© к.т.н. Шепелёв В.А., инж. Шепелёв А.В.
Торцевое уплотнение вала циркуляционного насоса автомобильного двигателя
В статье акцентируется внимание на проблеме обеспечения герметичности торцевым уплотнением рабочей полости и вала циркуляционного насоса автомобильного двигателя при отрицательных температурах рабочей жидкости. С помощью компьютерного моделирования определены причины повышенной утечки антифриза (Тосол-40) через пару трения уплотнения, сделаны соответствующие выводы и даны рекомендации.
В условиях продолжающегося глобального экономического кризиса, наступившей "новой реальности" и недостатка в нашей стране грамотных инженерно-технических специалистов в области специального машиностроения и уплотнительной техники, подбор торцевого уплотнения зачастую проводится по критериям наименьших установочных и габаритных размеров, низкой цене и предельным параметрам, указанным в каталогах серийно выпускаемых прецизионных изделий. В связи с эффектом Даннинга-Крюгера, внимание к обеспечению необходимых и достаточных условий для уплотнения, с целью его последующей надежной и долгой работы с минимальными эксплуатационным расходами и затратами, не уделяется в 99% случаев. Инженерные расчеты уплотнения во взаимосвязи с насосом, не говоря уже об оптимизации конструкции и характеристик насосного агрегата и уплотнения, не выполяются вовсе ввиду отсутствия необходимых знаний и опыта у проектировщиков-изготовителей такого оборудования.
На изображении ниже показан эскиз подобранного таким путём торцевого уплотнения и его фотографии.
Циркуляционный насос автомобильного двигателя
На эскизе в разрезе показан циркуляционный насос автомобильного двигателя. Отличительной особенностью насоса является вертикальное расположение вала и верхнее размещение компактного торцевого уплотнения, содержащего резиновую защитную оболочку, изготовленную из эластомера. Диаметр вала под установку уплотнения составляет 8 миллиметров.
Информация по работе насоса и уплотнения
⊛ Насос работает при температурах окружающего воздуха от -45 до +60°С;
⊛ Рабочая (охлаждающая) жидкость: тосол или антифриз;
⊛ Температура рабочей жидкости от -45 до +85°С;
⊛ Избыточное давление до 0,65 кгс/см2 при температуре антифриза -45°С;
⊛ Частота вращения вала 4000 об/мин (используется электрический привод);
⊛ Материал корпуса насоса: полиамид;
⊛ Торцевое уплотнение компактного типа с резиновой оболочкой и парой трения CAR/CER.
⊛ Рабочая (охлаждающая) жидкость: тосол или антифриз;
⊛ Температура рабочей жидкости от -45 до +85°С;
⊛ Избыточное давление до 0,65 кгс/см2 при температуре антифриза -45°С;
⊛ Частота вращения вала 4000 об/мин (используется электрический привод);
⊛ Материал корпуса насоса: полиамид;
⊛ Торцевое уплотнение компактного типа с резиновой оболочкой и парой трения CAR/CER.
После запуска автомобильного двигателя и работе циркуляционного насоса при температуре окружающей среды минус 10°С и ниже, наблюдается значительная утечка антифиза через уплотнитель.
Необходимо выяснить причину возрастания утечки через уплотнение.
Результаты расчета торцевого уплотнения при нормальных условиях и прогретом двигателе автомобиля
Для оценки работоспособности торцевого уплотнения и вероятной величины утечки рабочей жидкости, первоначальные расчеты проводились при нормальных условиях и прогретом двигателе автомобиля (температура тосола от +30 до +85 градусов Цельсия). Результаты одного из таких расчётов в виде PDF-файла размещены по этой ссылке. Из полученных расчетных параметров следует, что торцевое уплотнение работает при смешанном режиме трения, средний зазор в паре трения составляет около 0,86...1,00 микрона, величина утечки рабочей жидкости не значительна и находится в диапазоне 0,3...2,1 см3/час [не более одной-двух капель в минуту при диаметре капли ~3 миллиметра].
При прогретом двигателе автомобиля расчетная величина утечки через пару трения торцевого уплотнения является допустимой и соответствует термину "нулевая утечка".
Результаты моделирования работы торцевого уплотнения
С целью выявления причин значительного возрастания утечки рабочей жидкости, наблюдаемой в эксплуатации автомобиля при отрицательных температурах окружающего воздуха, был использован инструмент расчётного анализа - программный комплекс MSLC. Моделирование проводилось в диапазоне температур тосола от -10 до +30 градусов Цельсия при условии постоянства температуры окружащего воздуха -10 градусов Цельсия. Полученные результаты расчетов показали, что при температуре антифриза ниже +15...+20 градусов Цельсия средняя величина зазора в паре трения торцевого уплотнения возрастает с 1,0 до 2,1 микрометров, а режим трения меняется со смешанного на гидродинамический.
Серийное производство циркуляционного насоса автомобильного двигателя с подбором торцевого уплотнения без проведения инженерных расчётов привело к потере времени на проектирование и изготовление оборудования со значительными денежными затратами и расходами.
Выводы
1) Подобранное по размерам и параметрам торцевое уплотнение не является универсальным устройством, и не может обеспечивать необходимую герметичность при любых условиях эксплуатации, что также подтверждается расчетным путём.2) Решение задачи по уменьшению утечки рабочей жидкости через пару трения торцевого уплотнения, в широком диапазоне температур окружающего воздуха и рабочей жидкости (антифриза, тосола и т.п.), связано с совместной оптимизацией конструкции электронасосного агрегата и торцевого уплотнения.
3) Электронасосный агрегат автомобильного двигателя в эксплуатации должен обеспечивать необходимые и достаточные условия для надежной и долговечной работы торцевого уплотнения.