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        軸流風(fēng)葉接觸性腐蝕分析與研究

        2020-04-02 12:45:54周夢(mèng)然賀雷施清清羅永前
        家電科技 2020年2期

        周夢(mèng)然 賀雷 施清清 羅永前

        格力電器股份有限公司 廣東珠海 519000

        1 引言

        軸流風(fēng)葉具有大流量、低壓頭等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于家電、礦井、冶金、紡織、電站等各個(gè)領(lǐng)域[1]。家電行業(yè)中以空調(diào)外機(jī)、風(fēng)扇等產(chǎn)品為典型代表,使用交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)軸流風(fēng)葉運(yùn)行以達(dá)到大風(fēng)量及大冷量的要求。實(shí)際生產(chǎn)及使用過(guò)程中,軸流風(fēng)葉與電機(jī)配合輔料選用不當(dāng),在本身機(jī)械強(qiáng)度、化學(xué)反應(yīng)及外部應(yīng)力等作用下會(huì)導(dǎo)致軸流風(fēng)葉開(kāi)裂,本文以某風(fēng)扇軸流風(fēng)葉軸孔開(kāi)裂問(wèn)題為例,結(jié)合材料機(jī)理、試驗(yàn)驗(yàn)證等進(jìn)行綜合分析,研究軸流風(fēng)葉多輔料交叉接觸性腐蝕機(jī)理,具有一定的指導(dǎo)意義。

        2 軸流風(fēng)葉破裂原因分析及處理

        某風(fēng)扇用軸流風(fēng)葉在倉(cāng)庫(kù)儲(chǔ)放1年左右出現(xiàn)風(fēng)葉軸孔處開(kāi)裂的問(wèn)題,如圖1所示。引起軸孔開(kāi)裂的原因較多,一般包括材料選型不當(dāng),如機(jī)械強(qiáng)度不滿足要求、接觸后發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或環(huán)境適應(yīng)性差導(dǎo)致長(zhǎng)期放置可靠性降低開(kāi)裂;風(fēng)葉軸孔與電機(jī)軸尺寸設(shè)計(jì)不合理,配合應(yīng)力大開(kāi)裂;風(fēng)葉與輔料接觸產(chǎn)生腐蝕開(kāi)裂等。本文對(duì)以上影響因素進(jìn)行分析驗(yàn)證。

        2.1 風(fēng)葉材料選型合理性分析

        2.1.1 風(fēng)葉材料分析及驗(yàn)證

        (1)經(jīng)對(duì)故障軸流風(fēng)葉測(cè)試成分,確認(rèn)風(fēng)葉軸套為PC材料,如圖2所示;軸套外部風(fēng)葉為AS材料,如圖3所示。

        (2)材料機(jī)理

        聚碳酸酯(PC)屬于無(wú)定形聚合物,是一種綜合性能優(yōu)良的非晶型熱塑性樹(shù)脂,具有優(yōu)異的機(jī)型性能和尺寸穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)[2]。內(nèi)聚能密度在塑料中居中等水平,溶解度參數(shù)約20(J/cm3)1/2。脂肪烴類、油類、大多數(shù)醇類對(duì)它無(wú)作用。酮類、芳香烴類、酯類殼使它溶脹,許多氯代烴,如二氯甲烷、二氯乙烷、氯仿、三氯乙烷等都是它的良好溶劑。二氧六環(huán)、甲酚、四氫呋喃也可以使它溶解。聚碳酸酯分子鏈上無(wú)仲、叔碳原子,具有較高的氧化穩(wěn)定性。在干燥環(huán)境(15%)的大氣環(huán)境中暴露數(shù)年,物理性能基本不變。但在潮濕的環(huán)境及強(qiáng)烈的日照條件下,會(huì)產(chǎn)生表面裂紋,并發(fā)暗。

        丙烯晴-苯乙烯共聚物(AS)不易產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力,具有較高的沖擊強(qiáng)度和優(yōu)良的耐熱性、耐汽油性、耐化學(xué)腐蝕性,不受稀酸、稀堿、稀醇和汽油的影響,但是溶于丙酮、乙酸乙酯、二氯乙烯等溶劑[3]。

        2.1.2 風(fēng)葉機(jī)械性能測(cè)試

        根據(jù)“D-CTFP質(zhì)量創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)理論研究與應(yīng)用”,對(duì)較多風(fēng)葉進(jìn)行測(cè)試分析驗(yàn)證及實(shí)際應(yīng)用,總結(jié)如下沖擊測(cè)試和高速運(yùn)轉(zhuǎn)測(cè)試方法,可對(duì)風(fēng)葉的機(jī)械性能進(jìn)行篩選作用。

