甲醇对直流泵的腐蚀及改进建议

第36卷第9期腐蚀与防护Vol. 36 No. 92015 年9月CORROSION & PROTECTIONSeptember 2015 .应用技术DOI:10. 1973/+5yfh-201509018甲醇对直流泵的腐蚀及改进建议韩国鹛' ,姚安仁2 ,姚春德' ,刘军恒'(1.天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室,天津300072; 2.天津大学材料科学与工程学院,天津300072)摘要: 实践发现,采用直流泵供应甲醇时其使用寿命较供应汽油时大幅缩短。为探索原因,对已损坏的大量甲醇泵进行了故障统计,并从电化学腐蚀的角度分析了甲醇泵正负极不均匀腐蚀的现象和机理;自行设计了简易的醇泵试验台,通过醇泵耐久性试验验证了理论分析的正确性。结果表明:直流泵正负极线路之间发生了类似“阴极保护”的电化学作用,加速了正极线路的腐蚀并使负极线路得到保护。基于此，测试并分析了电液分离式和电液-体式无刷泵耐醇特性,指出将电液-体泵正负极铜丝与流体分离是提高直流泵耐醇能力的可行措施。关键词:甲醇;直流泵;腐蚀;改进建议中图分类号: TG174文献标志码: A文章编号: 1005-748X(2015)09-0878-05Corrosion of Methanol to DC Pump and Suggestions for ImprovementHAN Guo-peng' , YAO An-ren2，YAO Chun-de'，LIU Jun-heng'(1. State Key Laboratory of Engines, Tianjin University, Tianjin 300072, China;2. School of Materials Science and Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China)Abstract: Previous practical studies showed that the life of DC pumps subtanially reduced when supplyingmethanol compared with supplying gasoline. To explore the reason, the fault statistics was made on a large number ofdamaged nethanol pumps, while the phenomenon and mechanism of the non-uniform corrosion between the positiveand negative electrodes were analyzed from the point of electrochemical corrosion. A simple methanol pump test benchwas designed and durability tests of methanol pumps were performed using the bench, the theoretical analysis wasverified to be correct. The results show that a kind of electrochemical action, which was similar with cathodicprotection, happened between the positive and negative circuit of the DC pump. This effect accelerated the corrosionof the positive line but protected the negative line at the same time. Based on this, testing and analyzing were made onboth the integrated and separate electro hydraulic pump. It is pointed out that separating both the positive andnegative copper wires from the fluid for the electro .hydraulic integration pump is a feasible way to improve thmethanol- resistant capability of the DC pump.Key words: methanol; DC pump; corrosion; improvement suggestion甲醇来源广泛,生产技术成熟,且在我国有很大热效率,降低燃料成本[田。目前，该技术已经开始在的富余产能,将甲醇作为替代燃料应用到压燃式发重载车.上应用,并有大规模推广的趋势。动机上是针对我国结构性缺油的特点提出的有效措甲醇泵是甲醇供应系统中一个重要的装置,考施["。柴油/甲醇组合燃烧(DMCC)技术是在进气虑到DMCC技术在车上使用、安装的便利性,一般道上加装-套甲醇喷射系统,形成甲醇空气混合.选用传统的直流碳刷泵。在应用中发现,供应甲醇气,并在缸内由直喷柴油引燃[2]。大量的台架试验的直流泵的使用寿命远低于其供应汽油等其他燃料和车辆道路试验表明,该方法能有效提高发动机的的使用寿命。随着DMCC技术在重载车上进- -步推广，该问题8益突出,已经成为甲醇使用过程中的收稿日期:2014-08-15-个技术瓶颈。因此，开发具有较长使用寿命的耐基金项目:国家高新技术发展计划(2012A111719)醇泵具有实际意义。