關(guān)于溫度對塑料風(fēng)葉轉(zhuǎn)軸影響分析

鄧 勇 田 朋 陳昌中

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

離心風(fēng)葉由于通風(fēng)效果好，維護(hù)方便等特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于空調(diào)室內(nèi)機(jī)中。離心風(fēng)葉轉(zhuǎn)軸在使用過程中受力主要為切向方向即離心力，當(dāng)轉(zhuǎn)軸在溫度升高至塑料變形溫度時(shí)，離心風(fēng)葉離心力受力特性會發(fā)生突變，可靠性降低。本文以某款空調(diào)室內(nèi)機(jī)離心風(fēng)葉為研究對象，初步分析了溫度對風(fēng)葉嵌件穩(wěn)定性的影響，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了風(fēng)葉在高溫情況下風(fēng)葉嵌件會脫離，為電機(jī)溫升設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)性意見。

1 離心風(fēng)葉受力特性

風(fēng)葉的葉輪在旋轉(zhuǎn)時(shí)，葉片上受到的主要是離心力和由氣流流動(dòng)的氣動(dòng)載荷力，在風(fēng)葉高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)離心力遠(yuǎn)大于氣動(dòng)載荷，因此離心力為風(fēng)葉高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的主要載荷[1],所以風(fēng)葉嵌件主要受力為切向離心力F：

式中：

m—為葉片質(zhì)量kg；

r—為風(fēng)葉嵌套至葉輪中心的距離m；

ω—為葉輪角速度rad/s。

2 離心風(fēng)葉轉(zhuǎn)軸破裂分析

某型空調(diào)內(nèi)機(jī)風(fēng)葉售后反饋，風(fēng)葉因局部高溫根部已發(fā)生形變，且風(fēng)葉內(nèi)圈已經(jīng)熔化，如圖1所示，風(fēng)葉嵌件與風(fēng)葉發(fā)生脫落，如圖2所示。從圖中可以看出風(fēng)葉嵌件與轉(zhuǎn)軸處發(fā)生了滑移。

圖1 風(fēng)葉轉(zhuǎn)軸融化

圖2 風(fēng)葉嵌件脫落

2.1 風(fēng)葉強(qiáng)度分析

2.1.1 材料分析

該離心風(fēng)葉材料為AS-GF20，具有很強(qiáng)的承受載荷的能力、抗化學(xué)反應(yīng)能力、抗熱變形特性和幾何穩(wěn)定性，耐水、耐油、耐酸、耐堿、耐醇類[2]。AS中加入玻璃纖維添加劑可以增加強(qiáng)度和抗熱變形能力，減小熱膨脹系數(shù)，其維卡軟化溫度約為110 ℃。載荷下?lián)锨冃螠囟燃s為100 ℃，熔化溫度 200 ～ 270 ℃，拉伸強(qiáng)度 72 ～ 78 MPa，完全能滿足風(fēng)葉使用要求。使用材料分析儀對風(fēng)葉材料進(jìn)行成分分析，結(jié)果顯示材料符合圖紙要求，如圖3所示。

圖3 風(fēng)葉成分分析

2.1.2 風(fēng)葉結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

在實(shí)際使用中，軸流風(fēng)葉葉片因高速運(yùn)轉(zhuǎn)而撕裂和破碎現(xiàn)象比較常見。行業(yè)中通常以高速運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)軸流風(fēng)葉的強(qiáng)度，即風(fēng)葉以實(shí)際使用最高轉(zhuǎn)速的2～3倍運(yùn)行5～10 min，以風(fēng)葉是否出現(xiàn)結(jié)構(gòu)損壞為標(biāo)準(zhǔn)來檢驗(yàn)軸流風(fēng)葉的強(qiáng)度[3]，即風(fēng)葉不能有破損、裂紋、拉白等現(xiàn)象。

經(jīng)查該機(jī)組風(fēng)葉工作轉(zhuǎn)速為800 r/min，在測試臺上測試條件為1 880 r/min，運(yùn)行5分鐘，風(fēng)葉無異常，轉(zhuǎn)軸嵌件也未出現(xiàn)脫落現(xiàn)象，驗(yàn)證了風(fēng)葉滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。實(shí)驗(yàn)測試條件如圖4所示。

