陈华　孙振魁
（台州环天机械有限公司；中国石油化工股份有限公司巴陵分公司）

　　摘　要：铝合金轴瓦具有使用寿命长、抗冲击韧性好、不易脱落等优点，本文通过对影响轴瓦性能的主要因素，轴瓦常见失效形式及诱因进行分析，比较了铝合金轴瓦和钢背巴士合金轴瓦在性能上的异同，为铝合金轴瓦更好的应用提供了依据。
　　关键词：铝合金轴瓦；往复压缩机；失效分析
　　1　引言
　　轴瓦是往复压缩机关键部件，其性能的好坏直接影响压缩机的运行。常见轴瓦一般由三层基体材料组成:外表面壳、内表面合金层、内外表面之间过渡层（见图1）。三层基体材料的组合仅仅是不改变材料物理特性前提下的简单粘合，粘合后三层材料之间的粘接性是考核轴瓦制造质量的一个重要指标，粘接性越好的轴瓦，其内表面合金层在运转过程的抗冲击能力越好，发生合金粒碎裂后脱落的概率越低^[1]。

　　铝合金轴瓦具有使用寿命长、抗冲击韧性好、不易脱落等优点，越来越被广大用户所接受^[2]。铝合金轴瓦的使用条件与巴氏合金轴瓦相近，大量的使用结果表明只要轴瓦的基体厚度达到5mm，在不改变压缩机原有工作状况的情况下，轴瓦的基体材料就可以采用铝合金。
　　本文通过对影响轴瓦性能的主要因素，轴瓦常见失效形式及诱因进行分析，比较了铝合金轴瓦和钢背巴氏合金轴瓦在性能上的异同，为铝合金轴瓦更好应用提供了依据。

　　2　影响轴瓦性能的主要因素
　　如表1所示，影响轴瓦性能的主要因素包括：

　　（1）轴瓦在正常工作状况下对基体材料抗变形能力的要求相对较低，因此基体材料强度对使用结果影响不是十分明显；在工作状况相对恶劣、对基体材料抗变形能力有特别要求时，强度越小的产品其使用寿命越短。
　　（2）通过对大量存在非正常接触现象压缩机轴瓦的使用效果跟踪发现：设备超负荷运行、轴承局部载荷过高、过热、缺油及基架振动等现象出现时，如果使用强度不高的铝合金轴瓦并不能从根本上解决轴瓦异常失效的问题。
　　（3）轴瓦硬度过高可能导致的使用后果：运转过程的轴瓦一旦失效，基体与曲轴颈接触，硬度越高的基体对曲轴颈表面所造成的磨损量会越大。对于内表面没有覆盖减摩层的轴瓦，压缩机运行过程，如果轴瓦内表面与曲轴颈之间未建立稳定的油膜，两者发生摩擦是客观存在的，因为摩擦导致的磨损不可避免。外表面未覆盖减摩材料的轴瓦，由于基体材料的抗拉及抗压强度与硬度都极低（硬度稍高于巴氏合金的硬度），使用过程未出现曲轴异常磨损现象已在实际应用过程得到验证，但这类轴瓦因为强度不够，往往不能解决钢背轴瓦的严重失效问题。
　　（4）对于减摩层设计，铝合金轴瓦与曲轴配合时曲轴颈的表面硬度应在400HB以上^[3]。实际应用过程，曲轴颈的表面硬度基本达不到此要求，美国DR公司自20世纪60年代制造铝合金轴瓦，其工艺方案很好地解决了基体材料强度与硬度的这对矛盾：在抗拉强度很大的基体材料（抗拉强度不小于159MPa）表面覆盖一层硬度远远低于巴氏合金、耐磨、摩擦阻力相对更小的减摩材料。
　　3　轴瓦常见严重失效形式及诱因
　　轴瓦常见失效形式及诱因见表2。轴瓦的使用寿命直接影响压缩机的维护周期，在没有备用压缩机的情况下，停机维护造成的经济损失与维护的时间成正比例。目前通过频繁更换轴瓦解决轴瓦异常失效的现象普遍存在，造成了相当大的经济损失。

