陳華　孫振魁
（臺州環(huán)天機械有限公司；中國石油化工股份有限公司巴陵分公司）

　　摘　要：鋁合金軸瓦具有使用壽命長、抗沖擊韌性好、不易脫落等優(yōu)點，本文通過對影響軸瓦性能的主要因素，軸瓦常見失效形式及誘因進(jìn)行分析，比較了鋁合金軸瓦和鋼背巴士合金軸瓦在性能上的異同，為鋁合金軸瓦更好的應(yīng)用提供了依據(jù)。
　　關(guān)鍵詞：鋁合金軸瓦；往復(fù)壓縮機；失效分析
　　1　引言
　　軸瓦是往復(fù)壓縮機關(guān)鍵部件，其性能的好壞直接影響壓縮機的運行。常見軸瓦一般由三層基體材料組成:外表面殼、內(nèi)表面合金層、內(nèi)外表面之間過渡層（見圖1）。三層基體材料的組合僅僅是不改變材料物理特性前提下的簡單粘合，粘合后三層材料之間的粘接性是考核軸瓦制造質(zhì)量的一個重要指標(biāo)，粘接性越好的軸瓦，其內(nèi)表面合金層在運轉(zhuǎn)過程的抗沖擊能力越好，發(fā)生合金粒碎裂后脫落的概率越低^[1]。

　　鋁合金軸瓦具有使用壽命長、抗沖擊韌性好、不易脫落等優(yōu)點，越來越被廣大用戶所接受^[2]。鋁合金軸瓦的使用條件與巴氏合金軸瓦相近，大量的使用結(jié)果表明只要軸瓦的基體厚度達(dá)到5mm，在不改變壓縮機原有工作狀況的情況下，軸瓦的基體材料就可以采用鋁合金。
　　本文通過對影響軸瓦性能的主要因素，軸瓦常見失效形式及誘因進(jìn)行分析，比較了鋁合金軸瓦和鋼背巴氏合金軸瓦在性能上的異同，為鋁合金軸瓦更好應(yīng)用提供了依據(jù)。

　　2　影響軸瓦性能的主要因素
　　如表1所示，影響軸瓦性能的主要因素包括：

　?。?）軸瓦在正常工作狀況下對基體材料抗變形能力的要求相對較低，因此基體材料強度對使用結(jié)果影響不是十分明顯；在工作狀況相對惡劣、對基體材料抗變形能力有特別要求時，強度越小的產(chǎn)品其使用壽命越短。
　?。?）通過對大量存在非正常接觸現(xiàn)象壓縮機軸瓦的使用效果跟蹤發(fā)現(xiàn)：設(shè)備超負(fù)荷運行、軸承局部載荷過高、過熱、缺油及基架振動等現(xiàn)象出現(xiàn)時，如果使用強度不高的鋁合金軸瓦并不能從根本上解決軸瓦異常失效的問題。
　?。?）軸瓦硬度過高可能導(dǎo)致的使用后果：運轉(zhuǎn)過程的軸瓦一旦失效，基體與曲軸頸接觸，硬度越高的基體對曲軸頸表面所造成的磨損量會越大。對于內(nèi)表面沒有覆蓋減摩層的軸瓦，壓縮機運行過程，如果軸瓦內(nèi)表面與曲軸頸之間未建立穩(wěn)定的油膜，兩者發(fā)生摩擦是客觀存在的，因為摩擦導(dǎo)致的磨損不可避免。外表面未覆蓋減摩材料的軸瓦，由于基體材料的抗拉及抗壓強度與硬度都極低（硬度稍高于巴氏合金的硬度），使用過程未出現(xiàn)曲軸異常磨損現(xiàn)象已在實際應(yīng)用過程得到驗證，但這類軸瓦因為強度不夠，往往不能解決鋼背軸瓦的嚴(yán)重失效問題。
　?。?）對于減摩層設(shè)計，鋁合金軸瓦與曲軸配合時曲軸頸的表面硬度應(yīng)在400HB以上^[3]。實際應(yīng)用過程，曲軸頸的表面硬度基本達(dá)不到此要求，美國DR公司自20世紀(jì)60年代制造鋁合金軸瓦，其工藝方案很好地解決了基體材料強度與硬度的這對矛盾：在抗拉強度很大的基體材料（抗拉強度不小于159MPa）表面覆蓋一層硬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于巴氏合金、耐磨、摩擦阻力相對更小的減摩材料。
　　3　軸瓦常見嚴(yán)重失效形式及誘因
　　軸瓦常見失效形式及誘因見表2。軸瓦的使用壽命直接影響壓縮機的維護(hù)周期，在沒有備用壓縮機的情況下，停機維護(hù)造成的經(jīng)濟損失與維護(hù)的時間成正比例。目前通過頻繁更換軸瓦解決軸瓦異常失效的現(xiàn)象普遍存在，造成了相當(dāng)大的經(jīng)濟損失。

　　鋼背軸瓦常見嚴(yán)重失效形式為軸瓦內(nèi)表面合金層發(fā)生碎裂后的失效（如圖2）。往復(fù)活塞壓縮機用鋼背巴氏合金軸瓦正常情況下的使用壽命一般不低于10000h，壽命低于2000h一般定性為嚴(yán)重失效，其損壞表象大多呈現(xiàn)內(nèi)表面合金層碎裂現(xiàn)象，情況特別嚴(yán)重時，軸瓦內(nèi)表面合金粒塊狀脫落。此現(xiàn)象一般由于軸瓦內(nèi)表面不能建立穩(wěn)定油膜所致，檢查損壞軸瓦內(nèi)表面時，常見伴隨很深的摩擦痕跡。出現(xiàn)此現(xiàn)象時，選用粘接性能相對更好的軸瓦一般對使用結(jié)果沒有大的變化，因此，試圖通過提高軸瓦基體材料之間粘接性能的做法不能解決此類問題。

