軸流風(fēng)葉可靠性分析及優(yōu)化

摘要：本文采用有限元分析方法，對(duì)空調(diào)軸流風(fēng)葉結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的可靠性進(jìn)行分析，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出了準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。通過(guò)對(duì)比分析提出通過(guò)增加平筋代替常規(guī)的加強(qiáng)筋，減少或避免了軸流風(fēng)葉在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中依靠經(jīng)驗(yàn)造成的強(qiáng)度不足問(wèn)題，有效的提高葉片的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

關(guān)鍵詞：軸流風(fēng)葉；有限元分析；高速運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)

1.引言

軸流風(fēng)葉因其流量大、體積小、壓頭低的特點(diǎn)被廣泛用于空調(diào)室外機(jī)中，作為空調(diào)系統(tǒng)中重要的送風(fēng)裝置，軸流風(fēng)葉的好快直接關(guān)系到空調(diào)的舒適性及使用壽命的長(zhǎng)短。

軸流風(fēng)葉的工作轉(zhuǎn)速一般在700～1000RPM，風(fēng)葉的高速旋轉(zhuǎn)容易導(dǎo)致葉片斷裂、振動(dòng)過(guò)大和啟動(dòng)噪聲過(guò)大等問(wèn)題。隨著近年來(lái)消費(fèi)者對(duì)空調(diào)設(shè)計(jì)壽命要求的不斷提高，作為空調(diào)主要運(yùn)動(dòng)零件的軸流風(fēng)葉在整機(jī)的壽命設(shè)計(jì)中占據(jù)越來(lái)越重要的地位。

本文以某款軸流風(fēng)葉為對(duì)象，對(duì)風(fēng)葉進(jìn)行受力分析和校核以及相應(yīng)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力仿真計(jì)算，最后提出了提高風(fēng)葉強(qiáng)度優(yōu)化的設(shè)計(jì)思路及方法。

2.設(shè)計(jì)目標(biāo)

關(guān)于風(fēng)葉可靠性相關(guān)的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)較多，鑒于篇幅原因，本文主要通過(guò)分析風(fēng)葉的高速運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)確定風(fēng)葉的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)目標(biāo)。

實(shí)驗(yàn)要求：風(fēng)葉運(yùn)轉(zhuǎn)之后不得出現(xiàn)變形、拉白，破損，裂紋等現(xiàn)象。風(fēng)葉軸孔處不能出現(xiàn)破損現(xiàn)象。

風(fēng)葉出現(xiàn)拉白，破損，裂紋等均是其材料失效的現(xiàn)象，所以設(shè)計(jì)的時(shí)候要保證其拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度不超標(biāo)即可。

3.軸流風(fēng)葉的力學(xué)特性

軸流風(fēng)機(jī)的葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，葉片上受到離心力和氣流流動(dòng)壓力，前者使葉片內(nèi)產(chǎn)生拉應(yīng)力，后者產(chǎn)生彎曲應(yīng)力。對(duì)于扭曲葉片，離心力也會(huì)引起彎曲應(yīng)力。通常離心力產(chǎn)生的應(yīng)力遠(yuǎn)大于氣動(dòng)力的影響。軸流風(fēng)葉葉片頂部截面受到的離心力為零，向葉片根部逐漸增大，葉片根部達(dá)到最大值，所以，由離心力所引起的應(yīng)力在葉片根部也最大。

對(duì)于給定葉形的風(fēng)葉，其離心力產(chǎn)生的應(yīng)力為

?c=Fc/A

上式中，F(xiàn)c為葉片根部收到的離心力，N；A為葉片任意半徑r處截面積，單位為m2。

從公式中可以看出，截面面積越大，應(yīng)力越小。故對(duì)于給定葉形的風(fēng)葉，增大葉片根部截面積既能減少對(duì)流場(chǎng)和噪音的影響，又可以有效減少應(yīng)力。但是片面的增加橫截面積將會(huì)導(dǎo)致材料冷卻速度變慢，局部冷卻速度不一致將使內(nèi)部容易產(chǎn)生應(yīng)力，縮水等缺陷。故此筆者在設(shè)計(jì)風(fēng)葉的時(shí)候沒(méi)有采取常規(guī)在風(fēng)葉根部增加大導(dǎo)角的辦法，而是采用局部加筋的方法提高葉片根部強(qiáng)度，同時(shí)避免風(fēng)葉縮水的缺陷。

