周偉峰 周孝華 熊軍 徐志亮 董龍 陳民華

TCL空調器（中山）有限公司 廣東中山 528400

近年來，家電、空調行業(yè)使用的改性塑料發(fā)展較快，外觀更加美觀，安全指標持續(xù)提升，輕量化、健康、低成本、節(jié)能低碳成為其發(fā)展方向?？照{輕量化技術是對輕量化設計、輕量化材料、輕量化制造技術的集成應用[1]。蘇炳超、劉冬麗等分別通過單體型式試驗與整機性能試驗，驗證了PP-GF28和PP-GF30替代傳統軸流風葉材料AS-GF20的可行性[2-3]，但均未考慮玻纖增強PP在低溫情況下的可靠性及其固有頻率變化對整機振動的影響等。本文從材料輕量化入手，以分體空調外機的軸流風葉為研究對象，無需更改模具，僅變更注塑材料，保證變更后的零件單體、整機性能與更改前相當，且提高了其高、低溫耐沖擊能力，充分驗證了零件及整機運行可靠性，實現了零件輕量化設計，降低了成本，提高產品競爭力。

1 材料分析

1.1 玻纖增強AS材料

AS樹脂是由丙烯腈與苯乙烯共聚而成的高分子化合物（acrylonitrile-styrene copolymer)，為非晶態(tài)透明而微黃色的熱塑性樹脂。AS承受載荷的能力極強，具有良好的尺寸穩(wěn)定性、耐候性、耐熱性、耐油性、抗震動性和化學穩(wěn)定性，通過添加玻纖作為增強材料是塑料改性的常用方法[4-5]。在AS樹脂中加入玻纖可提高其強度，且材料的線膨脹系數小，收縮率較低，適用于制造空調的貫流風葉、軸流風葉、離心風葉及其他高強度零件。但玻纖增強AS的脆性較大，性能提升幅度有限，使用橡膠增韌的改善空間不大[6]，室外機軸流風葉在總裝生產、整機轉運時易導致葉片斷裂，增加生產成本。

1.2 復合增強PP材料

PP，是由丙烯聚合而制得的一種熱塑性樹脂，是當前常用塑料最輕的品種之一，也是輕量化的首選材料。但其最大缺陷是耐氣候性差、高溫剛性不足、透明性不足、熔融強度小和易烯等[7]。以PP為基體樹脂，通過專用設備和工藝生產的連續(xù)長玻纖增強材料，可有效提高制品的剛性、抗沖擊強度、抗蠕變性能和尺寸穩(wěn)定性，以塑代鋼，已在汽車、家電等領域得到廣泛應用[8]。汪克風等在玻纖增強PP復合材料中混入適量接枝PP，改善極性玻纖與非極性PP基體間的界面性能，大幅改善了復合增加PP的拉伸強度、彎曲強度、沖擊強度及耐熱性，制備出性能與AS/玻纖相當，適用于注塑加工的高性能PP/GF復合材料[9]。

1.3 測試樣條力學性能對比

分別將AS、PP與玻纖在雙螺桿擠出機中熔融、混合、擠出、造粒，所得的膠粒在注塑成各種標準的測試樣條，冷卻24小時后進行力學性能測試。

由表1可見，復合增強PP的拉伸強度與彎曲強度較AS-GF20低、沖擊強度高，其成分玻纖含量接近30%，提高改性PP的強度，還將經過表面處理的云母增韌填充，增加了高溫抗變形能力和低溫韌性。

如圖1、圖2為兩種材料淬斷表面的SEM照片，顯示了其微觀形貌。從圖片上看，復合增強PP的長玻纖與基體樹脂相容性較好，玻纖均勻分散、附著力強，其形貌特性與AS-GF20相近。由于大量纖維在截面斷裂時從基體中撥出，在斷面上較多的纖維呈裸露狀，孔洞和溝壑相間。

