PP-GF23在電風(fēng)扇軸流風(fēng)葉上的應(yīng)用研究

何應(yīng)明 左雙全 劉仲天

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

前言

傳統(tǒng)電風(fēng)扇軸流風(fēng)葉多采用ABS或AS材料為主，ABS樹脂是五大合成樹脂之一，其抗沖擊性、耐熱性、耐化學(xué)藥品性及電氣性能優(yōu)良，還具有尺寸穩(wěn)定、表面光澤性好等特點(diǎn)，容易涂裝、著色，是一種使用最廣泛的工程塑料之一。AS是丙烯晴（A），苯乙烯（S）的共聚物，它是堅(jiān)固而有剛性的材料，同樣具有良好的尺寸穩(wěn)定性、耐候性和化學(xué)穩(wěn)定性[1]，但同時(shí)AS存在脆性大,韌性差，更容易開裂的缺點(diǎn)。其廣泛應(yīng)用于汽車零部件、空調(diào)、電子等領(lǐng)域。玻纖增強(qiáng)PP材料，具有良好的韌性[2]，其拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度與ABS材料較為相近。且因其成本相對(duì)ABS有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，目前已有逐步替換ABS材料的趨勢(shì)。目前玻璃纖維（GF）增強(qiáng)聚丙烯（PP）復(fù)合材料已在制造汽車、電子電器等零件上得到廣泛應(yīng)用[3]。

由于玻纖增強(qiáng)PP材料的強(qiáng)度不及ABS材料，而電風(fēng)扇的軸流風(fēng)葉長(zhǎng)期使用在高溫、高速旋轉(zhuǎn)的環(huán)境中，葉形及葉尖高度的變化對(duì)產(chǎn)品性能有著重要影響，對(duì)風(fēng)葉強(qiáng)度提出了更高的要求。本文通過對(duì)比PP-GF 23與ABS在力學(xué)性能、高溫沖擊變形、風(fēng)量、長(zhǎng)期運(yùn)行等方面的差異，以整機(jī)性能指標(biāo)變化為導(dǎo)向，考察PP-GF23在電風(fēng)扇軸流風(fēng)葉上應(yīng)用的可行性。

1 性能對(duì)比

1.1 力學(xué)性能對(duì)比

1.1.1 試驗(yàn)部分

采用注塑機(jī)將PP-GF 23與ABS材料分別注塑成拉伸、彎曲、沖擊、熱變形樣條。拉伸性能按GB/T 1040標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試；彎曲性能按GB/T 9341標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試；懸臂梁缺口沖擊強(qiáng)度按GB/T 1843標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試；熱變形溫度按照GB/T 1634.1標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試；收縮率按GB/T 15585標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試；密度按GB/T1033標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試。

1.1.2 結(jié)果與討論

由表1可知，從材料的力學(xué)性能看，PP-GF23材料彎曲強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度均稍優(yōu)于ABS材料，沖擊強(qiáng)度相對(duì)ABS材料偏弱，耐高溫性能提升，同時(shí)兩者材料的密度、收縮率基本一致。材料密度和收縮率基本一致，表明PP-GF23軸流風(fēng)葉在模具設(shè)計(jì)、工藝生產(chǎn)制造等方面可以參照ABS經(jīng)驗(yàn)。沖擊強(qiáng)度較ABS差，表明在高速運(yùn)轉(zhuǎn)及長(zhǎng)期運(yùn)行后可能存在因強(qiáng)度不足而導(dǎo)致風(fēng)量性能衰減的風(fēng)險(xiǎn)，在風(fēng)葉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上應(yīng)考慮加強(qiáng)和優(yōu)化。

表1 材料力學(xué)性能對(duì)比

1.2 軸流風(fēng)葉設(shè)計(jì)

