軸流風葉接觸性腐蝕分析與研究

周夢然 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

軸流風葉具有大流量、低壓頭等優(yōu)點，被廣泛應用于家電、礦井、冶金、紡織、電站等各個領(lǐng)域[1]。家電行業(yè)中以空調(diào)外機、風扇等產(chǎn)品為典型代表，使用交流電動機驅(qū)動軸流風葉運行以達到大風量及大冷量的要求。實際生產(chǎn)及使用過程中，軸流風葉與電機配合輔料選用不當，在本身機械強度、化學反應及外部應力等作用下會導致軸流風葉開裂，本文以某風扇軸流風葉軸孔開裂問題為例，結(jié)合材料機理、試驗驗證等進行綜合分析，研究軸流風葉多輔料交叉接觸性腐蝕機理，具有一定的指導意義。

2 軸流風葉破裂原因分析及處理

某風扇用軸流風葉在倉庫儲放1年左右出現(xiàn)風葉軸孔處開裂的問題，如圖1所示。引起軸孔開裂的原因較多，一般包括材料選型不當，如機械強度不滿足要求、接觸后發(fā)生化學反應或環(huán)境適應性差導致長期放置可靠性降低開裂；風葉軸孔與電機軸尺寸設計不合理，配合應力大開裂；風葉與輔料接觸產(chǎn)生腐蝕開裂等。本文對以上影響因素進行分析驗證。

2.1 風葉材料選型合理性分析

2.1.1 風葉材料分析及驗證

（1）經(jīng)對故障軸流風葉測試成分，確認風葉軸套為PC材料，如圖2所示；軸套外部風葉為AS材料，如圖3所示。

（2）材料機理

聚碳酸酯（PC）屬于無定形聚合物，是一種綜合性能優(yōu)良的非晶型熱塑性樹脂，具有優(yōu)異的機型性能和尺寸穩(wěn)定性等優(yōu)點[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)醇類對它無作用。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)境及強烈的日照條件下，會產(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)應力，具有較高的沖擊強度和優(yōu)良的耐熱性、耐汽油性、耐化學腐蝕性，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 風葉機械性能測試

根據(jù)“D-CTFP質(zhì)量創(chuàng)新驅(qū)動理論研究與應用”，對較多風葉進行測試分析驗證及實際應用，總結(jié)如下沖擊測試和高速運轉(zhuǎn)測試方法，可對風葉的機械性能進行篩選作用。

（1）沖擊測試

使用沖擊錘對風葉軸孔施加0.7J的沖擊強度，連續(xù)沖擊10次，樣品無異常，未出現(xiàn)開裂等異常。

（2）高速運轉(zhuǎn)

將風葉按其配合電機額定最高轉(zhuǎn)速的3倍進行，連續(xù)運轉(zhuǎn)10min。風葉和風葉軸套均無異常，未出現(xiàn)開裂等異常。

2.1.3 風葉環(huán)境適應性測試

（1）高低溫沖擊測試

將風葉置于-30℃的低溫試驗箱中3小時后，立即轉(zhuǎn)入到溫度為60℃ 95%濕度的高溫試驗箱中存放3小時，完成一個循環(huán)6小時。連續(xù)運行測試31天，軸套與風葉均無異常。

（2）潮態(tài)測試

將10個風葉軸套和5個風葉放入60℃ 90%濕度環(huán)境中96小時后，樣品無異常，軸孔未出現(xiàn)開裂等問題。

以上材料分析及測試結(jié)果表明，PC及AS兩種材料均有較強的機械性能，不易出現(xiàn)開裂等異常，且無產(chǎn)生化學反應特性，在正常使用及受熱（熱脹冷縮）情況下不會出現(xiàn)開裂等異常問題，環(huán)境適應性強。綜上，AS材料風葉零部件可滿足風扇整機相關(guān)物理性能要求。

表1 電機軸直徑

表2 風葉軸套直徑

圖1 風葉軸孔開裂圖片（白色）

圖2 風葉軸套成分分析圖譜

2.2 風葉軸孔與電機軸配合尺寸符合性測試分析

對風葉軸套和電機軸的尺寸進行排查，排查結(jié)果如表1、表2所示，風葉軸套和電機軸尺寸均在合格范圍內(nèi)，且至少存在0.04的配合公差，裝配無干涉，軸套與電機軸之間無應力，尺寸符合要求。

2.3 風葉與電機輔料類接觸性實驗分析

根據(jù)使用及儲放一年后開裂，分析為風葉接觸性物質(zhì)引發(fā)的開裂問題。經(jīng)核實，與風葉配合的電機，其電機軸表面會涂抹一層防銹油防止生銹，并套上PVC套管用于防塵，同時電機軸上安裝一個橡膠的減震墊用于降噪，各部件結(jié)構(gòu)配合如圖4所示。本部分就涉及與風葉接觸的物質(zhì)有防銹油、PVC套管（使用時會取掉）、橡膠的減震墊，進行驗證分析。

2.3.1 接觸性輔料材料性質(zhì)

（1）電機防銹油：SR-70A冷涂型防銹脂，油成分：凡士林膏＞20%、礦物油＞20%、添加劑＜20%。防銹脂在電機軸表面形成一層脂狀保護膜，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。

