冷却系统主要由缸体水套、缸盖水套、水泵组件、水箱散热器、电子冷却风扇、节温器等组成。汽车水泵是汽车发动机冷却系统的心脏，一旦水泵性能下降，会导致冷却系统内冷却液压力下降且流量降低，汽车发动机工作所产生的热量无法及时带走，冷却系统水温会逐渐升高，当水温的波动范围超出发动机能够承受的程度时，如驾驶员未能及时关注水温表的报警信息，强行驾驶车辆，可能会导致汽车发动机拉缸等严重故障，Z终造成发动机报废。
3 防止水泵叶轮失效的措施
为了提高汽车水泵叶轮的可靠性，实现水泵在整车全生命周期内耐久性能，需要针对其失效模式采取必要的措施，目前普遍采取的措施可分为两大类，一类是选择耐冲蚀的材料制造水泵叶轮，另一类是利用热喷涂技术在水泵叶轮及其组件的表面制备涂层。
3.1 更改水泵叶轮的材质
为了适应更加严苛的国家油耗法规，乘用车对燃油经济性要求越来越高，汽车发动机普遍采用小型化和轻量化设计。为了实现发动机轻量化，汽车水泵壳体可采用铝合金材料，水泵叶轮可采用工程塑料。随着工程塑料技术不断进步，水泵叶轮耐高温性越来越强，叶轮强度也不断增强。与传统的金属叶轮相比，工程塑料材质的叶轮采用注射成型方式，可以容易地生产出较复杂的叶型，水泵设计可进一步优化，叶片外形采用向后弯曲的半圆弧形状、双圆弧形状或者多圆弧形状，为提高泵水效率，叶片与水流方向一致，从而明显提高水泵性能和效率。工程塑料材质的化学性质决定了其耐腐蚀性能较好，非金属塑料材质的水泵叶轮密度低、转动惯量较小，水泵运行时噪音低、振动小，叶轮不平衡量较小，对水泵轴承的要求也小，但缺点是机械强度较低，因此通常适用于中小型发动机。
3.2 对叶片进行预涂覆处理
热喷涂技术已在航空航天、国防、能源、冶金及石油化工等相关领域广泛应用，该项技术对汽车水泵叶轮组件进行表面处理，可以有效地降低能耗、提高水泵运行效率、增加水泵使用寿命并提高可靠性。为提升水泵叶轮耐气蚀性能，工程上可采用对水泵叶轮进行预涂覆的方法，该方法是采用粉末喷涂或聚醚型聚氨脂涂料等喷涂技术，在叶轮表面喷涂具有抗冲和抗磨损性能的非金属材料，包括环氧金刚砂材料、复合尼龙涂料、环氧树脂高分子材料、高分子复合材料、耐磨陶瓷等。水泵叶轮上高性能耐磨材料可有效地降低汽蚀磨损速度，可使水泵的使用寿命同比延长2倍以上。
4 结束语
汽车水泵失效模式不仅取決于水泵叶轮本身材料的耐磨性能和抗汽蚀性能，也与汽车水泵的安装条件、车辆运行工况、水泵装配精度、叶轮加工制造质量等因素有一定相关性，进一步的失效模式分析，需要对这些非主要因素予以分析和研究。随着材料科学技术的不断发展，越来越多的新材料和新技术不断出现并应用于汽车水泵，为了进一步提升汽车水泵的性能和耐久性，有必要对水泵进行更深入的研究和分析。
参考文献：
[1]曾莉，吴晨.离心式水泵的常见故障及维修策略探讨[J].中国高新技术企业，2016（12）.
[2]胡建桥，郭建博.大型高扬程泵站叶轮的汽蚀磨损与修复[J].陇东学院学报，2016（01）.
[3]张印，张雷.聚氨酯弹性体在固海扬黄水泵叶轮磨蚀防护中的应[J].水泵技术，2017（04）.
[4]周勇进.水泵叶轮改造在循环水系统的应用[J].变频器世界，2017（05）.
[5]栗杰.水泵叶轮切削的能效分析与应用[J].中国设备工程，2019（05）.
来源：《科技经济市场》2020年1期