4.風(fēng)葉材料分析

眾所周知，軸流風(fēng)葉的材料和結(jié)構(gòu)是決定風(fēng)葉安全的兩個(gè)最主要因素。

下面首先對(duì)風(fēng)葉的材料進(jìn)行選擇，常見的軸流風(fēng)葉材料有以下幾種，AS-GF20以其優(yōu)異的性能成為軸流風(fēng)葉的首選材料，其缺點(diǎn)是密度較大，容易導(dǎo)致電機(jī)負(fù)載變大，導(dǎo)致電機(jī)噪音，后續(xù)應(yīng)該對(duì)風(fēng)葉進(jìn)行局部減料處理，對(duì)風(fēng)葉的總重量進(jìn)行控制。PP-GF10材料密度雖然小，但是材料的耐候性較差，在高溫高濕的商業(yè)場(chǎng)所或近海邊鹽分濃度較高的環(huán)境容易老化，謹(jǐn)慎推薦使用。

材料

參數(shù)ABS-GF15AS-GF20PP-GF10

拉伸強(qiáng)度82MPa120 MPa46 MPa

彎曲強(qiáng)度107MPa154 MPa63 MPa

密度1031.12 kg/m31.16kg/m30.97kg/m3

彈性模量5.3E+9Pa5.5E+9Pa5.5E+9Pa

泊松比0.350.450.33

5.結(jié)構(gòu)應(yīng)力仿真計(jì)算

近些年來(lái)，特別是家電行業(yè)，由于計(jì)算機(jī)軟硬件和有限元理論的迅速發(fā)展，運(yùn)用CAE軟件對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行可靠性分析已經(jīng)成為一種流行的趨勢(shì)。在產(chǎn)品開發(fā)階段，利用計(jì)算機(jī)仿真方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，不僅可以有效的提高產(chǎn)品的可靠性，改進(jìn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，而且能降低開發(fā)成本，縮短開發(fā)周期，提高產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。對(duì)于本文所涉及的軸流風(fēng)葉的設(shè)計(jì)，其可以準(zhǔn)確的計(jì)算風(fēng)葉表面的應(yīng)力分布，以便設(shè)計(jì)者可以針對(duì)超標(biāo)的應(yīng)力點(diǎn)重點(diǎn)改善，這是有限元計(jì)算的最大優(yōu)勢(shì)。本文采用了ANSYS15.0中的ANSYS Workbench對(duì)風(fēng)葉進(jìn)行了結(jié)構(gòu)的分析與改進(jìn)。

1.1計(jì)算前處理

計(jì)算時(shí)，根據(jù)檢驗(yàn)要求設(shè)定各種參數(shù)：

風(fēng)葉材料采用20%云母的AS材料，其彈性模量為5.5X103MPa，泊松比為0.45，密度為1.16kg/m3。按檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)要求，軸流風(fēng)葉高速運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速按其配合電機(jī)最高轉(zhuǎn)速的3.5倍進(jìn)行。本項(xiàng)目電機(jī)最高轉(zhuǎn)速為800RPM，故計(jì)算時(shí)風(fēng)葉轉(zhuǎn)速設(shè)定為2800RPM。

1.2原始風(fēng)葉的計(jì)算

通過(guò)仿真計(jì)算可以看出，該風(fēng)葉在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，葉片根部應(yīng)力較大，通過(guò)應(yīng)力云圖可以觀察到，當(dāng)風(fēng)葉轉(zhuǎn)速增大時(shí)，風(fēng)葉葉片表面的應(yīng)力從葉片頂部往根部逐漸增大，葉片背面根部的應(yīng)力達(dá)到最大值且非常的集中。風(fēng)葉的彎曲應(yīng)力使根部材料受到擠壓，超過(guò)其彎曲強(qiáng)度而失效。

