轉(zhuǎn)頁(yè)扇結(jié)構(gòu)振動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)與分析

方文杰，鄭志偉，謝春明，李忠華，杜文波，馬新強(qiáng)

（1.美的集團(tuán)中央研究院，廣東 佛山 528311；2.廣東美的環(huán)境電器制造有限公司,廣東 中山 528425）

隨著科技的進(jìn)步與發(fā)展，人們生活水平的提高，空調(diào)已逐步進(jìn)入廣大百姓的家庭，電風(fēng)扇曾被認(rèn)為是空調(diào)產(chǎn)品沖擊下的淘汰品，但其特有的價(jià)格低廉、省電以及對(duì)老人兒童的適用性，是空調(diào)產(chǎn)品所不能取代的，使其成為了天氣較炎熱的城市居家必備之品[1]。

風(fēng)扇振動(dòng)噪聲大使人煩躁，特別是晚上睡覺的時(shí)候，超靜音風(fēng)扇更能贏得人們的喜愛，正成為行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，各風(fēng)扇廠家正著力減小風(fēng)扇的振動(dòng)與噪聲，根據(jù)前人的經(jīng)驗(yàn)，電風(fēng)扇運(yùn)行時(shí)振動(dòng)的原因主要有兩個(gè)[2]：

(1)主電機(jī)和風(fēng)葉的平衡不好，在生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)其中由于風(fēng)葉制造精度低、變形等因素引起的風(fēng)扇振動(dòng)居多；

(2)電扇轉(zhuǎn)動(dòng)圓頻率與其系統(tǒng)固有頻率接近而引起共振。

扇葉的裝配結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)扇的氣動(dòng)性能有顯著影響，合理地設(shè)計(jì)電機(jī)支架，優(yōu)化裝配結(jié)構(gòu)，不僅可以降低風(fēng)道阻力，提高風(fēng)量，還可以降低風(fēng)機(jī)噪音[3]。本文以公司生產(chǎn)的某款轉(zhuǎn)頁(yè)扇為研究對(duì)象，經(jīng)過(guò)振動(dòng)測(cè)試分析、模態(tài)與諧響應(yīng)仿真，對(duì)機(jī)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高整機(jī)的扭轉(zhuǎn)模態(tài)固有頻率，明顯改善了轉(zhuǎn)頁(yè)扇的振動(dòng)。

1 振動(dòng)測(cè)試分析

轉(zhuǎn)頁(yè)扇動(dòng)力源有兩個(gè)：一個(gè)是帶動(dòng)扇葉轉(zhuǎn)動(dòng)的主電機(jī)，為振動(dòng)主要來(lái)源；另一個(gè)是帶動(dòng)導(dǎo)風(fēng)罩轉(zhuǎn)動(dòng)的小同步電機(jī)，經(jīng)樣機(jī)測(cè)試，此小電機(jī)產(chǎn)生的振動(dòng)約占總振動(dòng)5%左右，可忽略不計(jì)。兩個(gè)電機(jī)均安裝在機(jī)架中間轂部位置，如圖1所示，產(chǎn)生的振動(dòng)經(jīng)過(guò)6根支撐筋向機(jī)身傳遞，想要減小轉(zhuǎn)頁(yè)扇機(jī)身與桌面的振動(dòng)，主要是要減小電機(jī)振動(dòng)向支撐筋的傳遞，避開共振[4]。

圖1 轉(zhuǎn)頁(yè)扇原始結(jié)構(gòu)振動(dòng)測(cè)試傳感器布置

對(duì)轉(zhuǎn)頁(yè)扇進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試分析，選用加速度傳感器進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試，在頂部中間位置布置1個(gè)傳感器測(cè)試機(jī)身振動(dòng)值，在桌邊位置布置1個(gè)傳感器測(cè)試振動(dòng)向支撐面的傳遞大小，如圖1紅色圓圈內(nèi)所示。在3根筋上各布置1個(gè)加速度傳感器，用來(lái)研究電機(jī)振動(dòng)傳遞的大??；將電機(jī)置于軟海綿上運(yùn)行，在主電機(jī)外殼水平與垂直位置各布置1個(gè)3向加速度傳感器，反映主電機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)的特性，如圖2紅色圓圈內(nèi)所示。

