軸流風葉可靠性分析及優化

摘要：本文采用有限元分析方法，對空調軸流風葉結構強度的可靠性進行分析，并對實驗結果得出了準確的預測。通過對比分析提出通過增加平筋代替常規的加強筋，減少或避免了軸流風葉在結構設計過程中依靠經驗造成的強度不足問題，有效的提高葉片的結構強度。

關鍵詞：軸流風葉；有限元分析；高速運轉實驗

1.引言

軸流風葉因其流量大、體積小、壓頭低的特點被廣泛用于空調室外機中，作為空調系統中重要的送風裝置，軸流風葉的好快直接關系到空調的舒適性及使用壽命的長短。

軸流風葉的工作轉速一般在700～1000RPM，風葉的高速旋轉容易導致葉片斷裂、振動過大和啟動噪聲過大等問題。隨著近年來消費者對空調設計壽命要求的不斷提高，作為空調主要運動零件的軸流風葉在整機的壽命設計中占據越來越重要的地位。

本文以某款軸流風葉為對象，對風葉進行受力分析和校核以及相應的結構應力仿真計算，最后提出了提高風葉強度優化的設計思路及方法。

2.設計目標

關于風葉可靠性相關的檢驗標準較多，鑒于篇幅原因，本文主要通過分析風葉的高速運轉實驗確定風葉的結構設計目標。

實驗要求：風葉運轉之后不得出現變形、拉白，破損，裂紋等現象。風葉軸孔處不能出現破損現象。

風葉出現拉白，破損，裂紋等均是其材料失效的現象，所以設計的時候要保證其拉伸強度和彎曲強度不超標即可。

3.軸流風葉的力學特性

軸流風機的葉輪旋轉時，葉片上受到離心力和氣流流動壓力，前者使葉片內產生拉應力，后者產生彎曲應力。對于扭曲葉片，離心力也會引起彎曲應力。通常離心力產生的應力遠大于氣動力的影響。軸流風葉葉片頂部截面受到的離心力為零，向葉片根部逐漸增大，葉片根部達到最大值，所以，由離心力所引起的應力在葉片根部也最大。

對于給定葉形的風葉，其離心力產生的應力為

?c=Fc/A

上式中，Fc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，應力越小。故對于給定葉形的風葉，增大葉片根部截面積既能減少對流場和噪音的影響，又可以有效減少應力。但是片面的增加橫截面積將會導致材料冷卻速度變慢，局部冷卻速度不一致將使內部容易產生應力，縮水等缺陷。故此筆者在設計風葉的時候沒有采取常規在風葉根部增加大導角的辦法，而是采用局部加筋的方法提高葉片根部強度，同時避免風葉縮水的缺陷。

4.風葉材料分析

眾所周知，軸流風葉的材料和結構是決定風葉安全的兩個最主要因素。

下面首先對風葉的材料進行選擇，常見的軸流風葉材料有以下幾種，AS-GF20以其優異的性能成為軸流風葉的首選材料，其缺點是密度較大，容易導致電機負載變大，導致電機噪音，后續應該對風葉進行局部減料處理，對風葉的總重量進行控制。PP-GF10材料密度雖然小，但是材料的耐候性較差，在高溫高濕的商業場所或近海邊鹽分濃度較高的環境容易老化，謹慎推薦使用。

材料

參數ABS-GF15AS-GF20PP-GF10

拉伸強度82MPa120 MPa46 MPa

彎曲強度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.結構應力仿真計算

近些年來，特別是家電行業，由于計算機軟硬件和有限元理論的迅速發展，運用CAE軟件對產品進行可靠性分析已經成為一種流行的趨勢。在產品開發階段，利用計算機仿真方法進行結構分析，不僅可以有效的提高產品的可靠性，改進產品結構，而且能降低開發成本，縮短開發周期，提高產品的市場競爭力。對于本文所涉及的軸流風葉的設計，其可以準確的計算風葉表面的應力分布，以便設計者可以針對超標的應力點重點改善，這是有限元計算的最大優勢。本文采用了ANSYS15.0中的ANSYS Workbench對風葉進行了結構的分析與改進。

1.1計算前處理

計算時，根據檢驗要求設定各種參數：

風葉材料采用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。按檢驗實驗要求，軸流風葉高速運轉轉速按其配合電機最高轉速的3.5倍進行。本項目電機最高轉速為800RPM，故計算時風葉轉速設定為2800RPM。

1.2原始風葉的計算

通過仿真計算可以看出，該風葉在高速運轉時，葉片根部應力較大，通過應力云圖可以觀察到，當風葉轉速增大時，風葉葉片表面的應力從葉片頂部往根部逐漸增大，葉片背面根部的應力達到最大值且非常的集中。風葉的彎曲應力使根部材料受到擠壓，超過其彎曲強度而失效。

1.3對模型的分析和改進

通過以上分析，筆者通過在風葉根部增加若干加強筋用于提高風葉的強度，不同的加筋方案及其計算結果如下。

方案風葉兩面

增加加強筋風葉前沿

增加料厚風葉根部

增加平筋

應力云圖

截面圖

通過對結果對比可得出：

（1）單純加筋會改變應力分布，但是不能有效改小最大應力值，加筋后容易在加強筋根部出現最大應力點。

（2）離心力的方向指向旋轉軸，單方面加厚風葉厚度不能有效降低最大應力值；

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

1.4實驗驗證

根據實驗要求把風葉安裝在測試電機上，逐步增加轉速至2800RPM，保持此轉速運行5min，停機取出風葉觀察，風葉完好。

更換同批次風葉，電機增加轉速到2900RPM，運行5min，風葉仍完好，再次提高轉速直至風葉破裂，最終得到該風葉的最高轉速為3000RPM，共運行了4’50min。

特別提到，即使實驗室有特制的鐵籠保護，風葉破壞的瞬間仍發出巨大的噪音，破壞力非常大，在實驗室取出的樣品已經粉碎，通過零星的碎料判斷出風葉的撕裂點在風葉的根部，與有限元分析的結論一致。由于風葉破壞后的殘件往往難以還原，這對設計者分析風葉失效點帶來不小的困難，故建議采用有限元分析，其能夠觀察到常規實驗難以觀察到的現象，有利于設計者分析和改進。

以上僅是從局部結構中增加強筋和改善應力集中的方面提出了相應的優化設計方案，經筆者調查研究發現，除上述方法外，尚可從改善材料以及增加風葉的外圈料厚等方面進行軸流風葉的改善。

6.結論

（1）風葉的根部，特別是其背風面，由于受風葉運行時的離心力作用，應力容易集中，設計時需要對風葉根部做特殊的加強處理；

（2）風葉根部的加強筋位置需要根據仿真計算的結果確定，在風葉根部前端增加平筋能有效改善風葉應力的分布和降低最大應力點，可以減少葉片的破損；

（3）風葉通過增加加強筋其強度遠遠超出了設計目標，下一步可以通過局部減料或整體減薄材料的方法減少風葉材料從而降低電機的負載。除此之外，設計者通過此方法既可保證風葉質量不變同時降低材料成本，實現了優良化設計與節省成本的雙重效果。

參考文獻：

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