關于溫度對塑料風葉轉軸影響分析

鄧 勇 田 朋 陳昌中

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

離心風葉由于通風效果好，維護方便等特點廣泛應用于空調室內機中。離心風葉轉軸在使用過程中受力主要為切向方向即離心力，當轉軸在溫度升高至塑料變形溫度時，離心風葉離心力受力特性會發生突變，可靠性降低。本文以某款空調室內機離心風葉為研究對象，初步分析了溫度對風葉嵌件穩定性的影響，并通過實驗驗證了風葉在高溫情況下風葉嵌件會脫離，為電機溫升設計提供指導性意見。

1 離心風葉受力特性

風葉的葉輪在旋轉時，葉片上受到的主要是離心力和由氣流流動的氣動載荷力，在風葉高速運轉時離心力遠大于氣動載荷，因此離心力為風葉高速運轉時的主要載荷[1],所以風葉嵌件主要受力為切向離心力F：

式中：

m—為葉片質量kg；

r—為風葉嵌套至葉輪中心的距離m；

ω—為葉輪角速度rad/s。

2 離心風葉轉軸破裂分析

某型空調內機風葉售后反饋，風葉因局部高溫根部已發生形變，且風葉內圈已經熔化，如圖1所示，風葉嵌件與風葉發生脫落，如圖2所示。從圖中可以看出風葉嵌件與轉軸處發生了滑移。

圖1 風葉轉軸融化

圖2 風葉嵌件脫落

2.1 風葉強度分析

2.1.1 材料分析

該離心風葉材料為AS-GF20，具有很強的承受載荷的能力、抗化學反應能力、抗熱變形特性和幾何穩定性，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度和抗熱變形能力，減小熱膨脹系數，其維卡軟化溫度約為110 ℃。載荷下撓曲變形溫度約為100 ℃，熔化溫度 200 ～ 270 ℃，拉伸強度 72 ～ 78 MPa，完全能滿足風葉使用要求。使用材料分析儀對風葉材料進行成分分析，結果顯示材料符合圖紙要求，如圖3所示。

圖3 風葉成分分析

2.1.2 風葉結構強度分析

在實際使用中，軸流風葉葉片因高速運轉而撕裂和破碎現象比較常見。行業中通常以高速運轉實驗來檢驗軸流風葉的強度，即風葉以實際使用最高轉速的2～3倍運行5～10 min，以風葉是否出現結構損壞為標準來檢驗軸流風葉的強度[3]，即風葉不能有破損、裂紋、拉白等現象。

經查該機組風葉工作轉速為800 r/min，在測試臺上測試條件為1 880 r/min，運行5分鐘，風葉無異常，轉軸嵌件也未出現脫落現象，驗證了風葉滿足設計強度要求。實驗測試條件如圖4所示。

圖4 風葉結構強度測試

2.2 電機溫升失效分析

2.2.1 電機溫升測試

測試同種兩個機組的溫升，一臺為正常機組，一臺為售后反饋的更換電機及風葉的機組。

1）換電機及風葉機組測試結果如下：

冷態電阻：環溫26℃，高檔60.5/71.4 Ω，中檔121.5/132.3 Ω，低檔129.8/140.7 Ω；

熱態電阻：環溫26 ℃，高檔73.2/86.7；

溫升：54.7/55.8 K。

2）正常機組測試結果如下：

熱態電阻：環溫26 ℃，高檔73.1/86.6 Ω。由于機組一直運行無法測試冷態電阻，根據熱態電阻值及另外一臺電機的冷態電阻，可計算出溫升為54.3/55.5 K。

以上兩個機組電機溫升都符合企標要求，電機最高溫度在81 K左右，這種溫度沒有達到注塑材料變形溫度，對風葉結構產生的影響幾乎可以忽略。所以，正常電機的運行溫度無法破壞風葉結構造成燒毀。

2.2.2 電機失效分析

正常電機運行帶動風葉轉動，電機散熱效果良好，電機溫升控制正常范圍內。但當電機出現異常時，溫升異常可達到風葉結構失效溫度，如果電機溫升持續上升，高溫會導致風葉損壞。對損壞電機進行解剖發現后端蓋電機軸磨損，有凸凹現象，可能由于軸與軸承之間產生偏心轉動，持久摩擦所致。前端蓋軸承，手可輕松左右移動。如圖5所示，對以上電機解剖進行分析風葉、電機損壞原因：