從材料力學(xué)性能對(duì)比分析，PP-GF23材料沖擊強(qiáng)度較ABS差，高速運(yùn)轉(zhuǎn)及長(zhǎng)期運(yùn)行后可能存在因強(qiáng)度不足而導(dǎo)致風(fēng)量性能衰減的風(fēng)險(xiǎn)，需要在風(fēng)葉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。風(fēng)葉采用逆向設(shè)計(jì)，通過現(xiàn)有葉型調(diào)整優(yōu)化。設(shè)計(jì)額定轉(zhuǎn)速1 100 rpm，7片扇葉，直徑350 mm軸流風(fēng)葉。通過Ansys仿真分析，葉片內(nèi)凹可以提升局部靜壓及風(fēng)速；尾緣褶皺有利于減輕負(fù)載和改善音質(zhì)；風(fēng)葉后掠15 °可提升風(fēng)速及降低負(fù)載。最終優(yōu)化后的風(fēng)葉結(jié)構(gòu)如圖1所示，風(fēng)葉應(yīng)力變形和靜壓分布仿真如圖2所示。

圖1 風(fēng)葉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖2 風(fēng)葉應(yīng)力變形和靜壓分布仿真

1.3 整機(jī)性能的風(fēng)量、能效對(duì)比

1.3.1 試驗(yàn)部分

采用注塑機(jī)將PP-GF 23與ABS材料分別注塑成7扇葉，直徑350 mm的軸流風(fēng)葉，配合同一電風(fēng)扇進(jìn)行風(fēng)量、能效測(cè)試，測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)按GB/T 13380執(zhí)行。

1.3.2 結(jié)果與討論

為了驗(yàn)證PP-GF23材料軸流風(fēng)葉風(fēng)量、能效是否滿足使用要求，將PP-GF23和ABS軸流風(fēng)葉安裝在同一臺(tái)電風(fēng)扇機(jī)上，在相同工況下進(jìn)行風(fēng)量、功率、能效測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表2。結(jié)果顯示，在相同的結(jié)構(gòu)、相同的轉(zhuǎn)速條件下，PP-GF23軸流風(fēng)葉的風(fēng)量、能效、功率與ABS軸流風(fēng)葉無明顯差異。由于風(fēng)葉結(jié)構(gòu)相同，材料強(qiáng)度、重量相當(dāng)，在滿足轉(zhuǎn)速要求下其切風(fēng)角度一致，對(duì)風(fēng)量、能效、功率影響程度一致。

表2 整機(jī)性能對(duì)比

2 尺寸穩(wěn)定性對(duì)比

2.1 試驗(yàn)部分

上文已從材料力學(xué)性能和整機(jī)性能上驗(yàn)證PP-GF23軸流風(fēng)葉與ABS材料基本一致。結(jié)合電風(fēng)扇實(shí)際使用情況，為驗(yàn)證PP-GF23材料尺寸穩(wěn)定性受環(huán)境影響，將從高溫靜置和高溫運(yùn)行兩個(gè)方面對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。

高溫靜置：使用注塑的PP-GF 23與ABS材料的7扇葉，直徑350 mm的軸流風(fēng)葉，在高溫 45 ℃環(huán)境下分別靜置48 h、96 h、134 h、172 h，測(cè)試各時(shí)間點(diǎn)風(fēng)葉葉尖高度的變化情況。

高溫運(yùn)行：使用注塑的PP-GF 23與ABS材料的7扇葉，直徑350 mm的軸流風(fēng)葉，配合同一電風(fēng)扇在高溫45 ℃環(huán)境下運(yùn)行48 h，測(cè)試運(yùn)行前后葉尖高度、風(fēng)量的變化情況，測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)按GB/T 13380執(zhí)行。

2.2 結(jié)果與討論

高溫靜置：

由圖3可知， PP-GF23和ABS軸流風(fēng)葉在高溫45 ℃環(huán)境中靜置48 h后，其葉尖高度尺寸變化相對(duì)較小。PP-GF23軸流風(fēng)葉葉尖高度變形量明顯高于ABS軸流風(fēng)葉，但兩者的變形量均在1 mm以內(nèi)，同時(shí)驗(yàn)證風(fēng)量、能效性能指標(biāo)無明顯變化?；诖耍琍P-GF23軸流風(fēng)葉可以滿足電風(fēng)扇高溫倉儲(chǔ)的相關(guān)要求，在高溫倉儲(chǔ)條件下具有良好的尺寸穩(wěn)定性。

