軸流風葉與電機定位配合可靠性分析與研究

付百強 曾 望

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

軸流風葉在旋轉時，葉片主要受到離心力和由氣流引起的氣動載荷的作用[1]，氣流軸向進入風葉葉輪后，在旋轉葉片的流道中沿著軸線方向流動，氣體流量大但風壓低[2]。在家用空調外機中軸流風葉與電機配合定位常采用兩種方式，前端臺階定位以及后端卡簧定位。前端臺階定位主要依靠軸流風葉內部限位處與電機軸凸臺進行限位，接觸面積小，靜摩擦力相對較小。后端卡簧定位是依靠電機卡簧與軸流風葉輪轂端面進行定位，接觸面積較大，靜摩擦力相對較大，詳見圖1。此兩種定位主要取決于軸流風葉電機是否存在卡簧，隨著電機技術的成熟及廠家降本增效，電機增加卡簧，除去增加卡簧片本身成本外，主要涉及電機軸上卡簧定位槽的加工成本，因定位槽加工精度高，報廢率高，加工成本高。故前端定位結構在各空調廠家中應用較多，且已有多位學者進行研究。

本論文以實驗室測試異常為例，見圖1所示。對軸流風葉與電機前端定位配合結構磨損異響問題展開深入研究分析，以便鎖定失效機理解決前端定位磨損異響問題。

圖1 軸流風葉與電機配合定位差異

1 現行產品試驗異常現象

接可靠性實驗室反饋，多臺長期實驗外機運行7～60天后出現類似“咔咔”異響，不合格比例36 %。現場檢查異響為軸流風葉與電機配合處發出，異響穩定復現且在外機風機剛啟動過程最為明顯。手感軸流風葉與電機配合存在輕微晃動，使用退出力矩扳手實測風葉螺母緊固力矩無異常，螺母緊固無異常，排除生產過程風葉螺母未緊固到位問題。

核查三維，中間D面的間隙為4.1 mm，尾部斷面的間隙為1.5 mm，軸流風葉與電機配合為前端臺階定位，見圖2。對異響外機重新更換軸流風葉后異響消失，但長期運行7～60天后故障再次復現，結合此點綜合考慮該故障非軸流風葉單因素引起，應為多因素臨界疊加，且屬于累積故障。因失效原因未能有效鎖定，對生產造成較大影響，為保證產品質量，故對軸流風葉與電機配合異響原因展開深入的調查分析。

圖2 故障樣機軸流風葉與電機配合三維

2 故障件復核

對實驗室多臺異響外機解剖復核，拆除緊固螺母后發現，軸流風葉與螺母接觸位置出現光亮磨痕，電機軸扁位D面邊緣處、電機軸退刀槽端面處均存在光亮磨痕（見圖3）。

圖3 軸流風葉與螺母接觸處磨痕、電機軸磨痕

對異響機器軸流風葉進行解剖，發現軸流風葉內部限位臺處也出現明顯磨損，且磨痕呈現階梯狀（見圖4）。通過對比故障機軸流風葉、同批次庫存風葉內部限位臺特征差異，庫存軸流風葉內部限位臺無磨損且無階梯狀特征，機器實驗剛上臺時無異響，長期運行后才出現，可排除軸流風葉零部件限位臺初始來料不良導致異常。

圖4 故障機軸流風葉，庫存風葉

3 異常原因理論分析

在實際運行時，需對風葉進行旋轉約束，約束其軸向、徑向及圓周向自由度[3,4]。結合電機軸與軸流風葉磨損特征，分析為軸流風葉內部限位與電機軸固定之間存在竄動導致磨損。但緊固螺母退出力矩正常緊固無松動，為鎖定產生竄動的根本原因，進一步核查結構設計。異響機器為前端定位，軸流風葉與電機配合軸向由緊固螺母固定無晃動，圓周向主要依靠D面凸臺限位，而當電機軸偏小或軸流風葉軸孔偏大時，軸流風葉與電機軸轉動不再是一體結構（圖5），尤其在電機啟停或轉速變化時，受慣性影響電機軸與軸流風葉切向速度差加大，會導致風葉與軸出現圓周向晃動，來回撞擊導致磨損異常。

圖5 室外機軸流風葉與電機固定結構

除去上述影響，前端定位結構關鍵影響可靠性的因素還有電機軸倒角、風葉內部定位凸臺倒角。故在理論設計上，當電機轉軸倒角尺寸≤0.5 mm*45 °時，軸流風葉限位與電機軸為面接觸定位，見圖6。風葉內部定位凸臺在理論設計及模具出模上均需直角設計，不做倒角，如圖7。當電機軸倒角過大或風葉內部定位凸臺R角設計時，會導致軸流風葉限位邊直接壓在電機軸倒角斜面上，接觸處由原本的面接觸變為線接觸，配合面積減小，見圖8。在整機啟動或電機變速時，電機作為動力源優先啟動或變速來帶動風葉轉動或速度變化，兩者傳動上的時間速度差會在切向上形成了相對位移。當電機軸與軸流風葉限位處長期切向摩擦狀態，將導致軸流風葉定位凸臺磨損，也就出現了如故障風葉解剖后的階梯狀磨痕。磨損后兩者配合間隙進一步放大，使風葉與電機在緊固螺母打緊情況下也存在軸向竄動發出“咔咔”噪音。

