轴流风叶接触性腐蚀分析与研究

周梦然 贺雷 施清清 罗永前

格力电器股份有限公司 广东珠海 519000

1 引言

轴流风叶具有大流量、低压头等优点，被广泛应用于家电、矿井、冶金、纺织、电站等各个领域[1]。家电行业中以空调外机、风扇等产品为典型代表，使用交流电动机驱动轴流风叶运行以达到大风量及大冷量的要求。实际生产及使用过程中，轴流风叶与电机配合辅料选用不当，在本身机械强度、化学反应及外部应力等作用下会导致轴流风叶开裂，本文以某风扇轴流风叶轴孔开裂问题为例，结合材料机理、试验验证等进行综合分析，研究轴流风叶多辅料交叉接触性腐蚀机理，具有一定的指导意义。

2 轴流风叶破裂原因分析及处理

某风扇用轴流风叶在仓库储放1年左右出现风叶轴孔处开裂的问题，如图1所示。引起轴孔开裂的原因较多，一般包括材料选型不当，如机械强度不满足要求、接触后发生化学反应或环境适应性差导致长期放置可靠性降低开裂；风叶轴孔与电机轴尺寸设计不合理，配合应力大开裂；风叶与辅料接触产生腐蚀开裂等。本文对以上影响因素进行分析验证。

2.1 风叶材料选型合理性分析

2.1.1 风叶材料分析及验证

（1）经对故障轴流风叶测试成分，确认风叶轴套为PC材料，如图2所示；轴套外部风叶为AS材料，如图3所示。

（2）材料机理

聚碳酸酯（PC）属于无定形聚合物，是一种综合性能优良的非晶型热塑性树脂，具有优异的机型性能和尺寸稳定性等优点[2]。内聚能密度在塑料中居中等水平，溶解度参数约20（J/cm3）1/2。脂肪烃类、油类、大多数醇类对它无作用。酮类、芳香烃类、酯类壳使它溶胀，许多氯代烃，如二氯甲烷、二氯乙烷、氯仿、三氯乙烷等都是它的良好溶剂。二氧六环、甲酚、四氢呋喃也可以使它溶解。聚碳酸酯分子链上无仲、叔碳原子，具有较高的氧化稳定性。在干燥环境（15%）的大气环境中暴露数年，物理性能基本不变。但在潮湿的环境及强烈的日照条件下，会产生表面裂纹，并发暗。

丙烯晴-苯乙烯共聚物（AS）不易产生内应力，具有较高的冲击强度和优良的耐热性、耐汽油性、耐化学腐蚀性，不受稀酸、稀碱、稀醇和汽油的影响，但是溶于丙酮、乙酸乙酯、二氯乙烯等溶剂[3]。

2.1.2 风叶机械性能测试

根据“D-CTFP质量创新驱动理论研究与应用”，对较多风叶进行测试分析验证及实际应用，总结如下冲击测试和高速运转测试方法，可对风叶的机械性能进行筛选作用。

（1）冲击测试

使用冲击锤对风叶轴孔施加0.7J的冲击强度，连续冲击10次，样品无异常，未出现开裂等异常。

（2）高速运转

将风叶按其配合电机额定最高转速的3倍进行，连续运转10min。风叶和风叶轴套均无异常，未出现开裂等异常。

2.1.3 风叶环境适应性测试

（1）高低温冲击测试

将风叶置于-30℃的低温试验箱中3小时后，立即转入到温度为60℃ 95%湿度的高温试验箱中存放3小时，完成一个循环6小时。连续运行测试31天，轴套与风叶均无异常。

（2）潮态测试

将10个风叶轴套和5个风叶放入60℃ 90%湿度环境中96小时后，样品无异常，轴孔未出现开裂等问题。

以上材料分析及测试结果表明，PC及AS两种材料均有较强的机械性能，不易出现开裂等异常，且无产生化学反应特性，在正常使用及受热（热胀冷缩）情况下不会出现开裂等异常问题，环境适应性强。综上，AS材料风叶零部件可满足风扇整机相关物理性能要求。

