軸流風(fēng)葉與電機(jī)定位配合可靠性分析與研究

付百強(qiáng) 曾 望

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

軸流風(fēng)葉在旋轉(zhuǎn)時(shí)，葉片主要受到離心力和由氣流引起的氣動(dòng)載荷的作用[1]，氣流軸向進(jìn)入風(fēng)葉葉輪后，在旋轉(zhuǎn)葉片的流道中沿著軸線方向流動(dòng)，氣體流量大但風(fēng)壓低[2]。在家用空調(diào)外機(jī)中軸流風(fēng)葉與電機(jī)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(fēng)葉內(nèi)部限位處與電機(jī)軸凸臺進(jìn)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(jī)卡簧與軸流風(fēng)葉輪轂端面進(jìn)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(fēng)葉電機(jī)是否存在卡簧，隨著電機(jī)技術(shù)的成熟及廠家降本增效，電機(jī)增加卡簧，除去增加卡簧片本身成本外，主要涉及電機(jī)軸上卡簧定位槽的加工成本，因定位槽加工精度高，報(bào)廢率高，加工成本高。故前端定位結(jié)構(gòu)在各空調(diào)廠家中應(yīng)用較多，且已有多位學(xué)者進(jìn)行研究。

本論文以實(shí)驗(yàn)室測試異常為例，見圖1所示。對軸流風(fēng)葉與電機(jī)前端定位配合結(jié)構(gòu)磨損異響問題展開深入研究分析，以便鎖定失效機(jī)理解決前端定位磨損異響問題。

圖1 軸流風(fēng)葉與電機(jī)配合定位差異

1 現(xiàn)行產(chǎn)品試驗(yàn)異?，F(xiàn)象

接可靠性實(shí)驗(yàn)室反饋，多臺長期實(shí)驗(yàn)外機(jī)運(yùn)行7～60天后出現(xiàn)類似“咔咔”異響，不合格比例36 %。現(xiàn)場檢查異響為軸流風(fēng)葉與電機(jī)配合處發(fā)出，異響穩(wěn)定復(fù)現(xiàn)且在外機(jī)風(fēng)機(jī)剛啟動(dòng)過程最為明顯。手感軸流風(fēng)葉與電機(jī)配合存在輕微晃動(dòng)，使用退出力矩扳手實(shí)測風(fēng)葉螺母緊固力矩?zé)o異常，螺母緊固無異常，排除生產(chǎn)過程風(fēng)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(fēng)葉與電機(jī)配合為前端臺階定位，見圖2。對異響外機(jī)重新更換軸流風(fēng)葉后異響消失，但長期運(yùn)行7～60天后故障再次復(fù)現(xiàn)，結(jié)合此點(diǎn)綜合考慮該故障非軸流風(fēng)葉單因素引起，應(yīng)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(chǎn)造成較大影響，為保證產(chǎn)品質(zhì)量，故對軸流風(fēng)葉與電機(jī)配合異響原因展開深入的調(diào)查分析。

圖2 故障樣機(jī)軸流風(fēng)葉與電機(jī)配合三維

2 故障件復(fù)核

對實(shí)驗(yàn)室多臺異響外機(jī)解剖復(fù)核，拆除緊固螺母后發(fā)現(xiàn)，軸流風(fēng)葉與螺母接觸位置出現(xiàn)光亮磨痕，電機(jī)軸扁位D面邊緣處、電機(jī)軸退刀槽端面處均存在光亮磨痕（見圖3）。

圖3 軸流風(fēng)葉與螺母接觸處磨痕、電機(jī)軸磨痕

對異響機(jī)器軸流風(fēng)葉進(jìn)行解剖，發(fā)現(xiàn)軸流風(fēng)葉內(nèi)部限位臺處也出現(xiàn)明顯磨損，且磨痕呈現(xiàn)階梯狀（見圖4）。通過對比故障機(jī)軸流風(fēng)葉、同批次庫存風(fēng)葉內(nèi)部限位臺特征差異，庫存軸流風(fēng)葉內(nèi)部限位臺無磨損且無階梯狀特征，機(jī)器實(shí)驗(yàn)剛上臺時(shí)無異響，長期運(yùn)行后才出現(xiàn)，可排除軸流風(fēng)葉零部件限位臺初始來料不良導(dǎo)致異常。