圖4 風(fēng)葉結(jié)構(gòu)強(qiáng)度測試

2.2 電機(jī)溫升失效分析

2.2.1 電機(jī)溫升測試

測試同種兩個(gè)機(jī)組的溫升，一臺為正常機(jī)組，一臺為售后反饋的更換電機(jī)及風(fēng)葉的機(jī)組。

1）換電機(jī)及風(fēng)葉機(jī)組測試結(jié)果如下：

冷態(tài)電阻：環(huán)溫26℃，高檔60.5/71.4 Ω，中檔121.5/132.3 Ω，低檔129.8/140.7 Ω；

熱態(tài)電阻：環(huán)溫26 ℃，高檔73.2/86.7；

溫升：54.7/55.8 K。

2）正常機(jī)組測試結(jié)果如下：

熱態(tài)電阻：環(huán)溫26 ℃，高檔73.1/86.6 Ω。由于機(jī)組一直運(yùn)行無法測試?yán)鋺B(tài)電阻，根據(jù)熱態(tài)電阻值及另外一臺電機(jī)的冷態(tài)電阻，可計(jì)算出溫升為54.3/55.5 K。

以上兩個(gè)機(jī)組電機(jī)溫升都符合企標(biāo)要求，電機(jī)最高溫度在81 K左右，這種溫度沒有達(dá)到注塑材料變形溫度，對風(fēng)葉結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響幾乎可以忽略。所以，正常電機(jī)的運(yùn)行溫度無法破壞風(fēng)葉結(jié)構(gòu)造成燒毀。

2.2.2 電機(jī)失效分析

正常電機(jī)運(yùn)行帶動(dòng)風(fēng)葉轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)散熱效果良好，電機(jī)溫升控制正常范圍內(nèi)。但當(dāng)電機(jī)出現(xiàn)異常時(shí)，溫升異?？蛇_(dá)到風(fēng)葉結(jié)構(gòu)失效溫度，如果電機(jī)溫升持續(xù)上升，高溫會導(dǎo)致風(fēng)葉損壞。對損壞電機(jī)進(jìn)行解剖發(fā)現(xiàn)后端蓋電機(jī)軸磨損，有凸凹現(xiàn)象，可能由于軸與軸承之間產(chǎn)生偏心轉(zhuǎn)動(dòng)，持久摩擦所致。前端蓋軸承，手可輕松左右移動(dòng)。如圖5所示，對以上電機(jī)解剖進(jìn)行分析風(fēng)葉、電機(jī)損壞原因：

圖5 電機(jī)解剖分析

1）電機(jī)結(jié)構(gòu)異常

出廠電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)異常，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)不正常，導(dǎo)致溫升上升過快，加之內(nèi)置熱保護(hù)器出廠異常，達(dá)到130 ℃后，熱保護(hù)器未啟動(dòng)，電機(jī)溫升持續(xù)上升，從而漸漸引起電機(jī)周邊溫度過高，通過電機(jī)軸傳導(dǎo)到風(fēng)葉根部。

分析該電機(jī)轉(zhuǎn)軸外徑偏小導(dǎo)致裝配軸承后出現(xiàn)軸磨損，引發(fā)轉(zhuǎn)子異常摩擦導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)行異常高溫發(fā)熱，結(jié)合保護(hù)器動(dòng)作點(diǎn)飄移，電機(jī)長時(shí)間高溫工況下工作運(yùn)行，最終漆包線漆膜快速老化絕緣失效，引發(fā)燒毀電機(jī)導(dǎo)致電機(jī)軸持續(xù)升溫。在電機(jī)不運(yùn)轉(zhuǎn)情況下電機(jī)無法散熱，電機(jī)局部溫度過高，電機(jī)軸持續(xù)高溫導(dǎo)致風(fēng)葉轉(zhuǎn)軸局部高溫而達(dá)到熱變形溫度，風(fēng)葉由于慣性繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)軸與嵌件發(fā)生滑移，最后風(fēng)葉旋轉(zhuǎn)失效，引起風(fēng)葉融化。

2）電機(jī)匝間短路

電機(jī)內(nèi)部匝間短路燒毀了熱保護(hù)器，繞組持續(xù)燒毀，引起電機(jī)周邊溫度過高，導(dǎo)致與電機(jī)結(jié)構(gòu)異常情況類似，風(fēng)葉融化。

綜上分析可能由于電機(jī)內(nèi)置保護(hù)器在電機(jī)異常后未及時(shí)保護(hù)，導(dǎo)致電機(jī)溫升持續(xù)上升通過電機(jī)軸過高，熱量傳遞給鋁制嵌件，溫度過高達(dá)到變形溫度點(diǎn)，在離心力作用下使嵌件與風(fēng)葉脫離滑移，此時(shí)風(fēng)葉不再工作，而電機(jī)持續(xù)工作，電機(jī)溫度持續(xù)上升無法散熱，最終導(dǎo)致風(fēng)葉局部高溫軟化到電機(jī)上，最后出現(xiàn)風(fēng)葉融化現(xiàn)象。

