某型机械设备液位计故障分析试验设计

何 婷，邵 威，邓习树

（三一重工股份有限公司，湖南长沙 410100）

液位计用于测量容器中液位高低，为工程机械通用的关重件。根据使用工况，要求液位计透明，并有优良的化学稳定性、物理机械性、不黏性、耐老化性、不燃性和热稳定性。而外装在某机械设备水箱上，用于观察防冻液高度的某型液位计，在保内出现液位计管子发黑，进而无法观察到液位高度等故障，造成客户抱怨。

故障件与全新件外观对比如图1所示，本文通过使用环境调查，设计了一系列材料性能与分析试验，重现故障，并分析故障原因，制定解决对策以解决用户抱怨。

图1 故障液位计与全新液位计对比图片Fig. 1 Comparison of faulty liquid level gauge and new liquid level gauge

1 试验部分

1.1 试验设计

1.1.1 液位计使用环境分析

通过现场走访，安装环境查看，对故障液位计的使用环境进行分析获得如下信息：（1）液位计管子内部浸泡在防冻液里；（2）液位计安装在发动机附近，防冻液最高能达到100℃高温；（3）防冻液成分：50%乙二醇、50%水、规定浓度的防腐剂DCA4。

通过使用环境分析，为在实验室中重现出“发黑”故障，抽提出液位计变色影响因素：（1）室温条件下，材质与防冻液的相容性；（2）极限（100℃）高温下，材质自身变化；（3）高温条件下，防冻液与材质的相容性。

1.1.2 试验项目设计

针对抽提出的几个变色影响因素进行试验项目设计：（1）液位计塑料管性能测试：耐介质试验、耐热试验；（2）塑料管与防冻液的相容性：高温耐介质试验；（3）材质分析：傅里叶变换红外光谱；（4）塑料管热分析：氧化诱导温度。

1.2 试验设备

差示扫描量热仪：DSC214型，德国耐驰公司；傅立叶变换红外光谱仪：ThermoFisher is20型，美国赛默飞世尔公司；热空气老化试验箱：QLH225，合肥赛帆试验设备有限公司。

2 结果与讨论

2.1 耐介质试验结果分析

将液位计塑料管切割成段，浸泡在装有防冻液的烧杯中，置于23℃恒温室中，放置600h。经23℃恒温，600h防冻液浸泡后，塑料管透明，无明显变化。这说明室温条件下，塑料管与防冻液相容性良好，不会发生早期“发黑”故障。如图2所示。

图2 耐介质试验后结果图Fig. 2 Result picture after medium resistance test

2.2 耐热试验结果分析

液位计塑料管切割成段，置于100℃热空气老化试验箱中，老化240h。试验开展240h（10天）后，塑料管发生黄变，如图3所示。黄变是在自然太阳光、紫外线、热、氧、应力、微量水分、杂质、不正当工艺等作用下颜色发黄的现象。一般来说发生黄变有三个原因：（1）热老化；（2）光老化；（3）热氧老化。

图3 液位计塑料管耐热试验前后对比图Fig. 3 Comparison of plastic pipe of liquid level gauge before and after heat resistance test

热老化主要是环境温度升高时，塑料的分子链运动加剧，当分子链吸收的能量超过分子间化学键的离解能时会产生分子链的热降解或者基团脱落。

光老化一方面是到达地面的未被高空臭氧层所吸收的波长低于290nm的紫外光，是引起高分子材料老化最主要的因素。塑料吸收紫外光能量后，光子处于激发状态，这种激发态分子能产生光物理作用和光化学反应。另一方面是红外光，它对高分子材料的老化起加速作用，材料吸收红外光后转变为热能，热能加速材料的老化。

热氧老化与热老化类似，主要老化过程受空气中氧的影响。塑料在氧的作用下发生氧化反应，同时产生含氧自由基，然后进行自由基的增长和终止反应。热氧老化并不是单一的过程，通常是与光照、温度共同作用影响的。

液位计塑料管经100℃恒温放置，240h发生黄变，说明发生热老化或热氧老化。发动机水箱的长期使用温度为80~90 ℃，与售后故障报修时间相对一致。说明该液位计耐高温性能不满足技术要求。

2.3 高温耐介质综合试验结果分析

为深入验证售后问题原因，将该液位计塑料管切割三段，浸泡在防冻液中，置于高温（100℃）、耐介质（防冻液）双重因素交互影响的环境中，试验进行240h。240h后，重现“发黑”故障，如图4所示。同时，塑料管发生破碎，表面可见裂纹明显，失去强度，如图5所示。试验结果说明，在无氧气参与的高温作用下，塑料管同样发生变色，表明塑料管发生热老化变色。而在高温与防冻液作用下，塑料管发生降解，高分子链破坏。

图5 液位计塑料管高温耐介质试验后开裂图Fig. 5 Cracking of plastic pipe of liquid level gauge after high temperature medium resistance test

2.4 傅立叶变换红外光谱结果分析

为确定液位计材质，对该材料进行了红外分析。采用美国赛默飞世尔is20型中/远红外光谱仪，在400~4000 cm-1范围内测定红外光谱。试样采用直接取样的方式，液位计塑料管清洗后，用刀片刮膜，压平。样品扫描次数32，分辨率4，检测器DTGS，ATR（Ge）。

红外谱图如图6所示。塑料管样品在3500~3200 cm-1出现中强的N-H伸缩振动峰，1745~1640 cm-1出现酯羰基、酰胺羰基、脲羰基的C=O强伸缩振动峰，此为聚氨酯材料的特征峰。这一结论与文献［1-2］报道数据一致。故液位计塑料管材质为聚氨酯。