1.3對(duì)模型的分析和改進(jìn)

通過(guò)以上分析，筆者通過(guò)在風(fēng)葉根部增加若干加強(qiáng)筋用于提高風(fēng)葉的強(qiáng)度，不同的加筋方案及其計(jì)算結(jié)果如下。

方案風(fēng)葉兩面

增加加強(qiáng)筋風(fēng)葉前沿

增加料厚風(fēng)葉根部

增加平筋

應(yīng)力云圖

截面圖

通過(guò)對(duì)結(jié)果對(duì)比可得出：

（1）單純加筋會(huì)改變應(yīng)力分布，但是不能有效改小最大應(yīng)力值，加筋后容易在加強(qiáng)筋根部出現(xiàn)最大應(yīng)力點(diǎn)。

（2）離心力的方向指向旋轉(zhuǎn)軸，單方面加厚風(fēng)葉厚度不能有效降低最大應(yīng)力值；

（3）可在風(fēng)葉根部最前部增加較大的平筋，能有效降低最大應(yīng)力值及改善應(yīng)力分布。

1.4實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求把風(fēng)葉安裝在測(cè)試電機(jī)上，逐步增加轉(zhuǎn)速至2800RPM，保持此轉(zhuǎn)速運(yùn)行5min，停機(jī)取出風(fēng)葉觀察，風(fēng)葉完好。

更換同批次風(fēng)葉，電機(jī)增加轉(zhuǎn)速到2900RPM，運(yùn)行5min，風(fēng)葉仍完好，再次提高轉(zhuǎn)速直至風(fēng)葉破裂，最終得到該風(fēng)葉的最高轉(zhuǎn)速為3000RPM，共運(yùn)行了4’50min。

特別提到，即使實(shí)驗(yàn)室有特制的鐵籠保護(hù)，風(fēng)葉破壞的瞬間仍發(fā)出巨大的噪音，破壞力非常大，在實(shí)驗(yàn)室取出的樣品已經(jīng)粉碎，通過(guò)零星的碎料判斷出風(fēng)葉的撕裂點(diǎn)在風(fēng)葉的根部，與有限元分析的結(jié)論一致。由于風(fēng)葉破壞后的殘件往往難以還原，這對(duì)設(shè)計(jì)者分析風(fēng)葉失效點(diǎn)帶來(lái)不小的困難，故建議采用有限元分析，其能夠觀察到常規(guī)實(shí)驗(yàn)難以觀察到的現(xiàn)象，有利于設(shè)計(jì)者分析和改進(jìn)。

以上僅是從局部結(jié)構(gòu)中增加強(qiáng)筋和改善應(yīng)力集中的方面提出了相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，經(jīng)筆者調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，除上述方法外，尚可從改善材料以及增加風(fēng)葉的外圈料厚等方面進(jìn)行軸流風(fēng)葉的改善。

6.結(jié)論

（1）風(fēng)葉的根部，特別是其背風(fēng)面，由于受風(fēng)葉運(yùn)行時(shí)的離心力作用，應(yīng)力容易集中，設(shè)計(jì)時(shí)需要對(duì)風(fēng)葉根部做特殊的加強(qiáng)處理；

（2）風(fēng)葉根部的加強(qiáng)筋位置需要根據(jù)仿真計(jì)算的結(jié)果確定，在風(fēng)葉根部前端增加平筋能有效改善風(fēng)葉應(yīng)力的分布和降低最大應(yīng)力點(diǎn)，可以減少葉片的破損；

（3）風(fēng)葉通過(guò)增加加強(qiáng)筋其強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了設(shè)計(jì)目標(biāo)，下一步可以通過(guò)局部減料或整體減薄材料的方法減少風(fēng)葉材料從而降低電機(jī)的負(fù)載。除此之外，設(shè)計(jì)者通過(guò)此方法既可保證風(fēng)葉質(zhì)量不變同時(shí)降低材料成本，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)良化設(shè)計(jì)與節(jié)省成本的雙重效果。

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