圖6 前定位結構軸流風葉與電機軸面接觸

圖7 軸流風葉內部定位凸臺直角設計

圖8 電機軸倒角過大，軸流風葉與電機軸線接觸

4 關鍵尺寸核查

針對軸流風葉與電機軸固定長期運轉后存在竄動問題，組織實驗樣機、軸流風葉、電機關鍵尺寸數據、以及生產線體螺母緊固進行核查。

4.1 風葉軸孔與電機軸軸向配合尺寸符合性測試

為避免因電機軸尺寸、風葉軸孔尺寸來料不合格，電機軸偏小或軸流風葉軸孔偏大導致電機軸與軸流風葉圓周向配合松動[5]，導致軸流風葉與電機軸轉動不再是一體結構，尤其在電機啟停或轉速變化過程中，電機軸與軸流風葉切向速度差加大，風葉與軸出現來回撞擊導致磨損異常。對風葉軸套和電機軸的尺寸進行排查，排查結果如表1、表2所示，風葉軸套和電機軸尺寸均滿足設計圖紙要求，上下極限尺寸驗證裝配無松動。

表1 軸流風葉關鍵位置實測數據（mm）

表2 電機軸關鍵位置實測數據（mm）

4.2 電機軸轉軸倒角尺寸測量

前端臺階定位結構，在理論設計上，當電機轉軸倒角尺寸≤0.5 mm*45 °時，軸流風葉限位與電機軸為面接觸，檢查發現實驗故障機的電機轉軸倒角均偏大，見圖9，使用投影實測倒角均不滿足圖紙0.5 mm*45 °要求，導致軸流風葉限位邊直接壓在電機軸倒角斜面上，接觸面積由原本的面接觸變為線接觸，配合面積減小。測試方式見圖10，實測數據見表3。

圖9 故障機電機軸倒角

表3 故障樣機電機倒角實測數據

圖10 倒角投影測量方法

4.3 軸流風葉內部定位凸臺核查

為保證軸流風葉與電機軸配合可靠性，風葉內部定位凸臺在理論設計及模具出模上為直角設計，經核查各模具生產狀態，發現物料狀態不一，部分風葉內部定位凸臺存在R角。同步與電機軸配合定位平臺面存在斜面如圖11，導致電機軸與軸流風葉內凸臺斜面或R角配合，定位配合面積減小，軸流風葉運行不平穩，加速電機軸與風葉軸孔配合松動磨損，最終誘發噪音。

圖11 軸流風葉內部定位凸臺特征

5 實驗驗證

依據本次事件失效機理，當電機軸倒角過大、風葉內部定位凸臺平面度不合格，或配合直角異常時，會導致接觸面積由原本的面接觸變為線接觸，在電機頻繁啟動或升降轉速容易出現電機軸與軸流風葉切向速度差[4]，加速電機軸與風葉軸孔配合松動磨損問題，最終誘發噪音問題。前端臺階定位結構需從設計前端加大電機軸與軸流風葉定位凸臺配合面余量，重點考慮電機軸倒角加工精度、軸流風葉定位凸臺直角設計及模具出模保證，增加倒角、平面度等生產管控要求。

1）為此長期實驗室安排12臺外機，使用電機軸倒角尺寸、風葉軸孔尺寸滿足圖紙設計要求，風葉內部定位凸臺直角設計的合格零部件進行電機頻繁啟動停止試驗，每小時風機啟停20次，每天480次，運轉6月后檢查風葉和電機軸均無磨損異常（圖12），此實驗證明只要電機軸倒角角度小，且風葉軸孔等尺寸符合設計要求，風葉內部定位凸臺為直角設計，保證軸流風葉限位與電機軸為面接觸時，前定位方式的整機不會出現失效產生噪音的問題。

圖12 物料合格狀態長期實驗樣機

2）考慮軸流風葉為注塑材料與電機軸配合后磨損較快問題，通過模內嵌件方式，使用鋼材一體化出模在軸流風葉上增加鋼材質前定位墊片，圖13，優化結構設計，提升部分零部件生產管控余量，避免注塑件磨損問題。使用該優化方案進行電機頻繁啟動停止試驗驗證，每小時風機啟停20次，每天480次，運轉6月后檢查風葉和電機軸均無磨損異常及異響問題。模內鋼材嵌件一體化出模方案可優化解決上述問題，提升部分零部件生產管控余量。

圖13 軸流風葉前定位墊片鋼材一體化出模設計

6 結論

針對空調外機軸流風葉與電機前端定位配合結構磨損異響問題，經過結構受力理論分析為軸流風葉與電機軸固定之間存在軸向竄動,導致電機軸扁位D面、電機軸退刀槽端面、及軸流風葉內部限位臺處出現明顯磨損，從而產生異常噪音。經實物及實驗驗證鎖定根本異常原因為：電機軸倒角過大、風葉內部定位凸臺平面度不合格導致接觸面積由原本的面接觸變為線接觸，在整機啟動或電機變速時，電機軸與軸流風葉限位處長期切向摩擦狀態，長期實驗后會加劇磨損產生軸向竄動，誘發外機噪音問題。

前端臺階定位結構可靠性可從設計前端加大電機軸與軸流風葉定位凸臺配合面余量，即增大配合面積上進行優化。在設計上需重點考慮電機軸倒角加工精度、軸流風葉定位凸臺直角設計及模具出模保證。在生產過程需增加倒角、平面度、尺寸等管控要求，落實生產物料合格性管控。同步針對前端定位零部件容差率小問題，可考慮通過模內嵌件方式，在軸流風葉定位凸臺面使用鋼材一體化出模，優化結構設計，提升部分零部件生產管控余量，解決注塑件磨損問題。