圖4 故障機(jī)軸流風(fēng)葉，庫存風(fēng)葉

3 異常原因理論分析

在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，需對風(fēng)葉進(jìn)行旋轉(zhuǎn)約束，約束其軸向、徑向及圓周向自由度[3,4]。結(jié)合電機(jī)軸與軸流風(fēng)葉磨損特征，分析為軸流風(fēng)葉內(nèi)部限位與電機(jī)軸固定之間存在竄動(dòng)導(dǎo)致磨損。但緊固螺母退出力矩正常緊固無松動(dòng)，為鎖定產(chǎn)生竄動(dòng)的根本原因，進(jìn)一步核查結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。異響機(jī)器為前端定位，軸流風(fēng)葉與電機(jī)配合軸向由緊固螺母固定無晃動(dòng)，圓周向主要依靠D面凸臺限位，而當(dāng)電機(jī)軸偏小或軸流風(fēng)葉軸孔偏大時(shí)，軸流風(fēng)葉與電機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)不再是一體結(jié)構(gòu)（圖5），尤其在電機(jī)啟?；蜣D(zhuǎn)速變化時(shí)，受慣性影響電機(jī)軸與軸流風(fēng)葉切向速度差加大，會(huì)導(dǎo)致風(fēng)葉與軸出現(xiàn)圓周向晃動(dòng)，來回撞擊導(dǎo)致磨損異常。

圖5 室外機(jī)軸流風(fēng)葉與電機(jī)固定結(jié)構(gòu)

除去上述影響，前端定位結(jié)構(gòu)關(guān)鍵影響可靠性的因素還有電機(jī)軸倒角、風(fēng)葉內(nèi)部定位凸臺倒角。故在理論設(shè)計(jì)上，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)軸倒角尺寸≤0.5 mm*45 °時(shí)，軸流風(fēng)葉限位與電機(jī)軸為面接觸定位，見圖6。風(fēng)葉內(nèi)部定位凸臺在理論設(shè)計(jì)及模具出模上均需直角設(shè)計(jì)，不做倒角，如圖7。當(dāng)電機(jī)軸倒角過大或風(fēng)葉內(nèi)部定位凸臺R角設(shè)計(jì)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致軸流風(fēng)葉限位邊直接壓在電機(jī)軸倒角斜面上，接觸處由原本的面接觸變?yōu)榫€接觸，配合面積減小，見圖8。在整機(jī)啟動(dòng)或電機(jī)變速時(shí)，電機(jī)作為動(dòng)力源優(yōu)先啟動(dòng)或變速來帶動(dòng)風(fēng)葉轉(zhuǎn)動(dòng)或速度變化，兩者傳動(dòng)上的時(shí)間速度差會(huì)在切向上形成了相對位移。當(dāng)電機(jī)軸與軸流風(fēng)葉限位處長期切向摩擦狀態(tài)，將導(dǎo)致軸流風(fēng)葉定位凸臺磨損，也就出現(xiàn)了如故障風(fēng)葉解剖后的階梯狀磨痕。磨損后兩者配合間隙進(jìn)一步放大，使風(fēng)葉與電機(jī)在緊固螺母打緊情況下也存在軸向竄動(dòng)發(fā)出“咔咔”噪音。

圖6 前定位結(jié)構(gòu)軸流風(fēng)葉與電機(jī)軸面接觸

圖7 軸流風(fēng)葉內(nèi)部定位凸臺直角設(shè)計(jì)

圖8 電機(jī)軸倒角過大，軸流風(fēng)葉與電機(jī)軸線接觸

4 關(guān)鍵尺寸核查

針對軸流風(fēng)葉與電機(jī)軸固定長期運(yùn)轉(zhuǎn)后存在竄動(dòng)問題，組織實(shí)驗(yàn)樣機(jī)、軸流風(fēng)葉、電機(jī)關(guān)鍵尺寸數(shù)據(jù)、以及生產(chǎn)線體螺母緊固進(jìn)行核查。

