離心風(fēng)葉高速旋轉(zhuǎn)開裂的研究與應(yīng)用

王云飛，王瑞靜，孫大輝，謝 亮，劉秋元

(珠海格力電器股份有限公司，廣東 珠海 519000)

0 引 言

離心風(fēng)葉為某電器關(guān)鍵零部件之一，每年的需求量很大，但是其高速旋轉(zhuǎn)測試經(jīng)常開裂。趙美玲等[1]和丁明江[2]對離心風(fēng)葉斷裂的原因進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)風(fēng)葉塞焊處產(chǎn)生疲勞開裂，隨著風(fēng)葉的繼續(xù)運(yùn)行，疲勞源區(qū)磨損嚴(yán)重，使疲勞裂紋擴(kuò)展，導(dǎo)致離心風(fēng)葉發(fā)生斷裂。高威等[3-4]，張華[5]和何博等[6]基于有限元方法，研究了軸流風(fēng)葉的力學(xué)特性和強(qiáng)度分析方法，并基于分析結(jié)果對風(fēng)葉的應(yīng)力集中問題進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，解決了某空調(diào)器用軸流風(fēng)葉在高速運(yùn)轉(zhuǎn)中的破裂問題。另有文獻(xiàn)[7-13]對于離心風(fēng)葉的結(jié)構(gòu)改進(jìn)及工藝參數(shù)等因素進(jìn)行優(yōu)化，分析驗證了離心風(fēng)葉開裂的原因與結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系。本文借助ANSYS有限元軟件建立模型，并進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)仿真，分析找出離心風(fēng)葉結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力集中點。針對應(yīng)力集中部位，提出兩種離心風(fēng)葉結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，通過ANSYS仿真結(jié)果結(jié)合注塑工藝優(yōu)化分析得出最優(yōu)方案。對方案二的模型結(jié)構(gòu)及工藝參數(shù)進(jìn)行實驗驗證，仿真結(jié)果與實驗結(jié)果基本一致，從而驗證了ANSYS對離心風(fēng)葉旋轉(zhuǎn)高速旋轉(zhuǎn)理論分析的準(zhǔn)確性，為離心風(fēng)葉設(shè)計和強(qiáng)度校核提供了一種方法。

1 問題描述

原始離心風(fēng)葉高速旋轉(zhuǎn)測試結(jié)果如表1所示，50%的離心風(fēng)葉在4 200 r·min-1轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)5 min后開裂；90%的離心風(fēng)葉在4 400 r·min-1轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)5 min后開裂；100%的離心風(fēng)葉在4 600 r·min-1轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)5 min后開裂；提高轉(zhuǎn)速至4 800 r·min-1和5 200 r·min-1，離心風(fēng)葉100%開裂且運(yùn)轉(zhuǎn)時間急劇縮短。我司實際電機(jī)的額定最高轉(zhuǎn)速為1 150 r·min-1，根據(jù)我司電機(jī)產(chǎn)品設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)與檢測標(biāo)準(zhǔn)要求高速運(yùn)轉(zhuǎn)測試轉(zhuǎn)速按額定最高轉(zhuǎn)速的4倍執(zhí)行，即轉(zhuǎn)速為4 600 r·min-1，旋轉(zhuǎn)5 min為測試條件，高速運(yùn)轉(zhuǎn)測試100%不開裂即為合格。目前，此款離心風(fēng)葉完全達(dá)不到公司電機(jī)產(chǎn)品的檢測標(biāo)準(zhǔn)。

表1 原始離心風(fēng)葉高速旋轉(zhuǎn)測試結(jié)果

2 離心風(fēng)葉工藝分析

2.1 材料屬性分析

為滿足阻燃材料標(biāo)準(zhǔn)，在ABS-GF10基體上添加了一定量的阻燃劑，形成ABS-(GF10+FR)，其綜合性能較好，沖擊強(qiáng)度較高，化學(xué)穩(wěn)定性、電鍍性能良好。因此采用其生產(chǎn)制造離心風(fēng)葉。但須注意浮纖，如需解決浮纖，則需提高材料的流動性，采取高料溫、高模溫，或者改變?nèi)胨坏确椒?。料溫?80～260 ℃(一般不宜超過250 ℃)，因為溫度過高會導(dǎo)致塑膠成份分解，使流動性降低，模溫40～80 ℃為正常，若要求外觀光亮則模溫取高。如成型耐熱級或阻燃級材料，生產(chǎn)3～7 d后模具表面會殘存塑料分解物，導(dǎo)致模具表面發(fā)亮，需對模具及時進(jìn)行清理，同時模具表面需增加排氣位置。