圖2 轉(zhuǎn)頁(yè)扇電機(jī)振動(dòng)特性測(cè)試傳感器布置

應(yīng)用LMS數(shù)據(jù)采集測(cè)試設(shè)備，對(duì)原始結(jié)構(gòu)樣機(jī)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如下：3根筋上的振動(dòng)值相當(dāng)，約為5.2 m/s2；主電機(jī)3個(gè)方向的振動(dòng)值差異很明顯，2個(gè)加速度傳感器值均反映沿徑向振動(dòng)值最小，約為0.1 m/s2，沿軸向振動(dòng)值較大，約為1.8 m/s2，沿切向振動(dòng)值最大，約為4.2 m/s2，接近支撐筋的振動(dòng)水平，主電機(jī)的3向振動(dòng)FFT頻譜均顯示100 Hz頻率最大，為市電頻率50 Hz的2倍，如圖3所示。

以上測(cè)試結(jié)果顯示：轉(zhuǎn)頁(yè)扇振動(dòng)主要由主電機(jī)產(chǎn)生的沿切向100 Hz振動(dòng)頻率激勵(lì)所致。

2 轉(zhuǎn)頁(yè)扇模態(tài)分析

2.1 模態(tài)仿真分析

建立轉(zhuǎn)頁(yè)扇的整機(jī)3維模型，應(yīng)用ANSYS Workbench軟件進(jìn)行模態(tài)仿真分析。由于轉(zhuǎn)頁(yè)扇的許多零件為比較薄的塑料面板或細(xì)長(zhǎng)筋結(jié)構(gòu)，故對(duì)機(jī)架、扇葉、后罩及電機(jī)外殼等零件進(jìn)行提取中面處理，進(jìn)行殼單元網(wǎng)格劃分，對(duì)電機(jī)軸、定子、轉(zhuǎn)子等厚實(shí)結(jié)構(gòu)零件進(jìn)行六面體網(wǎng)格劃分，共劃分274 376個(gè)網(wǎng)格單元，如圖4所示。

圖3 主電機(jī)外殼面3向振動(dòng)測(cè)試FFT頻譜圖

圖4 轉(zhuǎn)頁(yè)扇整機(jī)單元網(wǎng)格劃分

轉(zhuǎn)頁(yè)扇前、后機(jī)架采用ABS材料，扇葉、后罩等采用PP材料，電機(jī)外殼、軸等為結(jié)構(gòu)鋼，為使仿真更準(zhǔn)確反映真實(shí)效果，對(duì)以上3種材料的參數(shù)采用真實(shí)樣件測(cè)試值，利用拉力機(jī)測(cè)試以上3種材料試件的彈性模量E值，用高精度稱及排水測(cè)體積法測(cè)試3種材料試件的質(zhì)量與體積，計(jì)算得材料的真實(shí)密度，為保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，取3次測(cè)試值的平均，得以上3種材料的真實(shí)材料參數(shù)值，如表1所示。

表1 轉(zhuǎn)頁(yè)扇3種材料的真實(shí)材料參數(shù)測(cè)試值

對(duì)轉(zhuǎn)頁(yè)扇模型進(jìn)行約束模態(tài)仿真，發(fā)現(xiàn)機(jī)架的6根筋存在扭轉(zhuǎn)模態(tài)，與主電機(jī)的切向振動(dòng)激勵(lì)方向一致，模態(tài)振型如圖5所示。對(duì)應(yīng)的固有頻率為108 Hz，與電機(jī)產(chǎn)生的100 Hz激勵(lì)頻率接近。

