（一汽解放公司無錫柴油機(jī)廠，無錫214026）

提高81D柴油機(jī)水泵軸連軸承可靠性研究

徐金生
（一汽解放公司無錫柴油機(jī)廠，無錫214026）

針對81D柴油機(jī)水泵選用與29D柴油機(jī)水泵同型號軸連軸承用戶中發(fā)生軸連軸承早期磨損漏水問題，通過借鑒36D柴油機(jī)水泵選用29D柴油機(jī)水泵軸連軸承用戶故障率高的改進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，展開對29D、36D及81D水泵軸連軸承的理論壽命進(jìn)行校核，改進(jìn)水泵軸連軸承設(shè)計(jì)并通過臺(tái)架試驗(yàn)及用戶驗(yàn)證，解決了81D水泵軸連軸承早期磨損漏水問題。

柴油機(jī)水泵軸連軸承理論壽命實(shí)際壽命

1 引言

81D柴油機(jī)是一汽集團(tuán)繼29D、36D后又一個(gè)成功開發(fā)的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的民族品牌、高端動(dòng)力柴油機(jī)，自投放市場以來，一直處于旺銷狀態(tài)。但在小批投放初期，曾出現(xiàn)過水泵軸連軸承早期磨損、漏水等異常問題，對產(chǎn)品質(zhì)量造成了一定的影響。

本文介紹了此問題的解決方法和途徑，通過故障件分析，并借鑒36D柴油機(jī)水泵選用29D柴油機(jī)水泵軸連軸承用戶故障率高的改進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，展開對29D、36D及81D水泵軸連軸承的理論壽命的校核，改進(jìn)水泵軸連軸承設(shè)計(jì)并通過臺(tái)架試驗(yàn)及用戶驗(yàn)證，最終解決了81D水泵軸連軸承早期磨損漏水問題。

2 水泵故障問題描述

首先，對從用戶處返回的故障水泵進(jìn)行拆檢分析。轉(zhuǎn)動(dòng)水泵軸承時(shí)，感覺軸承松動(dòng)，軸承外殼由于受熱變黑，軸向、徑向游隙超常，油脂發(fā)黑，滾針表面磨損，以上癥狀均體現(xiàn)了此軸連軸承是早期的磨損故障，參見圖1。

3 81D水泵工作原理

81D柴油機(jī)傳動(dòng)輪系由曲軸皮帶輪通過多楔皮帶、自動(dòng)漲緊輪機(jī)構(gòu)（張緊輪、楔惰輪、平惰輪）帶動(dòng)整個(gè)輪系旋轉(zhuǎn)，見圖2。在傳動(dòng)過程中水泵皮帶輪通過法蘭連接帶動(dòng)軸連軸承旋轉(zhuǎn)，從而驅(qū)動(dòng)與水泵軸連軸承連在一起的葉輪旋轉(zhuǎn)，完成水泵的吸水、壓水工作，81D水泵結(jié)構(gòu)見圖3。

圖1 故障件

圖2 81D柴油機(jī)前端輪系圖

圖3 81D水泵結(jié)構(gòu)及受力位置圖

4 對標(biāo)分析與設(shè)計(jì)改進(jìn)

4.1 81D與29D水泵軸連軸承主要差別

因81D柴油機(jī)水泵軸連軸承的設(shè)計(jì)采用與29D柴油機(jī)相同的結(jié)構(gòu)，在此對兩者水泵主要參數(shù)的分析，并對軸承的整體壽命進(jìn)行理論校核，尋找問題根源，提出改進(jìn)對策。81D柴油機(jī)與29D柴油機(jī)水泵軸連軸承主要設(shè)計(jì)參數(shù)對見表1。

表1 81D柴油機(jī)和29D柴油機(jī)水泵軸連軸承主要設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)受力傳遞原理，可以把軸連軸承從水泵的整體分離出來，作用在水泵上的力可以簡化到軸連軸承上。軸連軸承的受力可以簡化為軸連軸承滾子和鋼球的受力，參見圖4。

圖4 軸連軸承的受力圖

圖中，

Fr——軸連軸承設(shè)計(jì)載荷；

Fr1——軸連軸承鋼球受力；

Fr2——軸連軸承滾子受力；

L0——皮帶輪槽的幾何位置中心到軸連軸承外圈端面距離；

L1——滾子中心到軸連軸承外圈端面距離；

L2——滾子中心到鋼球中心距離。

4.2 81D柴油機(jī)水泵的原設(shè)計(jì)壽命校核

4.2.1 受力計(jì)算[1]

