郭樹祥

(1 中國鐵道科學(xué)研究院,北京100081;2 鐵道部運(yùn)輸局,北京100844)

氣穴侵蝕或氣蝕浸蝕(簡稱氣蝕)作為工程構(gòu)件的一種失效形式,自20世紀(jì)70年代以來就被人們所認(rèn)識(shí)。發(fā)生氣蝕的流體中往往可以不含任何腐蝕介質(zhì),所以零件的這類破壞不存在化學(xué)腐蝕或電化學(xué)腐蝕。甚至流體中不含能產(chǎn)生沖蝕的微小固體顆粒。已經(jīng)公認(rèn)氣蝕是力學(xué)或流體力學(xué)問題,即氣穴的萌生、長大與潰滅過程與流體特性、流體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、流體運(yùn)動(dòng)特性、機(jī)械振動(dòng)等有關(guān),與系統(tǒng)中所用的材料關(guān)系很小。因?yàn)闊o論是金屬、陶瓷、橡膠、玻璃等都能發(fā)生氣蝕。然而一旦發(fā)生氣蝕后,氣蝕的發(fā)展(即裂紋的萌生與擴(kuò)展)及零件的損傷程度,主要取決于材料的力學(xué)性能、結(jié)構(gòu)、顯微組織、應(yīng)力狀態(tài)等因素。所以目前國內(nèi)外對(duì)氣蝕的研究,主要集中在摩擦與潤滑學(xué)、流體力學(xué)及機(jī)械設(shè)計(jì)、液壓傳動(dòng)等領(lǐng)域中。

氣蝕常發(fā)生在水力機(jī)械中的水輪機(jī)葉片、管路、船用螺旋槳[1],以及一些經(jīng)受壓力脈沖的水泵、閥門等零件,和在液體中受振動(dòng)的柴油機(jī)氣缸套、曲軸及凸輪軸的軸瓦等零件上。增壓器中滑動(dòng)軸承的內(nèi)表面工作在高速流動(dòng)的潤滑油中,也發(fā)生氣蝕磨損[2],但以往對(duì)滑動(dòng)軸承的故障分析中沒有考慮這方面的影響因素。

1 滑動(dòng)軸承氣穴損傷機(jī)理

滑動(dòng)軸承氣穴損傷的部位,不一定發(fā)生在軸承的最大載荷區(qū)。但總是和油道(油槽、油孔)的位置密切相關(guān),通常出現(xiàn)在油孔或油槽左右兩側(cè)的合金面上[3]。

潤滑油內(nèi)帶有水分,也溶有空氣;油膜中的壓力有高有低,有的區(qū)域還等于零,這就為油膜中生成氣泡或空穴創(chuàng)造了充分與必要條件。如果一些氣(汽)泡從潤滑油中溢出,則對(duì)軸承表面不起作用。若有一些氣泡被帶到油膜的高壓區(qū)后潰滅,而氣泡破裂時(shí)離軸承表面較遠(yuǎn)(距表面10倍氣泡直徑)那影響也不大,但導(dǎo)致主軸的振動(dòng)和噪聲。只有在軸承表面附近或黏附在其表面上的氣泡破裂時(shí),它們才會(huì)引發(fā)軸承表面金屬的氣蝕損傷。

設(shè)定潤滑油中原始?xì)馀莅霃綖镽i;被壓縮后破裂氣泡半徑為r,由計(jì)算可知,當(dāng)R/r接近于2時(shí),微射流的沖擊力為28.5 MPa,它達(dá)到了高錫鋁軸承合金的屈服應(yīng)力;當(dāng)R/r大于4時(shí)微射流的沖擊力為85.6 MPa,達(dá)到了銅鉛軸承合金的屈服應(yīng)力;當(dāng)R/r大于30時(shí)微射流的沖擊力可達(dá)到合金鋼的屈服強(qiáng)度。

氣泡大量而密集地在局部區(qū)域潰滅,產(chǎn)生的微射流不斷的反復(fù)沖擊,引起材料表面塑性變形與應(yīng)力集中,表面光潔度降低。這些粗糙的表面又成了后續(xù)氣泡集中的場所,氣泡的潰滅在此更為猛烈,由此造成軸承材料表面內(nèi)疲勞裂紋的萌生與擴(kuò)展,最終導(dǎo)致表面金屬的小塊脫落。

推測在滑動(dòng)軸承中易于發(fā)生氣穴損傷的區(qū)域是:(1)油膜動(dòng)壓力波動(dòng)加大的區(qū)域;

(2)潤滑油流速突變的區(qū)域(如油孔),該處的兩端存在壓力突變帶;