        (1)沖擊測(cè)試

        使用沖擊錘對(duì)風(fēng)葉軸孔施加0.7J的沖擊強(qiáng)度,連續(xù)沖擊10次,樣品無(wú)異常,未出現(xiàn)開(kāi)裂等異常。

        (2)高速運(yùn)轉(zhuǎn)

        將風(fēng)葉按其配合電機(jī)額定最高轉(zhuǎn)速的3倍進(jìn)行,連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)10min。風(fēng)葉和風(fēng)葉軸套均無(wú)異常,未出現(xiàn)開(kāi)裂等異常。

        2.1.3 風(fēng)葉環(huán)境適應(yīng)性測(cè)試

        (1)高低溫沖擊測(cè)試

        將風(fēng)葉置于-30℃的低溫試驗(yàn)箱中3小時(shí)后,立即轉(zhuǎn)入到溫度為60℃ 95%濕度的高溫試驗(yàn)箱中存放3小時(shí),完成一個(gè)循環(huán)6小時(shí)。連續(xù)運(yùn)行測(cè)試31天,軸套與風(fēng)葉均無(wú)異常。

        (2)潮態(tài)測(cè)試

        將10個(gè)風(fēng)葉軸套和5個(gè)風(fēng)葉放入60℃ 90%濕度環(huán)境中96小時(shí)后,樣品無(wú)異常,軸孔未出現(xiàn)開(kāi)裂等問(wèn)題。

        以上材料分析及測(cè)試結(jié)果表明,PC及AS兩種材料均有較強(qiáng)的機(jī)械性能,不易出現(xiàn)開(kāi)裂等異常,且無(wú)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)特性,在正常使用及受熱(熱脹冷縮)情況下不會(huì)出現(xiàn)開(kāi)裂等異常問(wèn)題,環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。綜上,AS材料風(fēng)葉零部件可滿足風(fēng)扇整機(jī)相關(guān)物理性能要求。

        表1 電機(jī)軸直徑

        表2 風(fēng)葉軸套直徑

        圖1 風(fēng)葉軸孔開(kāi)裂圖片(白色)

        圖2 風(fēng)葉軸套成分分析圖譜

        2.2 風(fēng)葉軸孔與電機(jī)軸配合尺寸符合性測(cè)試分析

        對(duì)風(fēng)葉軸套和電機(jī)軸的尺寸進(jìn)行排查,排查結(jié)果如表1、表2所示,風(fēng)葉軸套和電機(jī)軸尺寸均在合格范圍內(nèi),且至少存在0.04的配合公差,裝配無(wú)干涉,軸套與電機(jī)軸之間無(wú)應(yīng)力,尺寸符合要求。

        2.3 風(fēng)葉與電機(jī)輔料類接觸性實(shí)驗(yàn)分析

        根據(jù)使用及儲(chǔ)放一年后開(kāi)裂,分析為風(fēng)葉接觸性物質(zhì)引發(fā)的開(kāi)裂問(wèn)題。經(jīng)核實(shí),與風(fēng)葉配合的電機(jī),其電機(jī)軸表面會(huì)涂抹一層防銹油防止生銹,并套上PVC套管用于防塵,同時(shí)電機(jī)軸上安裝一個(gè)橡膠的減震墊用于降噪,各部件結(jié)構(gòu)配合如圖4所示。本部分就涉及與風(fēng)葉接觸的物質(zhì)有防銹油、PVC套管(使用時(shí)會(huì)取掉)、橡膠的減震墊,進(jìn)行驗(yàn)證分析。

        2.3.1 接觸性輔料材料性質(zhì)

        (1)電機(jī)防銹油:SR-70A冷涂型防銹脂,油成分:凡士林膏>20%、礦物油>20%、添加劑<20%。防銹脂在電機(jī)軸表面形成一層脂狀保護(hù)膜,不易流失和揮發(fā),并抗沖刷、抗碰撞、防銹作用可靠、防銹期也較長(zhǎng)。