　　钢背轴瓦常见严重失效形式为轴瓦内表面合金层发生碎裂后的失效（如图2）。往复活塞压缩机用钢背巴氏合金轴瓦正常情况下的使用寿命一般不低于10000h，寿命低于2000h一般定性为严重失效，其损坏表象大多呈现内表面合金层碎裂现象，情况特别严重时，轴瓦内表面合金粒块状脱落。此现象一般由于轴瓦内表面不能建立稳定油膜所致，检查损坏轴瓦内表面时，常见伴随很深的摩擦痕迹。出现此现象时，选用粘接性能相对更好的轴瓦一般对使用结果没有大的变化，因此，试图通过提高轴瓦基体材料之间粘接性能的做法不能解决此类问题。

　　钢背巴氏合金轴瓦合金层的碎裂现象，大多数由于压缩机运转过程轴瓦内表面与轴颈的非正常接触所致。通过压缩机用轴瓦的使用效果的跟踪结果发现：轴瓦正常工作过程，其内表面与曲轴轴颈之间一旦建立稳定的油膜，配合表面之间不发生接触，此类轴瓦都具有内表面摩擦痕迹少、磨损量小的特征；轴瓦非正常工作过程，内表面划伤、减摩层变形、杂技入侵现象严重。因此，在各个配合精度满足要求的前提下，解决轴瓦严重失效的问题，其实质内涵就是解决轴瓦运转过程的非正常接触问题，这种非正常接触问题往往很难从源头上查找到发生问题的根本原因，而铝合金轴瓦因为具有抗冲击好，在出现非正常接触的情况上不会发生合金层碎裂的特性恰恰可以解决此类问题。
　　铝合金轴瓦失效后的表象可分为两种形式：基体材料变形和基体材料开裂。
　　基体材料变形所致的失效原因是基体受挤压渐渐发生变形后失效，失效工件外表面严重变形、摩擦内表面一般留有很深的犁痕。这种失效形式大多出现于轴瓦装机后运行时间不长的时间段，情况特别严重时，开机后2h内即发生烧瓦现象。
　　基体材料开裂所致的失效原因是曲轴颈及轴承座内孔圆柱度严重超差，导致轴瓦内表面局部承载过大，基体长时间承受挤压发生开裂。初始出现裂纹时，轴瓦内表面与曲轴颈的配合间隙变化量不大所以尚可以工作，随着被发现时间推移，裂纹变大，配合间隙变化量趋大，伴随基体温度升高、摩擦表面间声音变大，直至开裂失效，失效时间的长短与基体材料的延伸率有直接关系，材料的延伸率越大出现的周期越长，失效的工件呈现块状开裂，这种失效现象在开机运行的初期不会出现。
　　解决基体材料在使用过程出现的开裂现象，抛开其它因素，仅就轴瓦而言，其内涵就是要解决基体材料在满足高强度、低硬度的前提下，使得材料具有更好延伸率特性的问题。从“单层轴承用铝基合金”标准的机械性能参数值比对分析，通过压力浇铸工艺方案获得基体材料的机械性能各个参数无疑更接近此要求。
　　4　结论
　　通过本文的分析可以得出结论，铝合金轴瓦相比于钢背巴氏合金轴瓦有以下优势：
　　（1）不会出现钢背巴氏合金轴瓦，因内孔合金层与钢背分层而造成的轴瓦失效现象；
　　（2）钢背巴氏合金轴瓦因合金烧损后，钢背与主轴颈接触而出现伤轴现象的概率降低；
　　（3）由于铝合金轴瓦基体材料相对很软的特性，装配后瓦体外圆与瓦座的接触面积远远高于钢背轴瓦，使用过程产生的摩擦热能够及时通过轴承座散发，而且不会出现由于瓦背与瓦座接触面积不好导致的轴瓦相对于瓦座的微动磨损现象；
　　（4）由于铝合金轴瓦基体材料的熔点（650℃左右），远远高于钢背巴氏合金轴瓦中巴氏合金的熔点（250℃左右），因此，铝合金轴瓦工作过程中的高温抗变形能力相对更强。
　　参考文献：
　　[1]成大先，等.机械设计手册[M].北京:化学工业出版社，2016，6.
　　[2]郁永章，孙嗣莹，等.容积式压缩机技术手册[M].北京：机械工业出版社，2000.
　　[3]左超，陈以虎.往复压缩机轴瓦烧损及原因分析[J].甘肃科技，2012，28（21）：66-67.
　　[4]吴勇，吕冰.压缩机轴瓦异常磨损分析与处理[J].压缩机技术，2012，06：69-70.
　　[5]李胜军，王中文，刘素艳.6M40往复活塞压缩机轴瓦烧研故障处理[J].压缩机技术，2010，03：38-39.

来源：《压缩机技术》2017 (5)