（1）皮帶張力計(jì)算值

考慮預(yù)緊力修正值42 N，取系數(shù)1.2則：

（2）作用在軸上力

式中，

Kr——皮帶契合系數(shù)；

Ft——有效圓周力；

FQ——作用在軸上力；

α——皮帶包角；

Z——皮帶根數(shù)。

對于帶傳動(dòng)，有效圓周力為皮帶張緊力即，F(xiàn)t=F張，則有

取負(fù)荷系數(shù)為2，可得到軸連軸承設(shè)計(jì)載荷

（3）、計(jì)算Fr1、Fr2

由杠桿原理得：

通過對調(diào)查樣本數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和計(jì)算后得出，我國畜牧業(yè)機(jī)械化水平在規(guī)?；曫B(yǎng)和散養(yǎng)條件下分別達(dá)到59.41%和42.22%。其中，10頭以上奶牛、100頭以上肉牛、500頭以上生豬、2 000只以上蛋禽、10 000只以上肉禽規(guī)?；曫B(yǎng)機(jī)械化水平分別為60.45%，46.54%，62.07%，44.84%，78.62%。4頭以下奶牛、50頭以下肉牛、50頭以下生豬、2 000只以下蛋禽和10 000只以下肉禽散養(yǎng)機(jī)械化水平分別為57.22%，28.10%，37.71%，29.90%，47.05%，詳見表3。

由水泵和軸連軸承結(jié)構(gòu)得知：L0=-12.44mm，L1=12.55 mm，L2=31.45mm。將L0、L1、L2代入上面兩個(gè)公式中，可計(jì)算得到

Fr1=10.57(N)

Fr2=3 033(N)

由以上計(jì)算結(jié)果可以看出滾子端為危險(xiǎn)位置，所以主要考慮對滾子的承載壽命進(jìn)行計(jì)算。

4.2.2 承載壽命計(jì)算[2,3]

單列滾動(dòng)體的壽命：轉(zhuǎn)速為超速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的1.2倍額定轉(zhuǎn)速。軸連軸承套圈長度為56 mm，軸徑為25 mm。

軸連軸承柱端為8個(gè)直徑為9.5 mm、長度為14 mm的圓柱滾子組成。其基本額定載荷為Cr=36.5 kN。當(dāng)量動(dòng)載荷為P=fdFr2=3.64 kN（fd——?jiǎng)虞d荷系數(shù)，取1.2），法蘭端壽命為

（2）葉輪端壽命計(jì)算

軸連軸承球端為5個(gè)直徑為12.7 mm鋼球組成。其基本額定載荷為Cr=18.0 kN，則當(dāng)量動(dòng)載荷為P=fdFr1=12.68 N(fd——?jiǎng)虞d荷系數(shù)，取1.2)，葉輪端壽命為

（3）組合軸連軸承整體壽命為

組合系數(shù)：單列滾子時(shí)為10/9，單列球?yàn)?/8，組合后整體為

（10/9+9/8）/2=1.1181

（a）軸連軸承整體法蘭端壽命為

（b）軸連軸承整體葉輪端壽命為

（c）軸連軸承整體壽命為

（d）軸連軸承整體的額定壽命為

按同樣的計(jì)算方法，對29D柴油機(jī)、36D柴油機(jī)及81D柴油機(jī)（改進(jìn)后）的水泵軸連軸承的理論壽命進(jìn)行計(jì)算，統(tǒng)計(jì)對比結(jié)果見表2。

表2 水泵軸連軸承理論壽命統(tǒng)計(jì)對比表

從以上對比表可以看出，改進(jìn)后的36D與81D軸連軸承型號為WR3258*62.5，與29D軸連軸承WR2552*56相比：皮帶輪軸頸由Φ25 mm增粗至Φ32 mm，軸連軸承外徑由Φ52 mm增大至Φ58 mm，軸連軸承套圈長度由56 mm增長至62.5 mm。改進(jìn)前81D柴油機(jī)水泵軸連軸承理論壽命為10 751 h，改進(jìn)后理論壽命達(dá)到31 050 h，提高了189%。

（3）效果分析

2009年市場共反饋29D柴油機(jī)水泵軸連軸承故障68件，共計(jì)故障里程240.7萬km，平均故障里程3.54萬km，遠(yuǎn)小于我廠10萬km的保修里程。按車輛行駛車速80 km/h計(jì)算，3.49萬km僅合442 h左右，而其理論壽命應(yīng)為3 117 h，故障件的平均實(shí)際壽命僅為理論壽命的14.19%。由于81D柴油機(jī)的水泵軸連軸承結(jié)構(gòu)與29D柴油機(jī)的類似，理論上將也會(huì)出現(xiàn)同樣的問題?，F(xiàn)將改進(jìn)后81D柴油機(jī)的水泵軸連軸實(shí)際壽命按理論壽命的14%計(jì)算，實(shí)際壽命將達(dá)到4 350小時(shí)，合計(jì)34.8萬km（按車速80 km/h計(jì)算），已超過我廠發(fā)動(dòng)機(jī)10萬公里保修里程。所以，改進(jìn)后的水泵將大大降低因軸連軸承引起的失效問題。

5 可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證

5.1 水泵耐久試驗(yàn)

