軸流風(fēng)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(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，使用交流電動機(jī)驅(qū)動軸流風(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)力等作用下會導(dǎo)致軸流風(fēng)葉開裂，本文以某風(fēng)扇軸流風(fēng)葉軸孔開裂問題為例，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)葉在倉庫儲放1年左右出現(xiàn)風(fēng)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(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)致長期放置可靠性降低開裂；風(fēng)葉軸孔與電機(jī)軸尺寸設(shè)計不合理，配合應(yīng)力大開裂；風(fēng)葉與輔料接觸產(chǎn)生腐蝕開裂等。本文對以上影響因素進(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)對故障軸流風(fēng)葉測試成分，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(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(qiáng)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(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)械性能測試

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

（1）沖擊測試

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

（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)葉軸套均無異常，未出現(xiàn)開裂等異常。

2.1.3 風(fēng)葉環(huán)境適應(yīng)性測試

（1）高低溫沖擊測試

將風(fēng)葉置于-30℃的低溫試驗(yàn)箱中3小時后，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，完成一個循環(huán)6小時。連續(xù)運(yùn)行測試31天，軸套與風(fēng)葉均無異常。

（2）潮態(tài)測試

將10個風(fēng)葉軸套和5個風(fēng)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(qiáng)的機(jī)械性能，不易出現(xiàn)開裂等異常，且無產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)特性，在正常使用及受熱（熱脹冷縮）情況下不會出現(xiàn)開裂等異常問題，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試分析

對風(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，裝配無干涉，軸套與電機(jī)軸之間無應(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)使用及儲放一年后開裂，分析為風(fēng)葉接觸性物質(zhì)引發(fā)的開裂問題。經(jīng)核實(shí)，與風(fēng)葉配合的電機(jī)，其電機(jī)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(jī)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(fēng)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(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。

（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(diǎn)，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(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）是氯乙烯單體通過自由基聚合而成并于19世紀(jì)開始在美國應(yīng)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(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期放置后電機(jī)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(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(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(fēng)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(yīng)力。在60℃ 95%濕度環(huán)境中放置21天無異常。

（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)開裂。試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

從以上對比測試結(jié)果可知，電機(jī)油本身與AS材質(zhì)風(fēng)葉無反應(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，使得這種添加劑與AS反應(yīng)，在熔接紋處產(chǎn)生開裂。經(jīng)過試驗(yàn)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(jìn)行接觸性試驗(yàn)進(jìn)一步對比驗(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，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(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，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的對比試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

本文通過對軸流風(fēng)葉軸孔開裂問題進(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，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產(chǎn)生一系列化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致風(fēng)葉軸孔開裂。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)計選型提供一定參考價值。