關于水流開關擋板斷裂的失效分析

湯文通，蔡偉達

（珠海格力電器股份有限公司，珠海，519070）

水流開關是對空調機組的水流量自動控制和保護的裝置，是空調機組重要的組成部件。王彥川［1］曾研究并歸納出一套水流開關選取的方法。席堅盟［2］曾系統性的講解水流開關作用并對常見的故障提出解決對策。姬鵬先提出水流開關的靶流片在正常使用時長期受水流壓迫會彎曲變形易疲勞破壞，并對其機型改善［3］。程其林［4］根據空調系統制冷量的不同設計新型水流開關，實現對水流開關不能準確定量設定的缺陷改善。當水流開關失效斷裂時，會造成空調系統中有水泄漏或其他原因導致系統水流量減少而無法監測出來，嚴重時會導致空調機組的故障。本文將對售后反饋的水流開關擋板斷裂的質量案例進行分析，通過對斷裂樣件進行電鏡、金相、材料等分析手段得出此次擋板斷裂原因，并針對斷裂原因提出了相應改善方案。

1 故障描述

接到市場售后的反饋，某空調機組的水流開關出現質量故障，故障現象表現為水流壓力保護，水流開關失效導致空調機組運行不穩定。對水流開關的失效樣品進行拆解，發現水流開關擋板鉚接根部斷裂。水流開關的擋板在正常使用時長期受水流壓迫處于彎曲、變形狀態，易疲勞破壞，甚至斷裂，根部斷裂造成水流開關故障。見圖1。

圖1 水流開關擋板鉚接根部斷裂

2 原因分析

為了準確找出水流開關擋板鉚接根部斷裂的失效原因，對斷裂的失效樣件進行電鏡、金相、材料等手段進行分析。

2.1 斷口宏觀分析

對水流開關擋板的斷口進行宏觀觀察（見圖2），從斷口照片看斷口沒有明顯的韌性斷裂特征，斷裂部位在擋板鉚接的根部，該處為應力集中區域，也是受力薄弱點。

圖2 擋板斷口

2.2 電鏡掃描分析［5-6］

根據電鏡掃描分析擋板斷口，見圖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，根據裂紋的擴展方向可知裂紋源為放射線反方向的聚集點，得出裂紋源在邊緣處，如圖中紅框區域所示，圖中的箭頭方向為裂紋的擴展方向。

圖3 低倍電鏡掃描圖

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

圖4為遠離裂紋源區域電鏡圖，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，表現為解理斷面的特征。此區域為疲勞斷裂的瞬斷區，瞬斷區域可以為解理、類解理、沿晶或者韌窩的形貌特征。

圖4 遠離裂紋源區域電鏡

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金相組織，從金相圖片看，兩個區域的組織均表現為階梯狀組織，達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原因。

圖5 金相組織

2.4 材料分析

對斷裂樣件材料成分電鏡掃描，見圖6。從結果看到樣品的材料可以定性判定滿足316L材料要求，對庫存抽樣測試結果同樣顯示材料滿足316L材料要求（見表1），可以排除材料不合格導致斷裂原因。

表1 材料元素含量測試

圖6 斷裂樣件材料成分電鏡掃描

2.5 受力分析

水流開關擋板的自由和工作狀態見圖7。在機組未開始工作時處于自由垂直狀態，當機組開始運行時水流經過將擋板向圖7（b）箭頭方向彈開，水流平穩時擋板又回到自由狀態，由此往復運動，所以擋板受到的力為一個交變力。

圖7 水流開關擋板狀態

在擋板彈開時把片鉚接邊緣受到一個向上的沖擊力F1（見圖8），同時在鉚接處存在應力集中，結合圖3（a）斷裂擴展方向可知，擋板斷裂主要作用力為擋板彈開狀態沖擊力的作用。

圖8 鉚接邊緣受到向上外力

2.6 小結

通過對斷裂的失效樣件進行電鏡、金相、材料等手段進行分析，得出此次擋板斷裂原因為擋板受到交變沖擊力最終在應力集中的鉚接邊緣處發生疲勞斷裂。

3 改善建議及驗證結果

3.1 改善建議

為了解決水流開關因擋板斷裂造成空調系統故障的質量問題，本文建議加大擋板上R1、R2兩個倒角（見圖9），以此減少擋板折彎處的應力集中。

圖9 擋板R倒角位置

3.2 實驗驗證

3.2.1 性能實驗

為驗證水流開關擋板增加倒角的改善方案性能可靠，對增加倒角的水流開關樣品進行機械性能和振動實驗等性能實驗，實驗結果見表2。

表2 性能實驗結果

結果表明，增加倒角的改善樣品的機械性能和振動實驗均合格，證明改善方案的有效性。

3.2.2 壽命實驗

對增加倒角的水流開關和原結構的水流開關分別進行連續通斷10萬次壽命實驗，實驗結束后檢查擋板倒角處金相組織。從表3數據可得，增加倒角結構可以有效加大擋板抗疲勞強度，降低擋板金相組織變形率，進一步降低水流開關的故障率。

表3 增加倒角結構的抗疲勞強度驗證結果

4 結束語

綜上分析得出本次水流開關擋板斷裂原因為擋板運動過程中受到來回交變載荷，擋板鉚接根部處由于同時存在應力集中，在交變載荷及應力釋放的雙重作用下，最終導致擋板疲勞斷裂，在此過程中起到主要作用力為擋板彈開時受到的沖擊力。

本文通過對斷裂樣件進行電鏡、金相、材料等分析手段得出此次擋板斷裂原因為擋板受到交變沖擊力最終在應力集中的鉚接邊緣處發生疲勞斷裂。通過加大擋板上R1、R2兩個倒角，可有效減少擋板折彎處的應力集中，降低水流開關的故障率。