关于水流开关挡板断裂的失效分析

汤文通，蔡伟达

（珠海格力电器股份有限公司，珠海，519070）

水流开关是对空调机组的水流量自动控制和保护的装置，是空调机组重要的组成部件。王彦川［1］曾研究并归纳出一套水流开关选取的方法。席坚盟［2］曾系统性的讲解水流开关作用并对常见的故障提出解决对策。姬鹏先提出水流开关的靶流片在正常使用时长期受水流压迫会弯曲变形易疲劳破坏，并对其机型改善［3］。程其林［4］根据空调系统制冷量的不同设计新型水流开关，实现对水流开关不能准确定量设定的缺陷改善。当水流开关失效断裂时，会造成空调系统中有水泄漏或其他原因导致系统水流量减少而无法监测出来，严重时会导致空调机组的故障。本文将对售后反馈的水流开关挡板断裂的质量案例进行分析，通过对断裂样件进行电镜、金相、材料等分析手段得出此次挡板断裂原因，并针对断裂原因提出了相应改善方案。

1 故障描述

接到市场售后的反馈，某空调机组的水流开关出现质量故障，故障现象表现为水流压力保护，水流开关失效导致空调机组运行不稳定。对水流开关的失效样品进行拆解，发现水流开关挡板铆接根部断裂。水流开关的挡板在正常使用时长期受水流压迫处于弯曲、变形状态，易疲劳破坏，甚至断裂，根部断裂造成水流开关故障。见图1。

图1 水流开关挡板铆接根部断裂

2 原因分析

为了准确找出水流开关挡板铆接根部断裂的失效原因，对断裂的失效样件进行电镜、金相、材料等手段进行分析。

2.1 断口宏观分析

对水流开关挡板的断口进行宏观观察（见图2），从断口照片看断口没有明显的韧性断裂特征，断裂部位在挡板铆接的根部，该处为应力集中区域，也是受力薄弱点。

图2 挡板断口

2.2 电镜扫描分析［5-6］

根据电镜扫描分析挡板断口，见图3。其中如图3（a）所示，在低倍电镜下看出断面上存在从下至上的放射线，根据裂纹的扩展方向可知裂纹源为放射线反方向的聚集点，得出裂纹源在边缘处，如图中红框区域所示，图中的箭头方向为裂纹的扩展方向。

图3 低倍电镜扫描图

图3（b）为放射区放大微观形貌，从图片看出该区域存在明显的疲劳弧线，表现为疲劳断裂的放射区的特征。

图4为远离裂纹源区域电镜图，可以看出断面存在部分沿晶面断面，在各沿晶面间有河流状弧线，表现为解理断面的特征。此区域为疲劳断裂的瞬断区，瞬断区域可以为解理、类解理、沿晶或者韧窝的形貌特征。

图4 远离裂纹源区域电镜

2.3 金相分析［7］

观察样件金相组织，图5分别为断面及非断面两个金相组织，从金相图片看，两个区域的组织均表现为阶梯状组织，达到奥氏体不锈钢一类金相组织要求。排除材料本身热处理不当原因。

图5 金相组织

2.4 材料分析

对断裂样件材料成分电镜扫描，见图6。从结果看到样品的材料可以定性判定满足316L材料要求，对库存抽样测试结果同样显示材料满足316L材料要求（见表1），可以排除材料不合格导致断裂原因。

表1 材料元素含量测试

图6 断裂样件材料成分电镜扫描

2.5 受力分析

水流开关挡板的自由和工作状态见图7。在机组未开始工作时处于自由垂直状态，当机组开始运行时水流经过将挡板向图7（b）箭头方向弹开，水流平稳时挡板又回到自由状态，由此往复运动，所以挡板受到的力为一个交变力。

图7 水流开关挡板状态

在挡板弹开时把片铆接边缘受到一个向上的冲击力F1（见图8），同时在铆接处存在应力集中，结合图3（a）断裂扩展方向可知，挡板断裂主要作用力为挡板弹开状态冲击力的作用。

图8 铆接边缘受到向上外力

2.6 小结

通过对断裂的失效样件进行电镜、金相、材料等手段进行分析，得出此次挡板断裂原因为挡板受到交变冲击力最终在应力集中的铆接边缘处发生疲劳断裂。

3 改善建议及验证结果

3.1 改善建议

为了解决水流开关因挡板断裂造成空调系统故障的质量问题，本文建议加大挡板上R1、R2两个倒角（见图9），以此减少挡板折弯处的应力集中。

图9 挡板R倒角位置

3.2 实验验证

3.2.1 性能实验

为验证水流开关挡板增加倒角的改善方案性能可靠，对增加倒角的水流开关样品进行机械性能和振动实验等性能实验，实验结果见表2。

表2 性能实验结果

结果表明，增加倒角的改善样品的机械性能和振动实验均合格，证明改善方案的有效性。

3.2.2 寿命实验

对增加倒角的水流开关和原结构的水流开关分别进行连续通断10万次寿命实验，实验结束后检查挡板倒角处金相组织。从表3数据可得，增加倒角结构可以有效加大挡板抗疲劳强度，降低挡板金相组织变形率，进一步降低水流开关的故障率。

表3 增加倒角结构的抗疲劳强度验证结果

4 结束语

综上分析得出本次水流开关挡板断裂原因为挡板运动过程中受到来回交变载荷，挡板铆接根部处由于同时存在应力集中，在交变载荷及应力释放的双重作用下，最终导致挡板疲劳断裂，在此过程中起到主要作用力为挡板弹开时受到的冲击力。

本文通过对断裂样件进行电镜、金相、材料等分析手段得出此次挡板断裂原因为挡板受到交变冲击力最终在应力集中的铆接边缘处发生疲劳断裂。通过加大挡板上R1、R2两个倒角，可有效减少挡板折弯处的应力集中，降低水流开关的故障率。