圖5 轉(zhuǎn)頁(yè)扇仿真扭轉(zhuǎn)模態(tài)振型云圖

2.2 模態(tài)實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析

根據(jù)以上模態(tài)仿真結(jié)果可知：轉(zhuǎn)頁(yè)扇機(jī)架支撐筋的固有頻率與電機(jī)切向100 Hz激勵(lì)頻率接近，可能在共振區(qū)內(nèi)。為進(jìn)一步弄清轉(zhuǎn)頁(yè)扇支撐筋的扭轉(zhuǎn)模態(tài)特性，應(yīng)用西門子公司開發(fā)的LMS數(shù)據(jù)采集設(shè)備及LMS Test.lab測(cè)試軟件，對(duì)轉(zhuǎn)頁(yè)扇的6根支撐筋進(jìn)行扭轉(zhuǎn)模態(tài)測(cè)試，在6根筋的中間位置各布置1個(gè)加速度傳感器，測(cè)試方向與主電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同，如圖6紅色圓圈內(nèi)所示。

圖6 支撐筋扭轉(zhuǎn)模態(tài)測(cè)試

用安裝膠頭的力錘沿主電機(jī)外殼切向敲擊，敲擊方向同主電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向。經(jīng)測(cè)試與模態(tài)分析得6根支撐筋的扭轉(zhuǎn)模態(tài)固有頻率為103.7 Hz，與仿真結(jié)果相近，如圖7所示。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 機(jī)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)頁(yè)扇結(jié)構(gòu)雖復(fù)雜，但可將其整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為單自由度受迫振動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行定性分析，在簡(jiǎn)諧激振力作用下，建立有阻尼系統(tǒng)的微分方程，如式(1)所示[5]

式中：F0為簡(jiǎn)諧激勵(lì)力的幅值；ω為簡(jiǎn)諧激勵(lì)力圓頻率；m為整機(jī)等效質(zhì)量；ωn為整機(jī)系統(tǒng)固有圓頻率；c為黏性阻尼系數(shù)。

圖7 支撐筋扭轉(zhuǎn)固有頻率分析

求解微分方程，得解中一部分為激勵(lì)圓頻率為ω、不變振幅為B的穩(wěn)態(tài)受迫振動(dòng)，受迫振動(dòng)振幅B的表達(dá)式如式(2)所示[2]。

由式(2)可知：當(dāng)激振力圓頻率ωn接近振動(dòng)系統(tǒng)的固有圓頻率ω時(shí)，振動(dòng)幅值B值趨向最大值，即產(chǎn)生共振。以上模態(tài)仿真與模態(tài)實(shí)驗(yàn)測(cè)試均表明：轉(zhuǎn)頁(yè)扇支撐筋存在與電機(jī)產(chǎn)生的100 Hz激勵(lì)頻率接近的扭轉(zhuǎn)固有頻率，要改善轉(zhuǎn)頁(yè)扇的振動(dòng)，可以使支撐筋的扭轉(zhuǎn)固有頻率遠(yuǎn)離100 Hz，若降低固有頻率，風(fēng)扇易產(chǎn)生晃動(dòng)，故采取提高支撐筋扭轉(zhuǎn)固有頻率的方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

依據(jù)單自由度自由振動(dòng)系統(tǒng)固有頻率計(jì)算式(3)可知：要提高支撐筋的扭轉(zhuǎn)固有頻率，可提高支撐筋的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度K值或減輕質(zhì)量，扭轉(zhuǎn)剛度K值增加，扭轉(zhuǎn)模態(tài)固有頻率迅速上升[6]。根據(jù)模態(tài)仿真結(jié)果顯示的扭轉(zhuǎn)模態(tài)振型，可增加支撐筋的厚度及與之相連的導(dǎo)風(fēng)圈及轂面厚度，將支撐筋的厚度由原來(lái)5 mm增至8 mm，導(dǎo)風(fēng)圈的厚度由原來(lái)2.5 mm增至4 mm，將轂面設(shè)計(jì)為雙層結(jié)構(gòu)，如圖8所示。

圖8 轉(zhuǎn)頁(yè)扇機(jī)架優(yōu)化結(jié)構(gòu)