3 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

通過上述分析極有可能為電機(jī)失效導(dǎo)致電機(jī)溫升異常造成風(fēng)葉融化，根據(jù)摸底實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)電機(jī)內(nèi)置保護(hù)器在142 ℃斷開，風(fēng)葉材料變形溫度在100 ℃，由此判斷電機(jī)軸溫度可能在130～140 ℃之間，嵌件脫落可能性更大。

根據(jù)以上分析，確定實(shí)驗(yàn)方案為：風(fēng)葉存儲高溫實(shí)驗(yàn)箱中（將整個(gè)風(fēng)葉(帶嵌件)靜止放入實(shí)驗(yàn)溫度中，實(shí)驗(yàn)時(shí)長根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果做調(diào)整），達(dá)到預(yù)設(shè)的時(shí)間后從試驗(yàn)箱中拿出，在風(fēng)葉旋轉(zhuǎn)規(guī)定轉(zhuǎn)速下的扭矩大小進(jìn)行測試，實(shí)驗(yàn)臺上觀察嵌件脫落情況，并記錄實(shí)驗(yàn)狀態(tài)，具體實(shí)驗(yàn)方案如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)方案

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為快速找準(zhǔn)風(fēng)葉嵌件失效溫度，結(jié)合AS軟化溫度110 ℃和電機(jī)內(nèi)置保護(hù)器失效斷開溫度142 ℃，對風(fēng)葉在120 ℃加熱時(shí)間間隔30 min，對130～140 ℃加熱時(shí)長間隔15 min左右，其測試結(jié)果如下：

1）溫度為120 ℃，時(shí)間30 min時(shí)，風(fēng)葉形狀并無明顯變化，嵌件也未脫落；

2）溫度為130 ℃，時(shí)間15 min時(shí)，風(fēng)葉形狀并無明顯變化，嵌件也未脫落；

3）溫度為130 ℃，時(shí)間20、25 min時(shí)，風(fēng)葉形狀變形較明顯，嵌件也未脫落（但在25 min時(shí)嵌件已能擰動(dòng)）；

4）溫度為130 ℃，時(shí)間30 min時(shí)，風(fēng)葉形狀有明顯變化，嵌件脫落；

5）溫度為130 ℃，時(shí)間45 min時(shí)，風(fēng)葉形狀有明顯變化，嵌件脫落；

6）溫度為140 ℃，時(shí)間15 min時(shí)，風(fēng)葉形狀有明顯變化，嵌件未脫落；

7）溫度為140 ℃，時(shí)間30 min時(shí)，風(fēng)葉形狀有明顯變化，嵌件脫落。

各實(shí)驗(yàn)條件及實(shí)驗(yàn)結(jié)果照片如表2所示。從表中可以看出風(fēng)葉與嵌件在130 ℃時(shí)，放在干燥箱內(nèi)30 min嵌件會脫落，而在同樣溫度下每隔5 min取出再擰嵌件，嵌件卻未脫落。原因可能是干燥箱外溫度很低。頻繁把風(fēng)葉拿出放入對風(fēng)葉會有影響；在溫度140 ℃，溫度為30 min時(shí)，嵌件與風(fēng)葉很容易就脫落，因此實(shí)驗(yàn)當(dāng)溫度為130～140 ℃，時(shí)間為30～40 min時(shí)，嵌件與風(fēng)葉會脫落。

表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及圖片

5 結(jié)論

本文以某款空調(diào)室內(nèi)機(jī)離心風(fēng)葉為研究對象，分析了風(fēng)葉受力主要為切向離心力，并分析了風(fēng)葉材料和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，同步對電機(jī)溫升和失效原因也進(jìn)行了分析，鎖定了電機(jī)溫升過高會對風(fēng)葉運(yùn)行產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的損壞，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了溫度對風(fēng)葉嵌件穩(wěn)定性的影響，風(fēng)葉在電機(jī)高溫（130～140）℃情況下風(fēng)葉嵌套會有脫離隱患。由于測試設(shè)備無法在高溫試驗(yàn)箱中進(jìn)行，測試溫度數(shù)據(jù)會存在一定的波動(dòng)，但不影響整個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，本文的失效分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證為電機(jī)溫升設(shè)計(jì)提供了一定的指導(dǎo)。