關(guān)于水流開(kāi)關(guān)擋板斷裂的失效分析

湯文通，蔡偉達(dá)

（珠海格力電器股份有限公司，珠海，519070）

水流開(kāi)關(guān)是對(duì)空調(diào)機(jī)組的水流量自動(dòng)控制和保護(hù)的裝置，是空調(diào)機(jī)組重要的組成部件。王彥川［1］曾研究并歸納出一套水流開(kāi)關(guān)選取的方法。席堅(jiān)盟［2］曾系統(tǒng)性的講解水流開(kāi)關(guān)作用并對(duì)常見(jiàn)的故障提出解決對(duì)策。姬鵬先提出水流開(kāi)關(guān)的靶流片在正常使用時(shí)長(zhǎng)期受水流壓迫會(huì)彎曲變形易疲勞破壞，并對(duì)其機(jī)型改善［3］。程其林［4］根據(jù)空調(diào)系統(tǒng)制冷量的不同設(shè)計(jì)新型水流開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水流開(kāi)關(guān)不能準(zhǔn)確定量設(shè)定的缺陷改善。當(dāng)水流開(kāi)關(guān)失效斷裂時(shí)，會(huì)造成空調(diào)系統(tǒng)中有水泄漏或其他原因?qū)е孪到y(tǒng)水流量減少而無(wú)法監(jiān)測(cè)出來(lái)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致空調(diào)機(jī)組的故障。本文將對(duì)售后反饋的水流開(kāi)關(guān)擋板斷裂的質(zhì)量案例進(jìn)行分析，通過(guò)對(duì)斷裂樣件進(jìn)行電鏡、金相、材料等分析手段得出此次擋板斷裂原因，并針對(duì)斷裂原因提出了相應(yīng)改善方案。

1 故障描述

接到市場(chǎng)售后的反饋，某空調(diào)機(jī)組的水流開(kāi)關(guān)出現(xiàn)質(zhì)量故障，故障現(xiàn)象表現(xiàn)為水流壓力保護(hù)，水流開(kāi)關(guān)失效導(dǎo)致空調(diào)機(jī)組運(yùn)行不穩(wěn)定。對(duì)水流開(kāi)關(guān)的失效樣品進(jìn)行拆解，發(fā)現(xiàn)水流開(kāi)關(guān)擋板鉚接根部斷裂。水流開(kāi)關(guān)的擋板在正常使用時(shí)長(zhǎng)期受水流壓迫處于彎曲、變形狀態(tài)，易疲勞破壞，甚至斷裂，根部斷裂造成水流開(kāi)關(guān)故障。見(jiàn)圖1。

圖1 水流開(kāi)關(guān)擋板鉚接根部斷裂

2 原因分析

為了準(zhǔn)確找出水流開(kāi)關(guān)擋板鉚接根部斷裂的失效原因，對(duì)斷裂的失效樣件進(jìn)行電鏡、金相、材料等手段進(jìn)行分析。

2.1 斷口宏觀分析

對(duì)水流開(kāi)關(guān)擋板的斷口進(jìn)行宏觀觀察（見(jiàn)圖2），從斷口照片看斷口沒(méi)有明顯的韌性斷裂特征，斷裂部位在擋板鉚接的根部，該處為應(yīng)力集中區(qū)域，也是受力薄弱點(diǎn)。

圖2 擋板斷口

2.2 電鏡掃描分析［5-6］

根據(jù)電鏡掃描分析擋板斷口，見(jiàn)圖3。其中如圖3（a）所示，在低倍電鏡下看出斷面上存在從下至上的放射線，根據(jù)裂紋的擴(kuò)展方向可知裂紋源為放射線反方向的聚集點(diǎn)，得出裂紋源在邊緣處，如圖中紅框區(qū)域所示，圖中的箭頭方向?yàn)榱鸭y的擴(kuò)展方向。

圖3 低倍電鏡掃描圖

圖3（b）為放射區(qū)放大微觀形貌，從圖片看出該區(qū)域存在明顯的疲勞弧線，表現(xiàn)為疲勞斷裂的放射區(qū)的特征。

圖4為遠(yuǎn)離裂紋源區(qū)域電鏡圖，可以看出斷面存在部分沿晶面斷面，在各沿晶面間有河流狀弧線，表現(xiàn)為解理斷面的特征。此區(qū)域?yàn)槠跀嗔训乃矓鄥^(qū)，瞬斷區(qū)域可以為解理、類解理、沿晶或者韌窩的形貌特征。