（2）PVC套管：PVC為聚氯乙烯。工業(yè)生產(chǎn)的PVC分子量一般在5萬～11萬范圍內(nèi)，具有較大的多分散性，分子量隨聚合溫度的降低而增加；無固定熔點，80～85℃開始軟化，130℃變?yōu)檎硰棏B(tài)，160～180℃開始轉(zhuǎn)變?yōu)檎沉鲬B(tài)；有較好的機械性能，抗張強度60MPa左右，沖擊強度5～10kJ/m2；有優(yōu)異的介電性能。聚氯乙烯（PVC）是氯乙烯單體通過自由基聚合而成并于19世紀開始在美國應用，其用量僅次于聚乙烯，為世界第二大通用塑料。它具有重量輕、壽命長、強度高、耐磨、耐化學腐蝕，具有較好的阻燃及絕緣性等眾多優(yōu)點，被廣泛應用于工業(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]。本機型主要PVC套管主要用于防止長期放置后電機防銹油的干涸。

表3 乙酰檸檬酸三丁酯、對苯二甲酸酯接觸性試驗結(jié)果

圖3 風葉軸套成分分析圖譜（本色）

圖4 風葉、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，除去外力后能恢復原狀。橡膠是一種非金屬聚合物，其彈性性能好、吸振能力強、在受力的情況下產(chǎn)生變形，撤銷力后能立即恢復原形，抗沖擊性能好[6]。

橡膠性能：①突出的高彈性，表現(xiàn)為有很高的伸長率。純天然膠可拉伸到原長的800%而不斷；較小的彈性模量，在延伸100%時所產(chǎn)生的應力僅為數(shù)百牛頓每平方厘米；在拉斷后保持較小的永久變形，即在反復受力后不能復原的積累量也極微。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。缺點是導熱差、不耐熱及不易機械加工等。

本過程包括塑煉、混煉、壓延或擠出、成型和硫化等基本工序，每個工序針對制品有不同的要求，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)過塑煉提高其塑性；然后通過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)過壓出制成一定形狀坯料。

2.3.2 風葉零部件與接觸性輔料樣條測試分析

（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撓度的應力。在60℃ 95%濕度環(huán)境中放置21天無異常。

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

（3）將電機防銹油涂抹在PC、PC+色母、AS的帶熔接樣條，并將電機護套剪碎放于熔接紋處（即電機油+PVC護套），使樣條受到4mm撓度的應力。在60℃ 95%濕度環(huán)境中放置21天，無異常。試驗結(jié)果如圖5中（1）、（2）、（3）。

AS材料+電機油、AS材料空白樣，均無異常。結(jié)果如圖5（1）；

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

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

（4）將電機防銹油涂抹在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撓度的應力。在60℃ 95%濕度環(huán)境中放置21天，AS樣條出現(xiàn)開裂。試驗結(jié)果如圖6所示。

從以上對比測試結(jié)果可知，電機油本身與AS材質(zhì)風葉無反應，但電機油+帶應力的AS+橡膠則產(chǎn)生化學反應。分析為相似相溶原理，電機油將橡膠中的某種添加劑萃取出來，使得這種添加劑與AS反應，在熔接紋處產(chǎn)生開裂。經(jīng)過試驗測試分析，AS可溶于丙酮、乙酸乙酯、二氯乙烯等溶劑；浸油后橡膠會析出乙酰檸檬酸三丁酯，浸油后PVC套管會析出對苯二甲酸酯。對兩種酯類進行接觸性試驗進一步對比驗證。

實驗結(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，經(jīng)過30秒后樣條出現(xiàn)斷裂問題，且表面被腐蝕。而其他帶熔接紋的樣條無異常，如表3、圖7所示。從以上試驗結(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，在施加應力情況下導致開裂。

電機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，使之與AS風葉軸孔接觸產(chǎn)生化學反應腐蝕，當AS風葉軸孔處存在熔接痕及內(nèi)應力情況下導致軸孔開裂。此電機減震墊片用在電機卡簧降低整機的低頻噪音，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，重新匹配測試合格。

圖5 PC、PC+色母、AS與防銹油+PVC護套的試驗結(jié)果

圖6 PC、PC+色母、AS與防銹油+橡膠的試驗結(jié)果

圖7 AS、PC、PC、ABS分別與ATBC和DOTP的對比試驗結(jié)果

3 結(jié)論

本文通過對軸流風葉軸孔開裂問題進行分析，從風葉材料性質(zhì)、風葉與電機配合尺寸、風葉與電機輔料類接觸性腐蝕等方面進行試驗驗證，確定結(jié)果如下：

（1）當AS風葉軸孔處存在熔接痕及內(nèi)應力情況下，實際安裝到電機后風葉存在應力釋放及結(jié)構(gòu)薄弱點，是AS風葉軸孔開裂前提條件。實際應用可從減少AS風葉內(nèi)應力、改變?nèi)劢蛹y位置等方面進行產(chǎn)品優(yōu)化。

（2）電機軸上防銹油可將電機橡膠減震墊中增塑劑乙酰檸檬酸三丁酯萃取出來，存在熔接紋及內(nèi)應力的AS風葉再與乙酰檸檬酸三丁酯接觸會產(chǎn)生一系列化學反應導致風葉軸孔開裂。實際應用可從電機防銹方案、風葉裝配結(jié)構(gòu)、風葉及電機輔料選型等方面進行優(yōu)化。本分析研究成果為后續(xù)風葉及電機接觸性輔料設計選型提供一定參考價值。