4.1 風(fēng)葉軸孔與電機(jī)軸軸向配合尺寸符合性測試

為避免因電機(jī)軸尺寸、風(fēng)葉軸孔尺寸來料不合格，電機(jī)軸偏小或軸流風(fēng)葉軸孔偏大導(dǎo)致電機(jī)軸與軸流風(fēng)葉圓周向配合松動(dòng)[5]，導(dǎo)致軸流風(fēng)葉與電機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)不再是一體結(jié)構(gòu)，尤其在電機(jī)啟?；蜣D(zhuǎn)速變化過程中，電機(jī)軸與軸流風(fēng)葉切向速度差加大，風(fēng)葉與軸出現(xiàn)來回撞擊導(dǎo)致磨損異常。對風(fēng)葉軸套和電機(jī)軸的尺寸進(jìn)行排查，排查結(jié)果如表1、表2所示，風(fēng)葉軸套和電機(jī)軸尺寸均滿足設(shè)計(jì)圖紙要求，上下極限尺寸驗(yàn)證裝配無松動(dòng)。

表1 軸流風(fēng)葉關(guān)鍵位置實(shí)測數(shù)據(jù)（mm）

表2 電機(jī)軸關(guān)鍵位置實(shí)測數(shù)據(jù)（mm）

4.2 電機(jī)軸轉(zhuǎn)軸倒角尺寸測量

前端臺階定位結(jié)構(gòu)，在理論設(shè)計(jì)上，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)軸倒角尺寸≤0.5 mm*45 °時(shí)，軸流風(fēng)葉限位與電機(jī)軸為面接觸，檢查發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)故障機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)軸倒角均偏大，見圖9，使用投影實(shí)測倒角均不滿足圖紙0.5 mm*45 °要求，導(dǎo)致軸流風(fēng)葉限位邊直接壓在電機(jī)軸倒角斜面上，接觸面積由原本的面接觸變?yōu)榫€接觸，配合面積減小。測試方式見圖10，實(shí)測數(shù)據(jù)見表3。

圖9 故障機(jī)電機(jī)軸倒角

表3 故障樣機(jī)電機(jī)倒角實(shí)測數(shù)據(jù)

圖10 倒角投影測量方法

4.3 軸流風(fēng)葉內(nèi)部定位凸臺核查

為保證軸流風(fēng)葉與電機(jī)軸配合可靠性，風(fēng)葉內(nèi)部定位凸臺在理論設(shè)計(jì)及模具出模上為直角設(shè)計(jì)，經(jīng)核查各模具生產(chǎn)狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)物料狀態(tài)不一，部分風(fēng)葉內(nèi)部定位凸臺存在R角。同步與電機(jī)軸配合定位平臺面存在斜面如圖11，導(dǎo)致電機(jī)軸與軸流風(fēng)葉內(nèi)凸臺斜面或R角配合，定位配合面積減小，軸流風(fēng)葉運(yùn)行不平穩(wěn)，加速電機(jī)軸與風(fēng)葉軸孔配合松動(dòng)磨損，最終誘發(fā)噪音。

圖11 軸流風(fēng)葉內(nèi)部定位凸臺特征

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

依據(jù)本次事件失效機(jī)理，當(dāng)電機(jī)軸倒角過大、風(fēng)葉內(nèi)部定位凸臺平面度不合格，或配合直角異常時(shí)，會(huì)導(dǎo)致接觸面積由原本的面接觸變?yōu)榫€接觸，在電機(jī)頻繁啟動(dòng)或升降轉(zhuǎn)速容易出現(xiàn)電機(jī)軸與軸流風(fēng)葉切向速度差[4]，加速電機(jī)軸與風(fēng)葉軸孔配合松動(dòng)磨損問題，最終誘發(fā)噪音問題。前端臺階定位結(jié)構(gòu)需從設(shè)計(jì)前端加大電機(jī)軸與軸流風(fēng)葉定位凸臺配合面余量，重點(diǎn)考慮電機(jī)軸倒角加工精度、軸流風(fēng)葉定位凸臺直角設(shè)計(jì)及模具出模保證，增加倒角、平面度等生產(chǎn)管控要求。