图6 液位计塑料管红外光谱图Fig. 6 Infrared spectrum of plastic tube of liquid level gauge

由于聚氨酯材料中残留不饱和键，受温度或空气等因素影响会逐渐被氧化成醛酮和羧酸结构，并进一步老化降解，生成了共轭双键或三键生色基团，产生黄变。其次，制备聚氨酯材料需用的异氰酸酯，在受光照或热时，异氰酸酯中的芳香体系会被逐渐氧化成醌式结构，导致聚氨酯制品发黄。这也进一步说明了文中耐热试验塑料管发生黄变的原因，并与文献［3-6］的研究结论一致。

此外，由于防冻液主要成分为乙二醇、水，聚氨酯材料在高温下易发生水解，分子链破坏。这就是2.3高温耐介质试验中，塑料管不但出现了“发黑”，还出现了裂纹的原因。

综上，该使用工况下的液位计不适合用聚氨酯材料制作，应该寻求一种耐热、化学惰性、耐水、耐老化且透明的塑料制作。“塑料王”聚四氟乙烯(PTFE)是一种满足要求的惰性塑料，耐高温、耐溶剂、耐老化，但其为热固性塑料，加工上存在一定的困难。经查，可熔性聚四氟乙烯材料(PFA)性能上和加工上具备可行性。

PFA为四氟乙烯(TFE)与全氟丙基乙烯醚(PPVE)的共聚物，文献［7-9］研究认为，PFA 拥有良好机械加工性能的同时，保持了聚四氟乙烯优良的物理机械特性、电性能、耐溶剂性能和化学性能等性能。与“塑料王”聚四氟乙烯(PTFE)相比， 最大的优点是可熔融加工，即可采用常规的热塑性树脂加工方法加工，加工上具备可行性。另外，PFA 在高温下的机械强度是普通 PTFE的 2 倍左右。

2.5 PFA液位计性能验证结果分析

取PFA材料制作的液位计，开展前述耐介质、耐热、高温耐介质实验，PFA液位计未发生黄变、开裂、破碎等状况，外观透明。实验结果如图7、图8所示。此外，由于高温耐介质实验最接近实际工况，且为故障发生的主要因素，故延长PFA液位计高温耐介质的实验时间，从240h延长至1000h，实验结果显示，PFA材质液位计未发生任何外观破坏和强度破坏。

图7 PFA液位计耐热实验前后对比图Fig. 7 Comparison of PFA level gauge before and after heat resistance test

图8 PFA液位计高温耐介质实验前后对比图Fig. 8 Comparison of PFA level gauge before and after high temperature medium resistance test

2.6 氧化诱导温度结果分析

氧化诱导温度是材料抗氧化的热力学参数，反映的是试样中抗氧化体系抑制其氧化所需要的温度，广泛用于分析材料的热氧稳定性和耐热老化性评价。为进一步验证PFA液位计材料的热氧稳定性，对PU液位计与PFA液位计开展氧化诱导温度实验。

采用差示扫描量热法可以简单快速测量高分子材料的氧化诱导温度，应用十分普遍。本实验采用ISO 11357-6:2008《塑料—差示扫描量热法(DSC)第6部分：氧化诱导时间(等温OIT)和氧化诱导温度(动态OIT)的测定》进行测试，起始温度25℃，升温速率10℃/min，气氛为氧气。

取试验液位计塑料管与PFA塑料标准试样少量，经清洗后，分别开展氧化诱导温度测试，DSC测试图谱如图9所示。试验结果显示，液位计塑料扫描至117℃左右出现氧化放热峰，而PFA塑料扫描至260℃左右才出现氧化放热峰。证明PFA塑料热氧稳定性大大优于该液位计所用塑料的热氧稳定性。

图9 PU塑料与PFA塑料氧化诱导温度测试结果对比图Fig. 9 Comparison of oxidation induced temperature test results of PU plastic and PFA plastic

邹文樵等［10］研究发现PFA 热降解反应最可能机制属于无规成核模型, 动力学方程相当于一级反应。降解活化能随降解率呈非单调变化，在降解过程的平均活化能为246.7kJ•mol-1，起始热老化温度为280℃。实验结果与文献结果一致。

综上，某型机械设备发动机水箱附近液位计由于使用环境及恶劣工况，不宜采用PU材料制作，可以使用PFA等聚四氟类的惰性塑料，以防止其在恶劣工况下发生热氧老化及水解。

3 结论

通过现场走访，安装环境查看，对故障件液位计的使用环境进行分析。通过分析，抽提出液位计变色的可能影响因素。通过对这几个因素进行试验项目设计，重现了故障，并分析故障发生的原因。同时，制定了对策，并对对策进行了验证，对策具备可行性。

(1)通过一系列试验设计，重现了液位计发黑的故障现象，该批液位计短期“发黑”故障发生的直接原因为聚氨酯材料在热作用下的结果，液位计由于安装在发动机附近，遭受热老化的影响与破坏，耐热试验与高温耐介质试验都重现了此故障。

(2)高温耐介质结果显示原液位计材料在高温下及防冻液介质作用下发生开裂解体破坏，结合材质分析试验结果推测为聚氨酯材料高温下发生水解。该工况下的液位计不宜采用聚氨酯材料制作。

(3)对PFA材料同步开展耐热、耐介质、高温耐介质试验，结果显示未发生黄变、开裂等故障，延长试验时间后，液位计外观无变化，依然透明可显示液位，建议该工况下液位计采用PFA材料制作。

(4)鉴于热氧稳定性为工况下使用的主要性能，对PFA材料液位计及故障件液位计塑料管开展了氧化诱导温度测试，试验结果显示PFA塑料热氧稳定性大大优于故障件液位计所用材质，验证了分析结论，指导了改进方向。