圖3 尺寸穩(wěn)定性對(duì)比

高溫運(yùn)行：

由表3可知，短期高溫運(yùn)轉(zhuǎn)48 h后PP-GF23軸流風(fēng)葉的葉尖高度變形明顯高于ABS軸流風(fēng)葉，主要由于PP-GF23材料受環(huán)境溫度影響程度大于ABS，力學(xué)性能下降，沖擊強(qiáng)度較ABS稍差。在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)PPGF23軸流風(fēng)葉的內(nèi)部玻纖紋受離心力作用存在不同程度的向外側(cè)遷移，一定程度上降低了PP-GF23軸流風(fēng)葉根部強(qiáng)度。但受益于軸流風(fēng)葉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化，可有效降低了由于葉尖高度的變化對(duì)風(fēng)葉風(fēng)量性能的影響，所以PP-GF23和ABS軸流風(fēng)葉運(yùn)轉(zhuǎn)前后風(fēng)量性能變化情況一致，且未發(fā)生衰減。表明PP-GF23可以滿足電風(fēng)扇短期高溫運(yùn)行的性能要求。但同時(shí)也說明在高溫沖擊下，PP-GF23材料尺寸穩(wěn)定性相對(duì)ABS稍差，需要通過優(yōu)化軸流風(fēng)葉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來降低尺寸微小變化對(duì)整機(jī)性能產(chǎn)生的影響。

表3 高溫運(yùn)行性能對(duì)比

3 長(zhǎng)期運(yùn)行可靠性驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)部分

使用注塑的PP-GF 23材料的7扇葉，直徑350 mm的軸流風(fēng)葉，配合1 100 r/min的電風(fēng)扇在高溫45 ℃環(huán)境下長(zhǎng)期運(yùn)行，測(cè)試運(yùn)行過程中各階段的扇葉葉尖高度以及風(fēng)量的變化情況，測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)按GB/T 13380執(zhí)行。

3.2 結(jié)果與討論

由圖4可知，PP-GF23軸流風(fēng)葉葉尖高度變形量隨運(yùn)行時(shí)間的增加而逐漸趨于穩(wěn)定，在高溫運(yùn)行240 h和1 000 h兩個(gè)時(shí)刻，風(fēng)葉的葉尖高度變化量在1 mm以內(nèi)。同時(shí)從圖中可以看出在各時(shí)間點(diǎn)PP-GF23軸流風(fēng)葉風(fēng)量基本一致，過程無明顯衰減。因此，PP-GF23軸流風(fēng)葉可以滿足電風(fēng)扇長(zhǎng)期使用要求。

圖4 長(zhǎng)期穩(wěn)定性分析

4 總結(jié)

本文通過對(duì)比PP-GF23與ABS材料的力學(xué)性能、軸流風(fēng)葉匹配同一電風(fēng)扇的整機(jī)性能、高溫環(huán)境下的尺寸穩(wěn)定性以及整機(jī)長(zhǎng)期高溫運(yùn)行等，得出PP-GF23材料取代ABS材料在電風(fēng)扇軸流風(fēng)葉上的應(yīng)用是可行的，結(jié)論有以下三點(diǎn)：

1）兩種材料的沖擊強(qiáng)度有差異，PP-GF23材料差于ABS，拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度PP-GF23材料稍有優(yōu)勢(shì)。

2）PP-GF23材料沖擊強(qiáng)度較ABS差，在高溫靜置、高溫運(yùn)行沖擊下PP-GF23軸流風(fēng)葉較ABS容易變形，但通過對(duì)軸流風(fēng)葉的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化后，匹配同一電風(fēng)扇的風(fēng)量、能效等整機(jī)性能對(duì)比沒有明顯差異。風(fēng)葉材料差異可以通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化來降低葉形尺寸變化對(duì)整機(jī)性能產(chǎn)生的影響。

3）在高溫運(yùn)行及高溫靜置試驗(yàn)中的葉尖高度和風(fēng)量的變化趨勢(shì)表明，通過合理的試驗(yàn)可快速驗(yàn)證出材料差異對(duì)產(chǎn)品性能的影響。