離心風(fēng)葉的材料屬性如表2所示。

表2 離心風(fēng)葉材料屬性

2.2 工藝方案優(yōu)化分析

利用ANSYS有限元軟件建立有限元模型，分析離心風(fēng)葉的結(jié)構(gòu)可知：風(fēng)葉葉片根部圓角部位由于料厚異常，是最薄弱區(qū)，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中。由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中空，且葉片較高，充填不平衡。如果一邊壓力過大會導(dǎo)致另一邊填充不滿。如果一邊注塑稍微快一些，長期注射會導(dǎo)致葉片中間的薄型芯偏移，為了模具運(yùn)行更加安全穩(wěn)定，考慮增加型芯的穩(wěn)定性，增加打水圈高度，或同時增加料厚，這樣中間薄型芯就有兩端支撐，可以大大增加葉片強(qiáng)度。針對應(yīng)力集中部位，從離心風(fēng)葉的結(jié)構(gòu)出發(fā)提出兩種改善方案，分別建立模型如圖1所示。圖1(a)為方案一，打水圈高度增加1 mm；圖1(b)為方案二，打水圈高度增加1 mm，同時料厚也增加1 mm。

(a) 方案一

2.3 工況分析

采用ANSYS有限元軟件對離心風(fēng)葉進(jìn)行4 200 r·min-1的高速旋轉(zhuǎn)，軸孔內(nèi)施加無摩擦支撐，軸孔外表面施加旋轉(zhuǎn)載荷4 200 r·min-1，根據(jù)仿真結(jié)果對離心風(fēng)葉受力位置、應(yīng)力集中區(qū)域、開裂原因等進(jìn)行分析。

圖2 離心風(fēng)葉工況分析

3 仿真分析開裂原因

3.1 等效應(yīng)力分析

圖3為離心風(fēng)葉等效應(yīng)力云圖。由圖3(a)可知，在4 200 r·min-1的條件下，風(fēng)葉最大應(yīng)力集中在葉片與打水圈的連接處，即為最先開裂部位，該部位為整個離心風(fēng)葉的薄弱位置。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的風(fēng)葉最大應(yīng)力值為66 MPa，接近ABS-(GF10+FR)的極限抗拉強(qiáng)度，因而在高速旋轉(zhuǎn)實驗時性能不穩(wěn)定。

(a) 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)

方案一是將離心風(fēng)葉打水圈的高度增加1 mm，在4 200 r·min-1轉(zhuǎn)速下的應(yīng)力結(jié)果如圖3(b)所示，最大應(yīng)力的位置沒有變化，依然在葉片與打水圈的連接處。此時離心風(fēng)葉的應(yīng)力由原來的66 MPa降低至61.9 MPa，說明增加風(fēng)葉打水圈高度可在一定程度上提高風(fēng)葉的強(qiáng)度。方案二是在方案一的基礎(chǔ)上將離心風(fēng)葉打水圈的厚度增加1 mm，在4 200 r·min-1轉(zhuǎn)速下的應(yīng)力如圖3(c)所示，最大應(yīng)力的位置沒有變化，依然在葉片與打水圈的連接處；此時離心風(fēng)葉的應(yīng)力值大幅下降，由原來的66 MPa降低至51.6 MPa，說明同時增加風(fēng)葉打水圈高度和厚度可大幅提高風(fēng)葉的強(qiáng)度。

通過對兩種改善方案風(fēng)葉進(jìn)行ANSYS高速旋轉(zhuǎn)仿真，并與原傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比，結(jié)果表明：方案一最大應(yīng)力值降低了6.2%，方案二最大應(yīng)力值降低了21.8%。因此，選用方案二作為最終方案，將方案二的模型結(jié)構(gòu)及工藝參數(shù)進(jìn)行實驗驗證。