表1 电机轴直径

表2 风叶轴套直径

图1 风叶轴孔开裂图片（白色）

图2 风叶轴套成分分析图谱

2.2 风叶轴孔与电机轴配合尺寸符合性测试分析

对风叶轴套和电机轴的尺寸进行排查，排查结果如表1、表2所示，风叶轴套和电机轴尺寸均在合格范围内，且至少存在0.04的配合公差，装配无干涉，轴套与电机轴之间无应力，尺寸符合要求。

2.3 风叶与电机辅料类接触性实验分析

根据使用及储放一年后开裂，分析为风叶接触性物质引发的开裂问题。经核实，与风叶配合的电机，其电机轴表面会涂抹一层防锈油防止生锈，并套上PVC套管用于防尘，同时电机轴上安装一个橡胶的减震垫用于降噪，各部件结构配合如图4所示。本部分就涉及与风叶接触的物质有防锈油、PVC套管（使用时会取掉）、橡胶的减震垫，进行验证分析。

2.3.1 接触性辅料材料性质

（1）电机防锈油：SR-70A冷涂型防锈脂，油成分：凡士林膏＞20%、矿物油＞20%、添加剂＜20%。防锈脂在电机轴表面形成一层脂状保护膜，不易流失和挥发，并抗冲刷、抗碰撞、防锈作用可靠、防锈期也较长。

（2）PVC套管：PVC为聚氯乙烯。工业生产的PVC分子量一般在5万～11万范围内，具有较大的多分散性，分子量随聚合温度的降低而增加；无固定熔点，80～85℃开始软化，130℃变为粘弹态，160～180℃开始转变为粘流态；有较好的机械性能，抗张强度60MPa左右，冲击强度5～10kJ/m2；有优异的介电性能。聚氯乙烯（PVC）是氯乙烯单体通过自由基聚合而成并于19世纪开始在美国应用，其用量仅次于聚乙烯，为世界第二大通用塑料。它具有重量轻、寿命长、强度高、耐磨、耐化学腐蚀，具有较好的阻燃及绝缘性等众多优点，被广泛应用于工业、农业、建筑、电子电器、汽车以及电力通信等领域[4,5]。本机型主要PVC套管主要用于防止长期放置后电机防锈油的干涸。

表3 乙酰柠檬酸三丁酯、对苯二甲酸酯接触性试验结果

图3 风叶轴套成分分析图谱（本色）

图4 风叶、轴套、橡胶减震垫结构配合示意图

（3）橡胶减震垫：具有可逆形变的高弹性聚合物材料。在室温下富有弹性，在很小的外力作用下能产生较大形变，除去外力后能恢复原状。橡胶是一种非金属聚合物，其弹性性能好、吸振能力强、在受力的情况下产生变形，撤销力后能立即恢复原形，抗冲击性能好[6]。

橡胶性能：①突出的高弹性，表现为有很高的伸长率。纯天然胶可拉伸到原长的800%而不断；较小的弹性模量，在延伸100%时所产生的应力仅为数百牛顿每平方厘米；在拉断后保持较小的永久变形，即在反复受力后不能复原的积累量也极微。②良好的耐磨性、高的摩擦系数和耐酸碱腐蚀性，有些品种如丁腈胶、氟橡胶等还耐油。此外，橡胶还具有电绝缘、消振和气密等特性。缺点是导热差、不耐热及不易机械加工等。

本过程包括塑炼、混炼、压延或挤出、成型和硫化等基本工序，每个工序针对制品有不同的要求，分别配合以若干辅助操作。为了能将各种所需的配合剂加入橡胶中，生胶首先需经过塑炼提高其塑性；然后通过混炼将炭黑及各种橡胶助剂与橡胶均匀混合成胶料；胶料经过压出制成一定形状坯料。