圖5 電機解剖分析

1）電機結構異常

出廠電機內部結構異常，電機運轉不正常，導致溫升上升過快，加之內置熱保護器出廠異常，達到130 ℃后，熱保護器未啟動，電機溫升持續上升，從而漸漸引起電機周邊溫度過高，通過電機軸傳導到風葉根部。

分析該電機轉軸外徑偏小導致裝配軸承后出現軸磨損，引發轉子異常摩擦導致電機運行異常高溫發熱，結合保護器動作點飄移，電機長時間高溫工況下工作運行，最終漆包線漆膜快速老化絕緣失效，引發燒毀電機導致電機軸持續升溫。在電機不運轉情況下電機無法散熱，電機局部溫度過高，電機軸持續高溫導致風葉轉軸局部高溫而達到熱變形溫度，風葉由于慣性繼續旋轉，導致轉軸與嵌件發生滑移，最后風葉旋轉失效，引起風葉融化。

2）電機匝間短路

電機內部匝間短路燒毀了熱保護器，繞組持續燒毀，引起電機周邊溫度過高，導致與電機結構異常情況類似，風葉融化。

綜上分析可能由于電機內置保護器在電機異常后未及時保護，導致電機溫升持續上升通過電機軸過高，熱量傳遞給鋁制嵌件，溫度過高達到變形溫度點，在離心力作用下使嵌件與風葉脫離滑移，此時風葉不再工作，而電機持續工作，電機溫度持續上升無法散熱，最終導致風葉局部高溫軟化到電機上，最后出現風葉融化現象。

3 實驗方案設計

通過上述分析極有可能為電機失效導致電機溫升異常造成風葉融化，根據摸底實驗發現電機內置保護器在142 ℃斷開，風葉材料變形溫度在100 ℃，由此判斷電機軸溫度可能在130～140 ℃之間，嵌件脫落可能性更大。

根據以上分析，確定實驗方案為：風葉存儲高溫實驗箱中（將整個風葉(帶嵌件)靜止放入實驗溫度中，實驗時長根據實驗結果做調整），達到預設的時間后從試驗箱中拿出，在風葉旋轉規定轉速下的扭矩大小進行測試，實驗臺上觀察嵌件脫落情況，并記錄實驗狀態，具體實驗方案如表1所示。

表1 實驗方案

4 實驗結果及分析

為快速找準風葉嵌件失效溫度，結合AS軟化溫度110 ℃和電機內置保護器失效斷開溫度142 ℃，對風葉在120 ℃加熱時間間隔30 min，對130～140 ℃加熱時長間隔15 min左右，其測試結果如下：

1）溫度為120 ℃，時間30 min時，風葉形狀并無明顯變化，嵌件也未脫落；

2）溫度為130 ℃，時間15 min時，風葉形狀并無明顯變化，嵌件也未脫落；

3）溫度為130 ℃，時間20、25 min時，風葉形狀變形較明顯，嵌件也未脫落（但在25 min時嵌件已能擰動）；

4）溫度為130 ℃，時間30 min時，風葉形狀有明顯變化，嵌件脫落；

5）溫度為130 ℃，時間45 min時，風葉形狀有明顯變化，嵌件脫落；

6）溫度為140 ℃，時間15 min時，風葉形狀有明顯變化，嵌件未脫落；

7）溫度為140 ℃，時間30 min時，風葉形狀有明顯變化，嵌件脫落。

各實驗條件及實驗結果照片如表2所示。從表中可以看出風葉與嵌件在130 ℃時，放在干燥箱內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。頻繁把風葉拿出放入對風葉會有影響；在溫度140 ℃，溫度為30 min時，嵌件與風葉很容易就脫落，因此實驗當溫度為130～140 ℃，時間為30～40 min時，嵌件與風葉會脫落。

表2 實驗結果及圖片

5 結論

本文以某款空調室內機離心風葉為研究對象，分析了風葉受力主要為切向離心力，并分析了風葉材料和結構強度滿足設計要求，同步對電機溫升和失效原因也進行了分析，鎖定了電機溫升過高會對風葉運行產生不可逆轉的損壞，并通過實驗驗證了溫度對風葉嵌件穩定性的影響，風葉在電機高溫（130～140）℃情況下風葉嵌套會有脫離隱患。由于測試設備無法在高溫試驗箱中進行，測試溫度數據會存在一定的波動，但不影響整個實驗結果，本文的失效分析和實驗驗證為電機溫升設計提供了一定的指導。