增壓器滑動軸承的氣穴侵蝕分析及解決措施

郭樹祥

(1 中國鐵道科學(xué)研究院,北京100081;2 鐵道部運輸局,北京100844)

氣穴侵蝕或氣蝕浸蝕(簡稱氣蝕)作為工程構(gòu)件的一種失效形式,自20世紀70年代以來就被人們所認識。發(fā)生氣蝕的流體中往往可以不含任何腐蝕介質(zhì),所以零件的這類破壞不存在化學(xué)腐蝕或電化學(xué)腐蝕。甚至流體中不含能產(chǎn)生沖蝕的微小固體顆粒。已經(jīng)公認氣蝕是力學(xué)或流體力學(xué)問題,即氣穴的萌生、長大與潰滅過程與流體特性、流體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、流體運動特性、機械振動等有關(guān),與系統(tǒng)中所用的材料關(guān)系很小。因為無論是金屬、陶瓷、橡膠、玻璃等都能發(fā)生氣蝕。然而一旦發(fā)生氣蝕后,氣蝕的發(fā)展(即裂紋的萌生與擴展)及零件的損傷程度,主要取決于材料的力學(xué)性能、結(jié)構(gòu)、顯微組織、應(yīng)力狀態(tài)等因素。所以目前國內(nèi)外對氣蝕的研究,主要集中在摩擦與潤滑學(xué)、流體力學(xué)及機械設(shè)計、液壓傳動等領(lǐng)域中。

氣蝕常發(fā)生在水力機械中的水輪機葉片、管路、船用螺旋槳[1],以及一些經(jīng)受壓力脈沖的水泵、閥門等零件,和在液體中受振動的柴油機氣缸套、曲軸及凸輪軸的軸瓦等零件上。增壓器中滑動軸承的內(nèi)表面工作在高速流動的潤滑油中,也發(fā)生氣蝕磨損[2],但以往對滑動軸承的故障分析中沒有考慮這方面的影響因素。

1 滑動軸承氣穴損傷機理

滑動軸承氣穴損傷的部位,不一定發(fā)生在軸承的最大載荷區(qū)。但總是和油道(油槽、油孔)的位置密切相關(guān),通常出現(xiàn)在油孔或油槽左右兩側(cè)的合金面上[3]。

潤滑油內(nèi)帶有水分,也溶有空氣;油膜中的壓力有高有低,有的區(qū)域還等于零,這就為油膜中生成氣泡或空穴創(chuàng)造了充分與必要條件。如果一些氣(汽)泡從潤滑油中溢出,則對軸承表面不起作用。若有一些氣泡被帶到油膜的高壓區(qū)后潰滅,而氣泡破裂時離軸承表面較遠(距表面10倍氣泡直徑)那影響也不大,但導(dǎo)致主軸的振動和噪聲。只有在軸承表面附近或黏附在其表面上的氣泡破裂時,它們才會引發(fā)軸承表面金屬的氣蝕損傷。

設(shè)定潤滑油中原始氣泡半徑為Ri;被壓縮后破裂氣泡半徑為r,由計算可知,當(dāng)R/r接近于2時,微射流的沖擊力為28.5 MPa,它達到了高錫鋁軸承合金的屈服應(yīng)力;當(dāng)R/r大于4時微射流的沖擊力為85.6 MPa,達到了銅鉛軸承合金的屈服應(yīng)力;當(dāng)R/r大于30時微射流的沖擊力可達到合金鋼的屈服強度。

氣泡大量而密集地在局部區(qū)域潰滅,產(chǎn)生的微射流不斷的反復(fù)沖擊,引起材料表面塑性變形與應(yīng)力集中,表面光潔度降低。這些粗糙的表面又成了后續(xù)氣泡集中的場所,氣泡的潰滅在此更為猛烈,由此造成軸承材料表面內(nèi)疲勞裂紋的萌生與擴展,最終導(dǎo)致表面金屬的小塊脫落。

推測在滑動軸承中易于發(fā)生氣穴損傷的區(qū)域是:(1)油膜動壓力波動加大的區(qū)域;

(2)潤滑油流速突變的區(qū)域(如油孔),該處的兩端存在壓力突變帶;

(3)易于產(chǎn)生應(yīng)力集中的部位,如滑動軸承內(nèi)表面的凸緣、拐角、微裂紋處,在微射流的沖擊下,容易萌生金屬的表面裂紋;

(4)表面粗糙的區(qū)域;