        (2)PVC套管:PVC為聚氯乙烯。工業(yè)生產(chǎn)的PVC分子量一般在5萬(wàn)~11萬(wàn)范圍內(nèi),具有較大的多分散性,分子量隨聚合溫度的降低而增加;無(wú)固定熔點(diǎn),80~85℃開(kāi)始軟化,130℃變?yōu)檎硰棏B(tài),160~180℃開(kāi)始轉(zhuǎn)變?yōu)檎沉鲬B(tài);有較好的機(jī)械性能,抗張強(qiáng)度60MPa左右,沖擊強(qiáng)度5~10kJ/m2;有優(yōu)異的介電性能。聚氯乙烯(PVC)是氯乙烯單體通過(guò)自由基聚合而成并于19世紀(jì)開(kāi)始在美國(guó)應(yīng)用,其用量?jī)H次于聚乙烯,為世界第二大通用塑料。它具有重量輕、壽命長(zhǎng)、強(qiáng)度高、耐磨、耐化學(xué)腐蝕,具有較好的阻燃及絕緣性等眾多優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、建筑、電子電器、汽車以及電力通信等領(lǐng)域[4,5]。本機(jī)型主要PVC套管主要用于防止長(zhǎng)期放置后電機(jī)防銹油的干涸。

        表3 乙酰檸檬酸三丁酯、對(duì)苯二甲酸酯接觸性試驗(yàn)結(jié)果

        圖3 風(fēng)葉軸套成分分析圖譜(本色)

        圖4 風(fēng)葉、軸套、橡膠減震墊結(jié)構(gòu)配合示意圖

        (3)橡膠減震墊:具有可逆形變的高彈性聚合物材料。在室溫下富有彈性,在很小的外力作用下能產(chǎn)生較大形變,除去外力后能恢復(fù)原狀。橡膠是一種非金屬聚合物,其彈性性能好、吸振能力強(qiáng)、在受力的情況下產(chǎn)生變形,撤銷力后能立即恢復(fù)原形,抗沖擊性能好[6]。

        橡膠性能:①突出的高彈性,表現(xiàn)為有很高的伸長(zhǎng)率。純天然膠可拉伸到原長(zhǎng)的800%而不斷;較小的彈性模量,在延伸100%時(shí)所產(chǎn)生的應(yīng)力僅為數(shù)百牛頓每平方厘米;在拉斷后保持較小的永久變形,即在反復(fù)受力后不能復(fù)原的積累量也極微。②良好的耐磨性、高的摩擦系數(shù)和耐酸堿腐蝕性,有些品種如丁腈膠、氟橡膠等還耐油。此外,橡膠還具有電絕緣、消振和氣密等特性。缺點(diǎn)是導(dǎo)熱差、不耐熱及不易機(jī)械加工等。

        本過(guò)程包括塑煉、混煉、壓延或擠出、成型和硫化等基本工序,每個(gè)工序針對(duì)制品有不同的要求,分別配合以若干輔助操作。為了能將各種所需的配合劑加入橡膠中,生膠首先需經(jīng)過(guò)塑煉提高其塑性;然后通過(guò)混煉將炭黑及各種橡膠助劑與橡膠均勻混合成膠料;膠料經(jīng)過(guò)壓出制成一定形狀坯料。

        2.3.2 風(fēng)葉零部件與接觸性輔料樣條測(cè)試分析

        (1)常用的洗滌劑(花王、保潔)均勻的涂抹在PC、PC+色母、AS的帶熔接樣條,并使樣條受到4mm撓度的應(yīng)力。在60℃ 95%濕度環(huán)境中放置21天無(wú)異常。

        (2)將電機(jī)防銹油涂抹在PC、PC+色母、AS的帶熔接樣條,并使樣條受到4mm撓度的應(yīng)力。在60℃ 95%濕度環(huán)境中放置21天無(wú)異常。

        (3)將電機(jī)防銹油涂抹在PC、PC+色母、AS的帶熔接樣條,并將電機(jī)護(hù)套剪碎放于熔接紋處(即電機(jī)油+PVC護(hù)套),使樣條受到4mm撓度的應(yīng)力。在60℃ 95%濕度環(huán)境中放置21天,無(wú)異常。試驗(yàn)結(jié)果如圖5中(1)、(2)、(3)。

        AS材料+電機(jī)油、AS材料空白樣,均無(wú)異常。結(jié)果如圖5(1);

        PC材料+電機(jī)油+PVC套管粉末、PC材料+電機(jī)油+橡膠墊粉末、PC材料+電機(jī)油、PC材料空白樣,均無(wú)異常。結(jié)果如圖5(2);

        PC材料+電機(jī)油+PVC套管粉末、PC材料+電機(jī)油+橡膠墊粉末、PC材料+電機(jī)油、PC材料空白樣,均無(wú)異常。結(jié)果如圖5(3)。