3.2 注塑工藝優(yōu)化分析

圖4為離心風(fēng)葉注塑工藝填充圖。如圖4(a)所示，傳統(tǒng)注塑工藝澆口布置在外圈，位于葉片的正上方，遠(yuǎn)離軸孔，導(dǎo)致注塑過程中離心風(fēng)葉軸孔處困氣而填充不足，產(chǎn)生縮孔，在外力的作用下進(jìn)而擴(kuò)展形成裂紋，同時圓形軸孔注塑過程中熔接線匯合之處強(qiáng)度降低，導(dǎo)致離心風(fēng)葉軸孔處極易開裂。增大保壓壓力可使收縮率減小，解決軸孔縮孔，降低開裂風(fēng)險[14-15]。但提高保壓壓力又會使軸孔、葉片粘后模頂出時風(fēng)葉拉裂。因此，合理的保壓壓力對于注塑件開裂也是有很大影響的。如圖4(b)所示，注塑工藝優(yōu)化方案是將澆口布置在內(nèi)圈平臺上，近軸孔，這樣可以保證離心風(fēng)葉軸孔處先打滿，保壓適宜，軸孔不會產(chǎn)生縮孔開裂和葉片不會出現(xiàn)粘模頂裂的問題。

(a) 傳統(tǒng)工藝

4 實驗驗證

由仿真結(jié)果分析得出方案二的結(jié)構(gòu)優(yōu)化較為合理，依據(jù)方案二(打水圈高度和厚度各增加1 mm)對此離心風(fēng)葉進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)試驗，實驗在旋轉(zhuǎn)爆破實驗室下進(jìn)行(見圖5)。如圖6(a), (b)所示，100%的離心風(fēng)葉在4 200～4 800 r·min-1的轉(zhuǎn)速下堅持5 min未開裂；提高轉(zhuǎn)速至5 200 r·min-1時，50%的離心風(fēng)葉旋轉(zhuǎn)30 s后開裂。增加葉片加強(qiáng)圈厚度和高度從而增加了葉片強(qiáng)度和剛度，使風(fēng)葉離心力加大，這已達(dá)到了高速旋轉(zhuǎn)的極限，目前運(yùn)轉(zhuǎn)測試：轉(zhuǎn)速4 800 r·min-1，高速旋轉(zhuǎn)5 min后，100%的離心風(fēng)葉未開裂，高速運(yùn)轉(zhuǎn)測試轉(zhuǎn)速已達(dá)到額定最高轉(zhuǎn)速的4.2倍，滿足我司電機(jī)產(chǎn)品設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)與檢測標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖5 實驗環(huán)境

(a) 電機(jī)轉(zhuǎn)速4 800 r·min-1

因此，方案二確實起到了設(shè)計優(yōu)化改善作用，能夠滿足公司電機(jī)產(chǎn)品正常運(yùn)轉(zhuǎn)的時間與性能等要求。優(yōu)化后離心風(fēng)葉高速旋轉(zhuǎn)測試結(jié)果如表3所示。

表3 優(yōu)化后離心風(fēng)葉高速旋轉(zhuǎn)測試結(jié)果

5 結(jié) 語

通過ANSYS仿真分析及實驗驗證得出優(yōu)化方案：最大應(yīng)力51.6 MPa，比改進(jìn)前降低了21.8%，實驗測試其離心風(fēng)葉模型在4 200～4 800 r·min-1的高速旋轉(zhuǎn)下均不會開裂。離心風(fēng)葉產(chǎn)品要在設(shè)計階段做高速旋轉(zhuǎn)測試。更改產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，如增加打水圈的高度和厚度，打水圈與齒連接處增加筋條，增加產(chǎn)品厚度等能夠大大提高離心風(fēng)葉的強(qiáng)度，同時提高離心風(fēng)葉高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速極限。合理的保壓壓力對于防止注塑件開裂也是有很大影響的。離心風(fēng)葉注塑方案應(yīng)將澆口布置在內(nèi)圈平臺上，近軸孔，這樣可以保證風(fēng)葉軸孔先打滿，保壓適宜，軸孔不會產(chǎn)生縮孔開裂和葉片不會出現(xiàn)粘模頂裂的問題。