(3)易于產(chǎn)生應(yīng)力集中的部位,如滑動(dòng)軸承內(nèi)表面的凸緣、拐角、微裂紋處,在微射流的沖擊下,容易萌生金屬的表面裂紋;

(4)表面粗糙的區(qū)域;

(5)滑動(dòng)軸承流道上的臺(tái)階造成紊流,破壞了流體的連續(xù)性;易產(chǎn)生壓力波動(dòng)。

2 增壓器滑動(dòng)軸承氣蝕損傷實(shí)例

2.1 滑動(dòng)軸承氣蝕損傷的形成特征

以國產(chǎn)內(nèi)燃機(jī)車柴油機(jī)用增壓器滑動(dòng)軸承為例,如圖1顯示的滑動(dòng)軸承上均勻分布著3個(gè)油孔及3條油楔,材料是采用雙金屬板:以08鋼板為基上面覆蓋著厚度0.5～0.75 mm的高錫鋁。雙金屬板的金相組織示于圖2(放大100倍),高錫鋁中的點(diǎn)狀顆粒是鋁錫共晶體,高錫鋁與鋼板之間還夾有一層厚度小于0.01 mm的純鋁。

圖1 三油楔滑動(dòng)軸承

圖2 AlSn20Cu金相組織

內(nèi)燃機(jī)車某型號(hào)增壓器裝車運(yùn)行10萬小時(shí)后,拆檢時(shí)發(fā)現(xiàn)一端的滑動(dòng)軸承受損(圖3)。從它的宏觀形貌可見軸承內(nèi)孔邊緣的高錫鋁層已局部剝落,露出底層的鋼背;油孔處出現(xiàn)了環(huán)狀裂紋(箭頭A),與環(huán)狀裂紋相連的另一條裂紋已經(jīng)延伸到滑動(dòng)軸承的邊緣(箭頭B);在鋁合金層的油楔面上發(fā)現(xiàn)多處向上凸起的針狀小孔(方框內(nèi)),它們分布不勻,直徑大小不等一般在0.2 mm以下。圖4是圖3方框放大20倍后的小孔圖像。局部區(qū)域還見到了多個(gè)相關(guān)聯(lián)的空洞,空洞附近也有環(huán)狀裂紋(圖5)。用掃描電鏡(SEM)可以清晰地見到3個(gè)關(guān)聯(lián)空洞的底部還有微孔,其左面還見到了更小的串狀微孔(圖6)。這些空洞具有一定深度,洞口基本呈圓形,在深度上呈上大下小的錐形。上述這些都是材料受氣穴損傷時(shí)所特有的典型形貌。因?yàn)樵鰤浩髟谡＿\(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)主軸與滑動(dòng)軸承間的平均間隙僅有0.07 mm,要形成如圖4、圖5這種向上凸起的微小空穴,唯一的可能是如上所述的由氣(汽)泡破裂時(shí)產(chǎn)生的微射流造成了氣穴損傷,隆起的空穴邊緣(圖4)表明微射流的沖擊力已經(jīng)超過了鋁層的屈服強(qiáng)度,使它發(fā)生了塑性變形;當(dāng)微射流的沖擊波連續(xù)產(chǎn)生,并中心稍有偏離時(shí),就形成了圖6這樣的串狀空穴,由于多次塑性變形而造成的加工硬化,促使串狀空穴周圍萌生了裂紋(圖5、圖6)。

圖3 故障滑動(dòng)軸承宏觀照片

圖4 圖3方框放大照片

圖5 串狀空穴及周圍裂紋

圖6 圖5放大100倍后可見到左邊還有三個(gè)小空穴(SEM)

研究表明[4]隨著時(shí)間的延長受損區(qū)域的塑性應(yīng)變量也逐步增大,初期萌生的裂紋就沿鋁合金層的表面及其內(nèi)部擴(kuò)展,當(dāng)裂紋相互關(guān)聯(lián)后鋁層與底層鋼背分離并脫落。圖7取自圖3上的A部位,A處鋁層在試樣切割過程中自行脫落,在露出的鋼背上也見到了點(diǎn)狀氣蝕坑的痕跡。這說明在微射流沖擊下形成的沖擊波有些可以擊穿鋁層后,其能量尚能造成底層鋼背的屈服而形成蝕坑。圖8的掃描圖像攝于已經(jīng)脫落的鋁層斷口,右上角是原有的鋁表面,左下角的鋁層已經(jīng)剝落了。在斷口的邊緣處留有一個(gè)凸起的氣蝕坑,右邊的裂紋向表面伸展;左邊的裂紋向下延伸(箭頭所示)。在進(jìn)一步放大后見到了斷口上呈放射狀的疲勞紋(圖9)。除了這種延性的疲勞紋之外,鋁合金的斷口上還存在有解理疲勞紋(圖10),其宏觀形貌猶如一級(jí)級(jí)臺(tái)階(箭頭所示)。解理疲勞紋擴(kuò)展時(shí)與晶體學(xué)有密切的關(guān)系,并且疲勞紋的間距很大,裂紋擴(kuò)展示意圖見圖11。