1）為此長期實(shí)驗(yàn)室安排12臺外機(jī)，使用電機(jī)軸倒角尺寸、風(fēng)葉軸孔尺寸滿足圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求，風(fēng)葉內(nèi)部定位凸臺直角設(shè)計(jì)的合格零部件進(jìn)行電機(jī)頻繁啟動(dòng)停止試驗(yàn)，每小時(shí)風(fēng)機(jī)啟停20次，每天480次，運(yùn)轉(zhuǎn)6月后檢查風(fēng)葉和電機(jī)軸均無磨損異常（圖12），此實(shí)驗(yàn)證明只要電機(jī)軸倒角角度小，且風(fēng)葉軸孔等尺寸符合設(shè)計(jì)要求，風(fēng)葉內(nèi)部定位凸臺為直角設(shè)計(jì)，保證軸流風(fēng)葉限位與電機(jī)軸為面接觸時(shí)，前定位方式的整機(jī)不會(huì)出現(xiàn)失效產(chǎn)生噪音的問題。

圖12 物料合格狀態(tài)長期實(shí)驗(yàn)樣機(jī)

2）考慮軸流風(fēng)葉為注塑材料與電機(jī)軸配合后磨損較快問題，通過模內(nèi)嵌件方式，使用鋼材一體化出模在軸流風(fēng)葉上增加鋼材質(zhì)前定位墊片，圖13，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提升部分零部件生產(chǎn)管控余量，避免注塑件磨損問題。使用該優(yōu)化方案進(jìn)行電機(jī)頻繁啟動(dòng)停止試驗(yàn)驗(yàn)證，每小時(shí)風(fēng)機(jī)啟停20次，每天480次，運(yùn)轉(zhuǎn)6月后檢查風(fēng)葉和電機(jī)軸均無磨損異常及異響問題。模內(nèi)鋼材嵌件一體化出模方案可優(yōu)化解決上述問題，提升部分零部件生產(chǎn)管控余量。

圖13 軸流風(fēng)葉前定位墊片鋼材一體化出模設(shè)計(jì)

6 結(jié)論

針對空調(diào)外機(jī)軸流風(fēng)葉與電機(jī)前端定位配合結(jié)構(gòu)磨損異響問題，經(jīng)過結(jié)構(gòu)受力理論分析為軸流風(fēng)葉與電機(jī)軸固定之間存在軸向竄動(dòng),導(dǎo)致電機(jī)軸扁位D面、電機(jī)軸退刀槽端面、及軸流風(fēng)葉內(nèi)部限位臺處出現(xiàn)明顯磨損，從而產(chǎn)生異常噪音。經(jīng)實(shí)物及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證鎖定根本異常原因?yàn)椋弘姍C(jī)軸倒角過大、風(fēng)葉內(nèi)部定位凸臺平面度不合格導(dǎo)致接觸面積由原本的面接觸變?yōu)榫€接觸，在整機(jī)啟動(dòng)或電機(jī)變速時(shí)，電機(jī)軸與軸流風(fēng)葉限位處長期切向摩擦狀態(tài)，長期實(shí)驗(yàn)后會(huì)加劇磨損產(chǎn)生軸向竄動(dòng)，誘發(fā)外機(jī)噪音問題。

前端臺階定位結(jié)構(gòu)可靠性可從設(shè)計(jì)前端加大電機(jī)軸與軸流風(fēng)葉定位凸臺配合面余量，即增大配合面積上進(jìn)行優(yōu)化。在設(shè)計(jì)上需重點(diǎn)考慮電機(jī)軸倒角加工精度、軸流風(fēng)葉定位凸臺直角設(shè)計(jì)及模具出模保證。在生產(chǎn)過程需增加倒角、平面度、尺寸等管控要求，落實(shí)生產(chǎn)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(nèi)嵌件方式，在軸流風(fēng)葉定位凸臺面使用鋼材一體化出模，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提升部分零部件生產(chǎn)管控余量，解決注塑件磨損問題。