通信作者:姚春德(1955 - ),教授,博士生导师,从事发动机目前，国内外对耐腐蚀直流泵的研究较多,且已代用燃料研究,022-27406649 , arcdyao@ tju. edu. cn经见诸产品。这些技术包括将有刷泵改为无刷泵、韩国鹏等:甲醇对直流泵的腐蚀及改进建议电路和液路分离、采用耐腐蚀材料,如三元乙丙胶,在换向器上。正极线路故障类型如图3所示,图3氟橡胶等[4-5]。新技术的应用在一-定程度上提高了(a)是压紧碳刷的扭力弹簧断裂,碳刷无法与换向器直流泵供应甲醇的可靠性,但甲醇类燃料对直流泵有效接触导致开路;图3(b)是接线柱和电感间的铜的腐蚀机理有待进-步研究。本工作以传统的直流导线蚀断导致断路;图3(c)是电感和碳刷之间的铜碳刷泵为研究对象,对使用过程中损坏的大量甲醇辫腐蚀严重导致断路。泵进行了故障统计,分析了甲醇造成直流泵寿命大幅缩减的原因。随后,采用自行设计的醇泵试验台,在排除偶然故障的条件下进行了耐久性试验,验证了理论分析的正确性。基于此,对目前使用较多的两种无刷直流泵进行了测试和分析,给出从机理上改善直流泵耐醇特性的建议。(a) 弹簧断裂(b) 铜导线腐蚀(c) 铜辫腐蚀1甲醇泵故障统计图3正极线路故障Fig. 3 Faults of the positive line图1是目前使用最为广泛,同时也是DMCC技a) Spring broken (b) Copper wire corroded术试验过程中所采用的直流碳刷泵示意图。该泵由(c) Copper braid corroded直流电动机和滚柱式容积泵组成,通电后直流电机的转子发生转动,转子轴通过花键与滚柱式容积泵2甲醇泵故障 原因分析及试验验证的转轴相连,带动滚柱泵转动。2.1故障分析从图2的统计结果看,除去质量问题外，发生泵Pump-@Motor体内部烧蚀和碳刷磨损的概率均较小。在直流碳刷泵运行期间，碳刷和换向器始终接触并相对滑动,若采用此种直流泵供应汽油且在其使用过程中无偶然图1直流泵示意图性故障,则泵的使用寿命受限于碳刷的磨损;直流泵Fig. 1 Schematic diagram of the DC pump发生烧蚀时，泵体中含有的塑料元件(包括头部塑料为探索供应甲醇直流泵的使用寿命大幅缩减的结构体和密封转子线圈的塑料树脂)熔化，如图4所原因,收集了损坏的甲醇泵并进行拆分,分析了其故示。无论是烧蚀还是碳刷磨损,在供应其他燃料的障原因,统计结果如图2所示。直流泵中均较为常见,但在甲醇泵中独有的,也是出现频率最高的是正极线路故障,包括正极接线柱上铜导线、碳刷上铜导线的腐蚀以及压紧正极碳刷用兰12的扭力弹簧断裂。正极线路故障内部烧灼质量问题 碳刷磨损图2甲醇泵故障原因统计Fig. 2 Fault reason statistics of methanol pumps其中，质量问题指在测试时即不运转或不正常运转的新泵,其故障或是正负极碳刷在运输过程中损坏，或是转子与滚柱泵连接的花键断裂等。正极图4泵体烧蚀Fig. 4 Burned pumps线路是正极接线柱、电感元件、石墨碳刷组成的通路，接线柱和电感元件之间通过铜导线相连,电感元2.2甲醇泵正 负极腐蚀不均匀的原因件和碳刷之间通过编织的铜辫相连,各节点焊接而甲醇具有较强的腐蚀性,这是应用甲醇燃料必成，碳刷通过套装在头部结构体上的扭力弹簧压紧须考虑的问题。甲醇腐蚀性的强弱主要受纯度和温●879●.韩国鹏等:甲醇对直流泵的腐蚀及改进建议(a)第一组图7醇泵试验台Fig. 7 Methanol pump test bench常为12 v。为了探索不同工作电压对直流泵使用寿命的影响，与直流泵生产厂合作,试制了一批24 V碳刷泵。试验时让两个泵同时持续运行,并监(b) 第二组测出醇压力和泵体温度,直至泵损坏。试验共使用图8试验泵故障现象了四个泵分两组进行,各个泵运行时间如表1所示。Fig. 8 Fault phenomenon of the experimental pumps表124 V泵运行时间统计(a) Group one (b) Group twoTab.1 Statistical running time of the 24V pumps醇腐蚀的性能与铜基本相同，且工艺上并没有实现泵编号持续运行时间/h镍对铜辫的严密包裹。正极线路出现的上述故障现I03象验证了电化学腐蚀在甲醇泵损坏中发生的作用，324证实了上文理论分析的正确性。2081133无刷直流泵作为耐醇泵的可行性测试结果表明,24 V泵的平均运行时间为3.1无刷直流泵工作原理目前,解决碳刷泵中碳刷磨损问题的无刷直流187 h。根据甲醇/柴油双燃料技术在车上的使用情泵已经投入应用,图9是全桥式无刷直流电机的电况,正在使用的12 V泵(需加装一个24 V转12 V路图,此外还有半桥式、H桥式等多种形式，工作原的电源转换器)出现正极线路腐蚀故障的寿命为理与此类似。1~2个月,虽然尚未测得其连续运行时间，但也可Inventor以发现12 V泵寿命明显高于24 V,由此可见,工作电压对泵的运行寿命影响很大,与上文的分析相MotorJ"JS"JS"吻合。图8是24V泵故障后头部线路的实物图。第- -组泵(编号1,2)故障原因是正极碳刷铜导线腐蚀,第二组泵的故障原因分别是正极碳刷铜导线腐蚀和正极接线柱铜导线蚀断,在所有进行测试的泵图9全桥式无刷电机中,负极线路均保存完好。测试泵没有出现正极扭Fig. 9 The full bridge brushless motor力弹簀断裂的情况,原因是在试制时将扭力弹簧改为不锈钢材质,增强了其耐腐蚀能力。第二组泵是无刷电机工作时首先要通过霍尔传感器感应电在第一-组泵的基础上将正极碳刷铜导线涂覆一层机转子目前所在位置,然后依照定子绕线决定开启镍,结果显示正极腐蚀发生的部位逐渐向没有进行(或关闭)换流器中功率晶体管的顺序,使通电的线任何改动的接线柱铜导线上转移,但测试结果也表圈能够与磁场作用产生磁力矩推动转子旋转。图9明改动后泵的使用寿命并没有增强,原因是镍耐甲中上下桥臂对应位置的功率晶体管不能同时打开,●881●