(5)滑動軸承流道上的臺階造成紊流,破壞了流體的連續(xù)性;易產(chǎn)生壓力波動。

2 增壓器滑動軸承氣蝕損傷實例

2.1 滑動軸承氣蝕損傷的形成特征

以國產(chǎn)內(nèi)燃機車柴油機用增壓器滑動軸承為例,如圖1顯示的滑動軸承上均勻分布著3個油孔及3條油楔,材料是采用雙金屬板:以08鋼板為基上面覆蓋著厚度0.5～0.75 mm的高錫鋁。雙金屬板的金相組織示于圖2(放大100倍),高錫鋁中的點狀顆粒是鋁錫共晶體,高錫鋁與鋼板之間還夾有一層厚度小于0.01 mm的純鋁。

圖1 三油楔滑動軸承

圖2 AlSn20Cu金相組織

內(nèi)燃機車某型號增壓器裝車運行10萬小時后,拆檢時發(fā)現(xiàn)一端的滑動軸承受損(圖3)。從它的宏觀形貌可見軸承內(nèi)孔邊緣的高錫鋁層已局部剝落,露出底層的鋼背;油孔處出現(xiàn)了環(huán)狀裂紋(箭頭A),與環(huán)狀裂紋相連的另一條裂紋已經(jīng)延伸到滑動軸承的邊緣(箭頭B);在鋁合金層的油楔面上發(fā)現(xiàn)多處向上凸起的針狀小孔(方框內(nèi)),它們分布不勻,直徑大小不等一般在0.2 mm以下。圖4是圖3方框放大20倍后的小孔圖像。局部區(qū)域還見到了多個相關(guān)聯(lián)的空洞,空洞附近也有環(huán)狀裂紋(圖5)。用掃描電鏡(SEM)可以清晰地見到3個關(guān)聯(lián)空洞的底部還有微孔,其左面還見到了更小的串狀微孔(圖6)。這些空洞具有一定深度,洞口基本呈圓形,在深度上呈上大下小的錐形。上述這些都是材料受氣穴損傷時所特有的典型形貌。因為增壓器在正常運轉(zhuǎn)時主軸與滑動軸承間的平均間隙僅有0.07 mm,要形成如圖4、圖5這種向上凸起的微小空穴,唯一的可能是如上所述的由氣(汽)泡破裂時產(chǎn)生的微射流造成了氣穴損傷,隆起的空穴邊緣(圖4)表明微射流的沖擊力已經(jīng)超過了鋁層的屈服強度,使它發(fā)生了塑性變形;當(dāng)微射流的沖擊波連續(xù)產(chǎn)生,并中心稍有偏離時,就形成了圖6這樣的串狀空穴,由于多次塑性變形而造成的加工硬化,促使串狀空穴周圍萌生了裂紋(圖5、圖6)。

圖3 故障滑動軸承宏觀照片

圖4 圖3方框放大照片

圖5 串狀空穴及周圍裂紋

圖6 圖5放大100倍后可見到左邊還有三個小空穴(SEM)

研究表明[4]隨著時間的延長受損區(qū)域的塑性應(yīng)變量也逐步增大,初期萌生的裂紋就沿鋁合金層的表面及其內(nèi)部擴展,當(dāng)裂紋相互關(guān)聯(lián)后鋁層與底層鋼背分離并脫落。圖7取自圖3上的A部位,A處鋁層在試樣切割過程中自行脫落,在露出的鋼背上也見到了點狀氣蝕坑的痕跡。這說明在微射流沖擊下形成的沖擊波有些可以擊穿鋁層后,其能量尚能造成底層鋼背的屈服而形成蝕坑。圖8的掃描圖像攝于已經(jīng)脫落的鋁層斷口,右上角是原有的鋁表面,左下角的鋁層已經(jīng)剝落了。在斷口的邊緣處留有一個凸起的氣蝕坑,右邊的裂紋向表面伸展;左邊的裂紋向下延伸(箭頭所示)。在進一步放大后見到了斷口上呈放射狀的疲勞紋(圖9)。除了這種延性的疲勞紋之外,鋁合金的斷口上還存在有解理疲勞紋(圖10),其宏觀形貌猶如一級級臺階(箭頭所示)。解理疲勞紋擴展時與晶體學(xué)有密切的關(guān)系,并且疲勞紋的間距很大,裂紋擴展示意圖見圖11。