　　鋼背巴氏合金軸瓦合金層的碎裂現(xiàn)象，大多數(shù)由于壓縮機運轉(zhuǎn)過程軸瓦內(nèi)表面與軸頸的非正常接觸所致。通過壓縮機用軸瓦的使用效果的跟蹤結(jié)果發(fā)現(xiàn)：軸瓦正常工作過程，其內(nèi)表面與曲軸軸頸之間一旦建立穩(wěn)定的油膜，配合表面之間不發(fā)生接觸，此類軸瓦都具有內(nèi)表面摩擦痕跡少、磨損量小的特征；軸瓦非正常工作過程，內(nèi)表面劃傷、減摩層變形、雜技入侵現(xiàn)象嚴(yán)重。因此，在各個配合精度滿足要求的前提下，解決軸瓦嚴(yán)重失效的問題，其實質(zhì)內(nèi)涵就是解決軸瓦運轉(zhuǎn)過程的非正常接觸問題，這種非正常接觸問題往往很難從源頭上查找到發(fā)生問題的根本原因，而鋁合金軸瓦因為具有抗沖擊好，在出現(xiàn)非正常接觸的情況上不會發(fā)生合金層碎裂的特性恰恰可以解決此類問題。
　　鋁合金軸瓦失效后的表象可分為兩種形式：基體材料變形和基體材料開裂。
　　基體材料變形所致的失效原因是基體受擠壓漸漸發(fā)生變形后失效，失效工件外表面嚴(yán)重變形、摩擦內(nèi)表面一般留有很深的犁痕。這種失效形式大多出現(xiàn)于軸瓦裝機后運行時間不長的時間段，情況特別嚴(yán)重時，開機后2h內(nèi)即發(fā)生燒瓦現(xiàn)象。
　　基體材料開裂所致的失效原因是曲軸頸及軸承座內(nèi)孔圓柱度嚴(yán)重超差，導(dǎo)致軸瓦內(nèi)表面局部承載過大，基體長時間承受擠壓發(fā)生開裂。初始出現(xiàn)裂紋時，軸瓦內(nèi)表面與曲軸頸的配合間隙變化量不大所以尚可以工作，隨著被發(fā)現(xiàn)時間推移，裂紋變大，配合間隙變化量趨大，伴隨基體溫度升高、摩擦表面間聲音變大，直至開裂失效，失效時間的長短與基體材料的延伸率有直接關(guān)系，材料的延伸率越大出現(xiàn)的周期越長，失效的工件呈現(xiàn)塊狀開裂，這種失效現(xiàn)象在開機運行的初期不會出現(xiàn)。
　　解決基體材料在使用過程出現(xiàn)的開裂現(xiàn)象，拋開其它因素，僅就軸瓦而言，其內(nèi)涵就是要解決基體材料在滿足高強度、低硬度的前提下，使得材料具有更好延伸率特性的問題。從“單層軸承用鋁基合金”標(biāo)準(zhǔn)的機械性能參數(shù)值比對分析，通過壓力澆鑄工藝方案獲得基體材料的機械性能各個參數(shù)無疑更接近此要求。
　　4　結(jié)論
　　通過本文的分析可以得出結(jié)論，鋁合金軸瓦相比于鋼背巴氏合金軸瓦有以下優(yōu)勢：
　　（1）不會出現(xiàn)鋼背巴氏合金軸瓦，因內(nèi)孔合金層與鋼背分層而造成的軸瓦失效現(xiàn)象；
　?。?）鋼背巴氏合金軸瓦因合金燒損后，鋼背與主軸頸接觸而出現(xiàn)傷軸現(xiàn)象的概率降低；
　?。?）由于鋁合金軸瓦基體材料相對很軟的特性，裝配后瓦體外圓與瓦座的接觸面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鋼背軸瓦，使用過程產(chǎn)生的摩擦熱能夠及時通過軸承座散發(fā)，而且不會出現(xiàn)由于瓦背與瓦座接觸面積不好導(dǎo)致的軸瓦相對于瓦座的微動磨損現(xiàn)象；
　　（4）由于鋁合金軸瓦基體材料的熔點（650℃左右），遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鋼背巴氏合金軸瓦中巴氏合金的熔點（250℃左右），因此，鋁合金軸瓦工作過程中的高溫抗變形能力相對更強。
　　參考文獻(xiàn)：
　　[1]成大先，等.機械設(shè)計手冊[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2016，6.
　　[2]郁永章，孫嗣瑩，等.容積式壓縮機技術(shù)手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2000.
　　[3]左超，陳以虎.往復(fù)壓縮機軸瓦燒損及原因分析[J].甘肅科技，2012，28（21）：66-67.
　　[4]吳勇，呂冰.壓縮機軸瓦異常磨損分析與處理[J].壓縮機技術(shù)，2012，06：69-70.
　　[5]李勝軍，王中文，劉素艷.6M40往復(fù)活塞壓縮機軸瓦燒研故障處理[J].壓縮機技術(shù)，2010，03：38-39.

來源：《壓縮機技術(shù)》2017 (5)