提高81D柴油机水泵轴连轴承可靠性研究

（一汽解放公司无锡柴油机厂，无锡214026）

提高81D柴油机水泵轴连轴承可靠性研究

徐金生
（一汽解放公司无锡柴油机厂，无锡214026）

针对81D柴油机水泵选用与29D柴油机水泵同型号轴连轴承用户中发生轴连轴承早期磨损漏水问题，通过借鉴36D柴油机水泵选用29D柴油机水泵轴连轴承用户故障率高的改进经验，展开对29D、36D及81D水泵轴连轴承的理论寿命进行校核，改进水泵轴连轴承设计并通过台架试验及用户验证，解决了81D水泵轴连轴承早期磨损漏水问题。

柴油机水泵轴连轴承理论寿命实际寿命

1 引言

81D柴油机是一汽集团继29D、36D后又一个成功开发的具有自主知识产权的民族品牌、高端动力柴油机，自投放市场以来，一直处于旺销状态。但在小批投放初期，曾出现过水泵轴连轴承早期磨损、漏水等异常问题，对产品质量造成了一定的影响。

本文介绍了此问题的解决方法和途径，通过故障件分析，并借鉴36D柴油机水泵选用29D柴油机水泵轴连轴承用户故障率高的改进经验，展开对29D、36D及81D水泵轴连轴承的理论寿命的校核，改进水泵轴连轴承设计并通过台架试验及用户验证，最终解决了81D水泵轴连轴承早期磨损漏水问题。

2 水泵故障问题描述

首先，对从用户处返回的故障水泵进行拆检分析。转动水泵轴承时，感觉轴承松动，轴承外壳由于受热变黑，轴向、径向游隙超常，油脂发黑，滚针表面磨损，以上症状均体现了此轴连轴承是早期的磨损故障，参见图1。

3 81D水泵工作原理

81D柴油机传动轮系由曲轴皮带轮通过多楔皮带、自动涨紧轮机构（张紧轮、楔惰轮、平惰轮）带动整个轮系旋转，见图2。在传动过程中水泵皮带轮通过法兰连接带动轴连轴承旋转，从而驱动与水泵轴连轴承连在一起的叶轮旋转，完成水泵的吸水、压水工作，81D水泵结构见图3。

图1 故障件

图2 81D柴油机前端轮系图

图3 81D水泵结构及受力位置图

4 对标分析与设计改进

4.1 81D与29D水泵轴连轴承主要差别

因81D柴油机水泵轴连轴承的设计采用与29D柴油机相同的结构，在此对两者水泵主要参数的分析，并对轴承的整体寿命进行理论校核，寻找问题根源，提出改进对策。81D柴油机与29D柴油机水泵轴连轴承主要设计参数对见表1。

表1 81D柴油机和29D柴油机水泵轴连轴承主要设计参数

根据受力传递原理，可以把轴连轴承从水泵的整体分离出来，作用在水泵上的力可以简化到轴连轴承上。轴连轴承的受力可以简化为轴连轴承滚子和钢球的受力，参见图4。

图4 轴连轴承的受力图

图中，

Fr——轴连轴承设计载荷；

Fr1——轴连轴承钢球受力；

Fr2——轴连轴承滚子受力；

L0——皮带轮槽的几何位置中心到轴连轴承外圈端面距离；

L1——滚子中心到轴连轴承外圈端面距离；

L2——滚子中心到钢球中心距离。

4.2 81D柴油机水泵的原设计寿命校核

4.2.1 受力计算[1]

（1）皮带张力计算值

考虑预紧力修正值42 N，取系数1.2则：

（2）作用在轴上力

式中，

Kr——皮带契合系数；

Ft——有效圆周力；

FQ——作用在轴上力；

α——皮带包角；

Z——皮带根数。

对于带传动，有效圆周力为皮带张紧力即，Ft=F张，则有

取负荷系数为2，可得到轴连轴承设计载荷

（3）、计算Fr1、Fr2

由杠杆原理得：

通过对调查样本数据统计和计算后得出，我国畜牧业机械化水平在规模化饲养和散养条件下分别达到59.41%和42.22%。其中，10头以上奶牛、100头以上肉牛、500头以上生猪、2 000只以上蛋禽、10 000只以上肉禽规模化饲养机械化水平分别为60.45%，46.54%，62.07%，44.84%，78.62%。4头以下奶牛、50头以下肉牛、50头以下生猪、2 000只以下蛋禽和10 000只以下肉禽散养机械化水平分别为57.22%，28.10%，37.71%，29.90%，47.05%，详见表3。

由水泵和轴连轴承结构得知：L0=-12.44mm，L1=12.55 mm，L2=31.45mm。将L0、L1、L2代入上面两个公式中，可计算得到

Fr1=10.57(N)

Fr2=3 033(N)

由以上计算结果可以看出滚子端为危险位置，所以主要考虑对滚子的承载寿命进行计算。

4.2.2 承载寿命计算[2,3]

单列滚动体的寿命：转速为超速运转时的1.2倍额定转速。轴连轴承套圈长度为56 mm，轴径为25 mm。

轴连轴承柱端为8个直径为9.5 mm、长度为14 mm的圆柱滚子组成。其基本额定载荷为Cr=36.5 kN。当量动载荷为P=fdFr2=3.64 kN（fd——动载荷系数，取1.2），法兰端寿命为