圖7 油孔處鋁層脫落后的鋼背上顯露出的空穴

圖8 凸起的氣蝕坑邊緣的表面裂紋及向內(nèi)部伸展的內(nèi)部裂紋

圖9 鋁層斷口上的疲勞紋

圖10 鋁層中的解理疲勞紋

圖11 裂紋擴(kuò)展示意圖

2.2 增壓器滑動(dòng)軸承氣蝕損傷的后果和危害

在高錫鋁軸承合金雙金屬板的疲勞試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)[5],軸承表面萌生出裂紋后它們向合金層內(nèi)部擴(kuò)展,當(dāng)裂紋向下擴(kuò)展到合金層與鋼背的結(jié)合面時(shí),它不再向鋼背內(nèi)部發(fā)展,而是轉(zhuǎn)向沿著結(jié)合面擴(kuò)展。一旦這些裂紋在結(jié)合面上彼此相遇時(shí)就會(huì)使軸承合金從鋼背上小塊剝落。多個(gè)小塊的剝落就累積為軸承表面的大面積殞落,最終導(dǎo)致軸承失效。

由于軸承的邊緣及進(jìn)油孔內(nèi)外兩端,潤滑油的流速發(fā)生了突變,由于黏附效應(yīng)主軸的高速旋轉(zhuǎn)促使油孔內(nèi)壁的液體流速增大,則在該處存在壓力差;如果供油系統(tǒng)稍有阻隔,在油孔處易于形成間隙斷流;軸承內(nèi)的潤滑油流經(jīng)油孔時(shí)必然產(chǎn)生紊流。這些現(xiàn)象都是易于發(fā)生氣穴損傷的根源。所以在這些部位鋁合金的剝落較嚴(yán)重。

前述分析的故障滑動(dòng)軸承的氣穴侵蝕是由于在合金層上產(chǎn)生了邊緣凸起的空穴,空穴周圍產(chǎn)生了塑性變形與加工硬化。在微射流的反復(fù)沖擊下,有些加工硬化區(qū)萌生出了微裂紋,在交變的油膜壓力作用下裂紋向下擴(kuò)展,它們?cè)阡摫撑c合金層的結(jié)合面上匯合,導(dǎo)致合金層從鋼板上脫落,軸承失效。

軸承失效意味著對(duì)轉(zhuǎn)子失去了支撐力,轉(zhuǎn)子不能工作勢必給機(jī)器設(shè)備造成危害。機(jī)車柴油機(jī)增壓器運(yùn)用中一旦發(fā)生滑動(dòng)軸承損壞,轉(zhuǎn)子停止運(yùn)轉(zhuǎn),不能給柴油機(jī)氣缸供應(yīng)充足空氣,導(dǎo)致柴油機(jī)燃燒惡化,輸出功率降低直至停止工作,機(jī)車停止運(yùn)行,會(huì)影響鐵路運(yùn)輸秩序。嚴(yán)重時(shí)柴油機(jī)大量冒黑煙,甚至危及旅客身體健康。

3 結(jié)束語

為確保鐵路運(yùn)輸秩序的正常和旅客身體健康的安全,希望機(jī)車增壓器制造單位及運(yùn)用單位進(jìn)一步對(duì)滑動(dòng)軸承氣穴侵蝕損壞機(jī)理深入研究并探索完善防止措施,運(yùn)用層面,機(jī)務(wù)段在日常的機(jī)車增壓器維護(hù)中,一是嚴(yán)格控制潤滑油的油品與質(zhì)量,定期化驗(yàn)潤滑油,更換不合格潤滑油;二是規(guī)范機(jī)車乘務(wù)員操縱行為,避免由于提回手柄過快使增壓器轉(zhuǎn)速突變導(dǎo)致的潤滑油流速突變。制造單位改進(jìn)滑動(dòng)軸承的加工工藝,使油楔面與圓柱面之間自然過渡,尤其是軸承上油槽油孔處、邊緣處注意過渡的圓滑,避免產(chǎn)生棱角,造成應(yīng)力集中,同時(shí)提高軸承表面光潔度。隨著材料制造技術(shù)的發(fā)展,建議增壓器專業(yè)設(shè)計(jì)單位研究改進(jìn)增壓器滑動(dòng)軸承材質(zhì),探索采用如銅合金材料等新型軸承材料,以提高增壓器滑動(dòng)軸承抗氣穴侵蝕能力。

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