圖4 遠(yuǎn)離裂紋源區(qū)域電鏡

2.3 金相分析［7］

觀察樣件金相組織，圖5分別為斷面及非斷面兩個(gè)金相組織，從金相圖片看，兩個(gè)區(qū)域的組織均表現(xiàn)為階梯狀組織，達(dá)到奧氏體不銹鋼一類金相組織要求。排除材料本身熱處理不當(dāng)原因。

圖5 金相組織

2.4 材料分析

對(duì)斷裂樣件材料成分電鏡掃描，見(jiàn)圖6。從結(jié)果看到樣品的材料可以定性判定滿足316L材料要求，對(duì)庫(kù)存抽樣測(cè)試結(jié)果同樣顯示材料滿足316L材料要求（見(jiàn)表1），可以排除材料不合格導(dǎo)致斷裂原因。

表1 材料元素含量測(cè)試

圖6 斷裂樣件材料成分電鏡掃描

2.5 受力分析

水流開(kāi)關(guān)擋板的自由和工作狀態(tài)見(jiàn)圖7。在機(jī)組未開(kāi)始工作時(shí)處于自由垂直狀態(tài)，當(dāng)機(jī)組開(kāi)始運(yùn)行時(shí)水流經(jīng)過(guò)將擋板向圖7（b）箭頭方向彈開(kāi)，水流平穩(wěn)時(shí)擋板又回到自由狀態(tài)，由此往復(fù)運(yùn)動(dòng)，所以擋板受到的力為一個(gè)交變力。

圖7 水流開(kāi)關(guān)擋板狀態(tài)

在擋板彈開(kāi)時(shí)把片鉚接邊緣受到一個(gè)向上的沖擊力F1（見(jiàn)圖8），同時(shí)在鉚接處存在應(yīng)力集中，結(jié)合圖3（a）斷裂擴(kuò)展方向可知，擋板斷裂主要作用力為擋板彈開(kāi)狀態(tài)沖擊力的作用。

圖8 鉚接邊緣受到向上外力

2.6 小結(jié)

通過(guò)對(duì)斷裂的失效樣件進(jìn)行電鏡、金相、材料等手段進(jìn)行分析，得出此次擋板斷裂原因?yàn)閾醢迨艿浇蛔儧_擊力最終在應(yīng)力集中的鉚接邊緣處發(fā)生疲勞斷裂。

3 改善建議及驗(yàn)證結(jié)果

3.1 改善建議

為了解決水流開(kāi)關(guān)因擋板斷裂造成空調(diào)系統(tǒng)故障的質(zhì)量問(wèn)題，本文建議加大擋板上R1、R2兩個(gè)倒角（見(jiàn)圖9），以此減少擋板折彎處的應(yīng)力集中。

圖9 擋板R倒角位置

3.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.2.1 性能實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證水流開(kāi)關(guān)擋板增加倒角的改善方案性能可靠，對(duì)增加倒角的水流開(kāi)關(guān)樣品進(jìn)行機(jī)械性能和振動(dòng)實(shí)驗(yàn)等性能實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果

結(jié)果表明，增加倒角的改善樣品的機(jī)械性能和振動(dòng)實(shí)驗(yàn)均合格，證明改善方案的有效性。

3.2.2 壽命實(shí)驗(yàn)

對(duì)增加倒角的水流開(kāi)關(guān)和原結(jié)構(gòu)的水流開(kāi)關(guān)分別進(jìn)行連續(xù)通斷10萬(wàn)次壽命實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后檢查擋板倒角處金相組織。從表3數(shù)據(jù)可得，增加倒角結(jié)構(gòu)可以有效加大擋板抗疲勞強(qiáng)度，降低擋板金相組織變形率，進(jìn)一步降低水流開(kāi)關(guān)的故障率。

表3 增加倒角結(jié)構(gòu)的抗疲勞強(qiáng)度驗(yàn)證結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上分析得出本次水流開(kāi)關(guān)擋板斷裂原因?yàn)閾醢暹\(yùn)動(dòng)過(guò)程中受到來(lái)回交變載荷，擋板鉚接根部處由于同時(shí)存在應(yīng)力集中，在交變載荷及應(yīng)力釋放的雙重作用下，最終導(dǎo)致?lián)醢迤跀嗔眩诖诉^(guò)程中起到主要作用力為擋板彈開(kāi)時(shí)受到的沖擊力。

本文通過(guò)對(duì)斷裂樣件進(jìn)行電鏡、金相、材料等分析手段得出此次擋板斷裂原因?yàn)閾醢迨艿浇蛔儧_擊力最終在應(yīng)力集中的鉚接邊緣處發(fā)生疲勞斷裂。通過(guò)加大擋板上R1、R2兩個(gè)倒角，可有效減少擋板折彎處的應(yīng)力集中，降低水流開(kāi)關(guān)的故障率。