2.3.2 风叶零部件与接触性辅料样条测试分析

（1）常用的洗涤剂（花王、保洁）均匀的涂抹在PC、PC+色母、AS的带熔接样条，并使样条受到4mm挠度的应力。在60℃ 95%湿度环境中放置21天无异常。

（2）将电机防锈油涂抹在PC、PC+色母、AS的带熔接样条，并使样条受到4mm挠度的应力。在60℃ 95%湿度环境中放置21天无异常。

（3）将电机防锈油涂抹在PC、PC+色母、AS的带熔接样条，并将电机护套剪碎放于熔接纹处（即电机油+PVC护套），使样条受到4mm挠度的应力。在60℃ 95%湿度环境中放置21天，无异常。试验结果如图5中（1）、（2）、（3）。

AS材料+电机油、AS材料空白样，均无异常。结果如图5（1）；

PC材料+电机油+PVC套管粉末、PC材料+电机油+橡胶垫粉末、PC材料+电机油、PC材料空白样，均无异常。结果如图5（2）；

PC材料+电机油+PVC套管粉末、PC材料+电机油+橡胶垫粉末、PC材料+电机油、PC材料空白样，均无异常。结果如图5（3）。

（4）将电机防锈油涂抹在PC、PC+色母、AS的带熔接样条，并将橡胶减震垫剪碎放于熔接纹处（即防锈油+橡胶），使样条受到4mm挠度的应力。在60℃ 95%湿度环境中放置21天，AS样条出现开裂。试验结果如图6所示。

从以上对比测试结果可知，电机油本身与AS材质风叶无反应，但电机油+带应力的AS+橡胶则产生化学反应。分析为相似相溶原理，电机油将橡胶中的某种添加剂萃取出来，使得这种添加剂与AS反应，在熔接纹处产生开裂。经过试验测试分析，AS可溶于丙酮、乙酸乙酯、二氯乙烯等溶剂；浸油后橡胶会析出乙酰柠檬酸三丁酯，浸油后PVC套管会析出对苯二甲酸酯。对两种酯类进行接触性试验进一步对比验证。

实验结果：将乙酰柠檬酸三丁酯均匀涂抹在带熔接纹的AS材料表面时，经过30秒后样条出现断裂问题，且表面被腐蚀。而其他带熔接纹的样条无异常，如表3、图7所示。从以上试验结果可知：乙酰柠檬酸三丁酯与带熔接纹的AS材料接触产生腐蚀反应，在施加应力情况下导致开裂。

电机防锈油将橡胶减震垫中的添加剂乙酰柠檬酸三丁酯萃取出来，使之与AS风叶轴孔接触产生化学反应腐蚀，当AS风叶轴孔处存在熔接痕及内应力情况下导致轴孔开裂。此电机减震垫片用在电机卡簧降低整机的低频噪音，使用相同硬度的硅胶垫片替换橡胶，或更改为金属垫片，提高耐久性和耐老化性能，重新匹配测试合格。

图5 PC、PC+色母、AS与防锈油+PVC护套的试验结果

图6 PC、PC+色母、AS与防锈油+橡胶的试验结果

图7 AS、PC、PC、ABS分别与ATBC和DOTP的对比试验结果

3 结论

本文通过对轴流风叶轴孔开裂问题进行分析，从风叶材料性质、风叶与电机配合尺寸、风叶与电机辅料类接触性腐蚀等方面进行试验验证，确定结果如下：

（1）当AS风叶轴孔处存在熔接痕及内应力情况下，实际安装到电机后风叶存在应力释放及结构薄弱点，是AS风叶轴孔开裂前提条件。实际应用可从减少AS风叶内应力、改变熔接纹位置等方面进行产品优化。

（2）电机轴上防锈油可将电机橡胶减震垫中增塑剂乙酰柠檬酸三丁酯萃取出来，存在熔接纹及内应力的AS风叶再与乙酰柠檬酸三丁酯接触会产生一系列化学反应导致风叶轴孔开裂。实际应用可从电机防锈方案、风叶装配结构、风叶及电机辅料选型等方面进行优化。本分析研究成果为后续风叶及电机接触性辅料设计选型提供一定参考价值。