陳華　孫振魁
（臺(tái)州環(huán)天機(jī)械有限公司；中國(guó)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(zhǎng)、抗沖擊韌性好、不易脫落等優(yōu)點(diǎn)，本文通過對(duì)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(jī)；失效分析
　　1　引言
　　軸瓦是往復(fù)壓縮機(jī)關(guān)鍵部件，其性能的好壞直接影響壓縮機(jī)的運(yùn)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(jiǎn)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(gè)重要指標(biāo)，粘接性越好的軸瓦，其內(nèi)表面合金層在運(yùn)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(zhǎng)、抗沖擊韌性好、不易脫落等優(yōu)點(diǎn)，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(jī)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(duì)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(duì)基體材料抗變形能力的要求相對(duì)較低，因此基體材料強(qiáng)度對(duì)使用結(jié)果影響不是十分明顯；在工作狀況相對(duì)惡劣、對(duì)基體材料抗變形能力有特別要求時(shí)，強(qiáng)度越小的產(chǎn)品其使用壽命越短。
　?。?）通過對(duì)大量存在非正常接觸現(xiàn)象壓縮機(jī)軸瓦的使用效果跟蹤發(fā)現(xiàn)：設(shè)備超負(fù)荷運(yùn)行、軸承局部載荷過高、過熱、缺油及基架振動(dòng)等現(xiàn)象出現(xiàn)時(shí)，如果使用強(qiáng)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。
　　（3）軸瓦硬度過高可能導(dǎo)致的使用后果：運(yùn)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(duì)曲軸頸表面所造成的磨損量會(huì)越大。對(duì)于內(nèi)表面沒有覆蓋減摩層的軸瓦，壓縮機(jī)運(yùn)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?yàn)槟Σ翆?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(qiáng)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(shí)際應(yīng)用過程得到驗(yàn)證，但這類軸瓦因?yàn)閺?qiáng)度不夠，往往不能解決鋼背軸瓦的嚴(yán)重失效問題。
　　（4）對(duì)于減摩層設(shè)計(jì)，鋁合金軸瓦與曲軸配合時(shí)曲軸頸的表面硬度應(yīng)在400HB以上^[3]。實(shí)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(guó)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(qiáng)度與硬度的這對(duì)矛盾：在抗拉強(qiáng)度很大的基體材料（抗拉強(qiáng)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(duì)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(jī)的維護(hù)周期，在沒有備用壓縮機(jī)的情況下，停機(jī)維護(hù)造成的經(jīng)濟(jì)損失與維護(hù)的時(shí)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(jì)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(jī)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(shí)，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(shí)，常見伴隨很深的摩擦痕跡。出現(xiàn)此現(xiàn)象時(shí)，選用粘接性能相對(duì)更好的軸瓦一般對(duì)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(jī)運(yùn)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(jī)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(gè)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(shí)質(zhì)內(nèi)涵就是解決軸瓦運(yùn)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?yàn)榫哂锌箾_擊好，在出現(xiàn)非正常接觸的情況上不會(huì)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(jī)后運(yùn)行時(shí)間不長(zhǎng)的時(shí)間段，情況特別嚴(yán)重時(shí)，開機(jī)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(zhǎng)時(shí)間承受擠壓發(fā)生開裂。初始出現(xiàn)裂紋時(shí)，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(shí)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(shí)間的長(zhǎng)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(zhǎng)，失效的工件呈現(xiàn)塊狀開裂，這種失效現(xiàn)象在開機(jī)運(yùn)行的初期不會(huì)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(qiáng)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(jī)械性能參數(shù)值比對(duì)分析，通過壓力澆鑄工藝方案獲得基體材料的機(jī)械性能各個(gè)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(shì)：
　?。?）不會(huì)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；
　　（3）由于鋁合金軸瓦基體材料相對(duì)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(shí)通過軸承座散發(fā)，而且不會(huì)出現(xiàn)由于瓦背與瓦座接觸面積不好導(dǎo)致的軸瓦相對(duì)于瓦座的微動(dòng)磨損現(xiàn)象；
　?。?）由于鋁合金軸瓦基體材料的熔點(diǎn)（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(diǎn)（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(duì)更強(qiáng)。
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來源：《壓縮機(jī)技術(shù)》2017 (5)