圖7 油孔處鋁層脫落后的鋼背上顯露出的空穴

圖8 凸起的氣蝕坑邊緣的表面裂紋及向內(nèi)部伸展的內(nèi)部裂紋

圖9 鋁層斷口上的疲勞紋

圖10 鋁層中的解理疲勞紋

圖11 裂紋擴展示意圖

2.2 增壓器滑動軸承氣蝕損傷的后果和危害

在高錫鋁軸承合金雙金屬板的疲勞試驗中發(fā)現(xiàn)[5],軸承表面萌生出裂紋后它們向合金層內(nèi)部擴展,當(dāng)裂紋向下擴展到合金層與鋼背的結(jié)合面時,它不再向鋼背內(nèi)部發(fā)展,而是轉(zhuǎn)向沿著結(jié)合面擴展。一旦這些裂紋在結(jié)合面上彼此相遇時就會使軸承合金從鋼背上小塊剝落。多個小塊的剝落就累積為軸承表面的大面積殞落,最終導(dǎo)致軸承失效。

由于軸承的邊緣及進油孔內(nèi)外兩端,潤滑油的流速發(fā)生了突變,由于黏附效應(yīng)主軸的高速旋轉(zhuǎn)促使油孔內(nèi)壁的液體流速增大,則在該處存在壓力差;如果供油系統(tǒng)稍有阻隔,在油孔處易于形成間隙斷流;軸承內(nèi)的潤滑油流經(jīng)油孔時必然產(chǎn)生紊流。這些現(xiàn)象都是易于發(fā)生氣穴損傷的根源。所以在這些部位鋁合金的剝落較嚴重。

前述分析的故障滑動軸承的氣穴侵蝕是由于在合金層上產(chǎn)生了邊緣凸起的空穴,空穴周圍產(chǎn)生了塑性變形與加工硬化。在微射流的反復(fù)沖擊下,有些加工硬化區(qū)萌生出了微裂紋,在交變的油膜壓力作用下裂紋向下擴展,它們在鋼背與合金層的結(jié)合面上匯合,導(dǎo)致合金層從鋼板上脫落,軸承失效。

軸承失效意味著對轉(zhuǎn)子失去了支撐力,轉(zhuǎn)子不能工作勢必給機器設(shè)備造成危害。機車柴油機增壓器運用中一旦發(fā)生滑動軸承損壞,轉(zhuǎn)子停止運轉(zhuǎn),不能給柴油機氣缸供應(yīng)充足空氣,導(dǎo)致柴油機燃燒惡化,輸出功率降低直至停止工作,機車停止運行,會影響鐵路運輸秩序。嚴重時柴油機大量冒黑煙,甚至危及旅客身體健康。

3 結(jié)束語

為確保鐵路運輸秩序的正常和旅客身體健康的安全,希望機車增壓器制造單位及運用單位進一步對滑動軸承氣穴侵蝕損壞機理深入研究并探索完善防止措施,運用層面,機務(wù)段在日常的機車增壓器維護中,一是嚴格控制潤滑油的油品與質(zhì)量,定期化驗潤滑油,更換不合格潤滑油;二是規(guī)范機車乘務(wù)員操縱行為,避免由于提回手柄過快使增壓器轉(zhuǎn)速突變導(dǎo)致的潤滑油流速突變。制造單位改進滑動軸承的加工工藝,使油楔面與圓柱面之間自然過渡,尤其是軸承上油槽油孔處、邊緣處注意過渡的圓滑,避免產(chǎn)生棱角,造成應(yīng)力集中,同時提高軸承表面光潔度。隨著材料制造技術(shù)的發(fā)展,建議增壓器專業(yè)設(shè)計單位研究改進增壓器滑動軸承材質(zhì),探索采用如銅合金材料等新型軸承材料,以提高增壓器滑動軸承抗氣穴侵蝕能力。

[1] 韓順昌,趙九夷.螺旋槳材料空泡腐蝕機理的掃描電鏡研究[J].中國造船,1993,(1):14-28.

[2] 郭大威,等.滑動軸承的失效分析[M].北京:機械工業(yè)出版社,1985.

[3] 安 寧,等.大功率柴油機軸瓦的穴蝕機理及微觀形貌[J].機械工程材料,1998,22(3):49-51.

[4] 馬艷艷.動載滑動軸承氣蝕損傷過程與氣蝕磨損機制研究[D].上海:上海交通大學(xué),2005.

[5] 張桂芳.滑動軸承[M].北京:高等教育出版社,1985.

[6] 劉春慧.動載滑動軸承潤滑與疲勞磨損性能研究[D].上海:上海交通大學(xué),1999.