為了保證改進(jìn)設(shè)計(jì)后的水泵符合設(shè)計(jì)要求，并驗(yàn)證改進(jìn)后的實(shí)際效果，針對81D柴油機(jī)水泵采用改進(jìn)后的軸連軸承，2009年6月9日開始在河南省西峽汽車水泵股份有限公司中心試驗(yàn)室對該水泵總成的可靠性進(jìn)行了耐久試驗(yàn)，于2009年7月25日結(jié)束，整個(gè)試驗(yàn)共運(yùn)行了1 011 h。試驗(yàn)過程中水泵運(yùn)行正常，泄水孔處無漏水，其它各結(jié)合面也無滲、漏水現(xiàn)象；手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)水泵總成，無卡滯、無異響等現(xiàn)象，符合圖紙技術(shù)條件。按照試驗(yàn)規(guī)定對試驗(yàn)后的水泵進(jìn)行拆檢：

（1）轉(zhuǎn)動(dòng)軸連軸承無卡滯、無異響，無漏脂；軸連軸承外圈表面正常，滾道正常，滾動(dòng)體正常，保持架無老化，參見圖5和圖6。

（2）水封動(dòng)、靜環(huán)摩擦面有磨損現(xiàn)象，動(dòng)環(huán)墊無老化，波紋管正常，無漏水，見圖7。

（3）葉輪、法蘭等其他部件無老化、變形、裂紋等不正?，F(xiàn)象，如圖8、圖9所示。

5.2 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證

圖5 軸連軸承總成

圖6 軸連軸承零件

圖7 水封

為了保證改進(jìn)后的水泵在整機(jī)上的可靠性，滿足柴油機(jī)的可靠性及性能要求，一汽錫柴研發(fā)部又于2009年8月對改進(jìn)后的81D柴油機(jī)水泵總成在柴油機(jī)臺(tái)架上進(jìn)行了2 000 h的可靠性試驗(yàn)，到2009年10月結(jié)束時(shí)未發(fā)生任何水泵故障，水泵拆檢也完全正常。試驗(yàn)過程表明，改進(jìn)后的81D水泵總成相對于改進(jìn)前的水泵總成穩(wěn)定性和可靠性上都有大幅提高，水泵總成各部件通過可靠性驗(yàn)證。

圖8 葉輪

圖9 法蘭

6 結(jié)論

改進(jìn)后的81D柴油機(jī)水泵采用了WR3258*62. 5軸連軸承，理論壽命達(dá)到了31 069 h，比改進(jìn)前采用WR2552*56軸連軸承提高了189%，比改進(jìn)后的36D柴油機(jī)水泵采用的WR3258*62.5軸連軸承的理論壽命14 257 h也提高了1倍多。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，2009年36D柴油機(jī)共生產(chǎn)了20 906臺(tái)，市場尚未發(fā)現(xiàn)改進(jìn)后水泵軸連軸承發(fā)生故障?？梢姡?6D柴油機(jī)水泵軸連軸承的改進(jìn)取得理想的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效果。同樣，改進(jìn)后的81D柴油機(jī)水泵自2009年12月裝機(jī)驗(yàn)證以來，已經(jīng)批量投放市場2萬多臺(tái)，至今未發(fā)生軸連軸承失效故障，解決了因水泵軸連軸承松曠引起的水封漏水問題。

此問題的解決，為以后其他機(jī)型可能出現(xiàn)的水泵軸連軸承早期磨損漏水問題提供了一種可具借鑒的寶貴經(jīng)驗(yàn)。

1徐灝．機(jī)械設(shè)計(jì)手冊（第三冊）[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1991．

2徐灝．機(jī)械設(shè)計(jì)手冊（第四冊）[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1991．

3全國滾動(dòng)軸承標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)．GB/T6391－2003/ISO 281:1990標(biāo)準(zhǔn)滾動(dòng)軸連軸承額定動(dòng)載荷和額定壽命[S]．

Study on Improvement of 81D Diesel Engine Water Pump Shaft Bearing Reliability

Xu Jinsheng
（Wuxi Dlesel Engine Worke,Jiefang Automobile Co.Ltd.,Wuxi 214026,China）

To tackle the problem of water pump leakage of 810 Diesel Engine that adopted the same bearing for the water pump of 29D Diesel Engine,strength and reliability checking calculation was mad for the bearings used by engines of 29D,36D and 81D.Based on the calculation,improvement of bearing design was conducted for 81D engine by referring to the successfully experience of design improvement of D36 Diesel Engine water pump bearing.Rig and field tests showed that the improvement meets design requirement and prevents the water pump from early wear and leakage.

diesel engine,water pump,bearing,theoretical life,actual life

10.3969/j.issn.1671-0614.2011.03.007

來稿日期：2010-06-15

徐金生（1953-），男，工程師，主要研究方向?yàn)椴裼蜋C(jī)水泵、機(jī)油泵、空壓泵等功能件的可靠性質(zhì)量提升。