（2）叶轮端寿命计算

轴连轴承球端为5个直径为12.7 mm钢球组成。其基本额定载荷为Cr=18.0 kN，则当量动载荷为P=fdFr1=12.68 N(fd——动载荷系数，取1.2)，叶轮端寿命为

（3）组合轴连轴承整体寿命为

组合系数：单列滚子时为10/9，单列球为9/8，组合后整体为

（10/9+9/8）/2=1.1181

（a）轴连轴承整体法兰端寿命为

（b）轴连轴承整体叶轮端寿命为

（c）轴连轴承整体寿命为

（d）轴连轴承整体的额定寿命为

按同样的计算方法，对29D柴油机、36D柴油机及81D柴油机（改进后）的水泵轴连轴承的理论寿命进行计算，统计对比结果见表2。

表2 水泵轴连轴承理论寿命统计对比表

从以上对比表可以看出，改进后的36D与81D轴连轴承型号为WR3258*62.5，与29D轴连轴承WR2552*56相比：皮带轮轴颈由Φ25 mm增粗至Φ32 mm，轴连轴承外径由Φ52 mm增大至Φ58 mm，轴连轴承套圈长度由56 mm增长至62.5 mm。改进前81D柴油机水泵轴连轴承理论寿命为10 751 h，改进后理论寿命达到31 050 h，提高了189%。

（3）效果分析

2009年市场共反馈29D柴油机水泵轴连轴承故障68件，共计故障里程240.7万km，平均故障里程3.54万km，远小于我厂10万km的保修里程。按车辆行驶车速80 km/h计算，3.49万km仅合442 h左右，而其理论寿命应为3 117 h，故障件的平均实际寿命仅为理论寿命的14.19%。由于81D柴油机的水泵轴连轴承结构与29D柴油机的类似，理论上将也会出现同样的问题。现将改进后81D柴油机的水泵轴连轴实际寿命按理论寿命的14%计算，实际寿命将达到4 350小时，合计34.8万km（按车速80 km/h计算），已超过我厂发动机10万公里保修里程。所以，改进后的水泵将大大降低因轴连轴承引起的失效问题。

5 可靠性试验验证

5.1 水泵耐久试验

为了保证改进设计后的水泵符合设计要求，并验证改进后的实际效果，针对81D柴油机水泵采用改进后的轴连轴承，2009年6月9日开始在河南省西峡汽车水泵股份有限公司中心试验室对该水泵总成的可靠性进行了耐久试验，于2009年7月25日结束，整个试验共运行了1 011 h。试验过程中水泵运行正常，泄水孔处无漏水，其它各结合面也无渗、漏水现象；手动转动水泵总成，无卡滞、无异响等现象，符合图纸技术条件。按照试验规定对试验后的水泵进行拆检：

（1）转动轴连轴承无卡滞、无异响，无漏脂；轴连轴承外圈表面正常，滚道正常，滚动体正常，保持架无老化，参见图5和图6。

（2）水封动、静环摩擦面有磨损现象，动环垫无老化，波纹管正常，无漏水，见图7。

（3）叶轮、法兰等其他部件无老化、变形、裂纹等不正常现象，如图8、图9所示。

5.2 发动机台架试验验证

图5 轴连轴承总成

图6 轴连轴承零件

图7 水封

为了保证改进后的水泵在整机上的可靠性，满足柴油机的可靠性及性能要求，一汽锡柴研发部又于2009年8月对改进后的81D柴油机水泵总成在柴油机台架上进行了2 000 h的可靠性试验，到2009年10月结束时未发生任何水泵故障，水泵拆检也完全正常。试验过程表明，改进后的81D水泵总成相对于改进前的水泵总成稳定性和可靠性上都有大幅提高，水泵总成各部件通过可靠性验证。

图8 叶轮

图9 法兰

6 结论

改进后的81D柴油机水泵采用了WR3258*62. 5轴连轴承，理论寿命达到了31 069 h，比改进前采用WR2552*56轴连轴承提高了189%，比改进后的36D柴油机水泵采用的WR3258*62.5轴连轴承的理论寿命14 257 h也提高了1倍多。经统计，2009年36D柴油机共生产了20 906台，市场尚未发现改进后水泵轴连轴承发生故障。可见，36D柴油机水泵轴连轴承的改进取得理想的经济和社会效果。同样，改进后的81D柴油机水泵自2009年12月装机验证以来，已经批量投放市场2万多台，至今未发生轴连轴承失效故障，解决了因水泵轴连轴承松旷引起的水封漏水问题。

此问题的解决，为以后其他机型可能出现的水泵轴连轴承早期磨损漏水问题提供了一种可具借鉴的宝贵经验。

1徐灏．机械设计手册（第三册）[M]．北京：机械工业出版社，1991．

2徐灏．机械设计手册（第四册）[M]．北京：机械工业出版社，1991．

3全国滚动轴承标准化技术委员会．GB/T6391－2003/ISO 281:1990标准滚动轴连轴承额定动载荷和额定寿命[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

来稿日期：2010-06-15

徐金生（1953-），男，工程师，主要研究方向为柴油机水泵、机油泵、空压泵等功能件的可靠性质量提升。