3.2 諧響應(yīng)仿真分析

對(duì)優(yōu)化后機(jī)架結(jié)構(gòu)整機(jī)模型進(jìn)行模態(tài)仿真，得支撐筋的扭轉(zhuǎn)模態(tài)固有頻率為183.5 Hz，比原始結(jié)構(gòu)的108 Hz提高了75.5 Hz；利用錘擊法進(jìn)行模態(tài)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，得支撐筋的扭轉(zhuǎn)模態(tài)固有頻率為174 Hz，比原始結(jié)構(gòu)的103.7 Hz提高了70.3 Hz。仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)試相近，均顯示支撐筋的扭轉(zhuǎn)固有頻率遠(yuǎn)離了電機(jī)產(chǎn)生的100 Hz激勵(lì)頻率。

應(yīng)用ANSYS Workbench軟件對(duì)轉(zhuǎn)頁(yè)扇頂部振動(dòng)測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行諧響應(yīng)仿真分析，在電機(jī)軸上施加轉(zhuǎn)矩載荷，轉(zhuǎn)矩載荷值依據(jù)電機(jī)扭矩計(jì)算式(4)計(jì)算，其中P、n值取轉(zhuǎn)頁(yè)扇正常運(yùn)行時(shí)測(cè)試得到的額定輸出功率與實(shí)際轉(zhuǎn)速，如圖9所示。

對(duì)改善前、后機(jī)架結(jié)構(gòu)的整機(jī)模型仿真，得頂部測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)加速度(以10為底進(jìn)行對(duì)數(shù)計(jì)算)對(duì)比如圖10所示。從諧響應(yīng)仿真結(jié)果看出：機(jī)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，對(duì)幾乎所有頻率的激勵(lì)，頂點(diǎn)加速度均有明顯改善，對(duì)100 Hz頻率的激勵(lì)改善更明顯。

圖9 諧響應(yīng)仿真施加轉(zhuǎn)矩載荷

圖10 轉(zhuǎn)頁(yè)扇頂部測(cè)點(diǎn)加速度諧響應(yīng)仿真對(duì)比

4 振動(dòng)效果驗(yàn)證

根據(jù)以上機(jī)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案制作樣件，換掉已測(cè)試的原始結(jié)構(gòu)樣機(jī)的機(jī)架，與前面實(shí)驗(yàn)相同，在優(yōu)化后機(jī)架的支撐筋、頂部、桌邊測(cè)點(diǎn)位置布置加速度傳感器，如圖11所示。測(cè)試優(yōu)化后結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)頁(yè)扇在相同轉(zhuǎn)速檔位的振動(dòng)值，得支撐筋的加速度為0.48 m/s2，對(duì)比原始結(jié)構(gòu)測(cè)得的5.2 m/s2，振動(dòng)減小了約90%；頂部與桌邊的加速度分別為0.28 m/s2與0.03 m/s2，對(duì)比之前原始結(jié)構(gòu)測(cè)得的1.13 m/s2與0.22 m/s2，振動(dòng)減小了75%以上，如圖12所示。

圖11 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后樣機(jī)振動(dòng)測(cè)試

圖12 結(jié)構(gòu)優(yōu)化前、后整機(jī)振動(dòng)測(cè)試對(duì)比

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)公司某款轉(zhuǎn)頁(yè)扇的振動(dòng)測(cè)試與分析，證明轉(zhuǎn)頁(yè)扇振動(dòng)是由于機(jī)架支撐筋存在與電機(jī)產(chǎn)生的100 Hz切向激勵(lì)頻率相近的扭轉(zhuǎn)固有頻率，應(yīng)用ANSYS Workbench軟件對(duì)支撐筋進(jìn)行模態(tài)仿真與錘擊法模態(tài)測(cè)試，分析結(jié)果相近。通過(guò)對(duì)支撐筋等的加固設(shè)計(jì)，將扭轉(zhuǎn)固有頻率提升了70 Hz以上，整機(jī)諧響應(yīng)仿真分析顯示頂部測(cè)點(diǎn)加速度明顯減小，樣機(jī)頂部及桌邊振動(dòng)減小75%以上，支撐筋振動(dòng)減少約90%，手感振動(dòng)明顯改善。本文研究對(duì)轉(zhuǎn)頁(yè)扇等同類家電產(chǎn)品的振動(dòng)分析有一定的參考價(jià)值。