        (4)將電機(jī)防銹油涂抹在PC、PC+色母、AS的帶熔接樣條,并將橡膠減震墊剪碎放于熔接紋處(即防銹油+橡膠),使樣條受到4mm撓度的應(yīng)力。在60℃ 95%濕度環(huán)境中放置21天,AS樣條出現(xiàn)開(kāi)裂。試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

        從以上對(duì)比測(cè)試結(jié)果可知,電機(jī)油本身與AS材質(zhì)風(fēng)葉無(wú)反應(yīng),但電機(jī)油+帶應(yīng)力的AS+橡膠則產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)。分析為相似相溶原理,電機(jī)油將橡膠中的某種添加劑萃取出來(lái),使得這種添加劑與AS反應(yīng),在熔接紋處產(chǎn)生開(kāi)裂。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)測(cè)試分析,AS可溶于丙酮、乙酸乙酯、二氯乙烯等溶劑;浸油后橡膠會(huì)析出乙酰檸檬酸三丁酯,浸油后PVC套管會(huì)析出對(duì)苯二甲酸酯。對(duì)兩種酯類進(jìn)行接觸性試驗(yàn)進(jìn)一步對(duì)比驗(yàn)證。

        實(shí)驗(yàn)結(jié)果:將乙酰檸檬酸三丁酯均勻涂抹在帶熔接紋的AS材料表面時(shí),經(jīng)過(guò)30秒后樣條出現(xiàn)斷裂問(wèn)題,且表面被腐蝕。而其他帶熔接紋的樣條無(wú)異常,如表3、圖7所示。從以上試驗(yàn)結(jié)果可知:乙酰檸檬酸三丁酯與帶熔接紋的AS材料接觸產(chǎn)生腐蝕反應(yīng),在施加應(yīng)力情況下導(dǎo)致開(kāi)裂。

        電機(jī)防銹油將橡膠減震墊中的添加劑乙酰檸檬酸三丁酯萃取出來(lái),使之與AS風(fēng)葉軸孔接觸產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)腐蝕,當(dāng)AS風(fēng)葉軸孔處存在熔接痕及內(nèi)應(yīng)力情況下導(dǎo)致軸孔開(kāi)裂。此電機(jī)減震墊片用在電機(jī)卡簧降低整機(jī)的低頻噪音,使用相同硬度的硅膠墊片替換橡膠,或更改為金屬墊片,提高耐久性和耐老化性能,重新匹配測(cè)試合格。

        圖5 PC、PC+色母、AS與防銹油+PVC護(hù)套的試驗(yàn)結(jié)果

        圖6 PC、PC+色母、AS與防銹油+橡膠的試驗(yàn)結(jié)果

        圖7 AS、PC、PC、ABS分別與ATBC和DOTP的對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

        3 結(jié)論

        本文通過(guò)對(duì)軸流風(fēng)葉軸孔開(kāi)裂問(wèn)題進(jìn)行分析,從風(fēng)葉材料性質(zhì)、風(fēng)葉與電機(jī)配合尺寸、風(fēng)葉與電機(jī)輔料類接觸性腐蝕等方面進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證,確定結(jié)果如下:

        (1)當(dāng)AS風(fēng)葉軸孔處存在熔接痕及內(nèi)應(yīng)力情況下,實(shí)際安裝到電機(jī)后風(fēng)葉存在應(yīng)力釋放及結(jié)構(gòu)薄弱點(diǎn),是AS風(fēng)葉軸孔開(kāi)裂前提條件。實(shí)際應(yīng)用可從減少AS風(fēng)葉內(nèi)應(yīng)力、改變?nèi)劢蛹y位置等方面進(jìn)行產(chǎn)品優(yōu)化。

        (2)電機(jī)軸上防銹油可將電機(jī)橡膠減震墊中增塑劑乙酰檸檬酸三丁酯萃取出來(lái),存在熔接紋及內(nèi)應(yīng)力的AS風(fēng)葉再與乙酰檸檬酸三丁酯接觸會(huì)產(chǎn)生一系列化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致風(fēng)葉軸孔開(kāi)裂。實(shí)際應(yīng)用可從電機(jī)防銹方案、風(fēng)葉裝配結(jié)構(gòu)、風(fēng)葉及電機(jī)輔料選型等方面進(jìn)行優(yōu)化。本分析研究成果為后續(xù)風(fēng)葉及電機(jī)接觸性輔料設(shè)計(jì)選型提供一定參考價(jià)值。

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