2 風葉單體性能對比分析

2.1 基礎參數對比

由表2可見，使用復合增加PP的軸流風葉尺寸與ASGF20偏差小于1%，符合圖紙公差要求，重量下降41克，約14.2%，輕量化效果顯著。

表1 測試樣條的力學性能對比

表2 兩種材料軸流風葉的尺寸/重量對比

如圖3所示，增強AS材料的樣件微黃、半透明，增強PP材料的樣品呈灰白色，不透明，兩種材料均為原色，均可增加色母調整顏色。

2.2 單體型式試驗對比

由表3可見，復合增強PP風葉的各項單體型式試驗均合格，相比AS-GF20材料，其極限高速運轉的破損轉速更高，這與其軸向變形后氣動載荷減小有關。高溫運轉試驗，復合增強PP樣件的變形量略高于AS-GF20，這與其材料的拉伸、彎曲強度略低有關，但φ320×118風葉的直徑小，葉片弦長短，高溫變形程度不明顯，當前各項單體形式試驗均符合企標要求。

圖1 AS-GF20材料淬斷表面SEM照片

圖2復合增強PP材料淬斷表面SEM照片

圖3 外觀對比(左：AS-GF20；右：復合增強PP)

為降低軸流風葉破損率，做更苛刻的非標跌落試驗。在30℃環(huán)境下，將風葉在距地面3米處自由落體，重復3次。如圖4所示，AS-GF20材料，有兩個葉片開裂，局部斷裂，圖5復合增強PP材料，葉片無開裂，局部僅發(fā)白和磨損。可見，復合增強PP的韌性較AS-GF20有顯著提高，可降低甚至避免由于生產轉運、長途運輸造成的風葉斷裂類售后投訴。

表3 不同材料軸流風葉的單體型式試驗對比

圖4 30℃環(huán)境非標跌落（AS-GF20）

圖5 30℃環(huán)境非標跌落（復合增強PP）

2.3 風葉固有頻率對比

用錘擊法測試風葉的固有頻率，采用LMS公司的測試力錘、采集傳感器、便攜式數據采集器完成固頻錘擊測試。原理上，風葉的固頻只受其質量和剛度的影響，其規(guī)律為：質量增加，固有頻率降低，剛度增加，固有頻率增大。復合增強PP材料風葉的質量降低、剛度減弱，固有頻率實測降低，避開了旋轉頻率基頻、電源頻率。

由于葉片質量降低、剛度減弱，復合增強PP樣件的固有頻率降低，如圖6所示，400 Hz內復合增強PP有6個峰值，AS-GF20有7個。額定轉速920 rpm時，旋轉基頻為46 Hz，與兩種材料風葉的固頻均未重合。

2.4 -40℃低溫可靠性驗證

由于PP基材在-35℃下會脆化，需要驗證其在低溫環(huán)境下的耐沖擊性能。將上述兩種材料的風葉樣件同時放入-40℃的可程式恒溫恒濕試驗箱中，72小時后取出進行標準跌落試驗：葉片外緣向下，離地面0.3米高，自由下落到水泥地板上。兩材料風葉的標準跌落均合格，需進行更苛刻的非標跌落試驗。將風葉放置距離地面3米處自由落體，重復3次。如圖7、8所示，AS-GF20材料的一個葉片破損，復合增強PP材料的葉片無開裂或破損，僅局部發(fā)白和磨損。試驗證明，在-40℃時，經過共混改性的復合增強PP材料未出現脆化，且韌性優(yōu)于AS-GF20。

圖6 固頻對比

表4 整機風量、噪音、功率對比

表5 整機振動對比

圖7 -40℃冷凍后非標跌落（AS-GF20）

圖8 -40℃冷凍后非標跌落（復合增強PP）

3 整機性能、可靠性對比分析

3.1 送風風量、噪音、功率對比

某出口1P定頻機使用φ320×118軸流風葉，無直流電機配置，這里僅對交流電機進行對比分析。由表4可見，送風模式下，與AS-GF20相比，復合增強PP材料軸流風葉的轉速、風量、功率、噪音水平相當。

如圖9、10所示，復合增強PP材料的軸流風葉送風噪音值略高0.4 dB(A)，峰值高1.2 dB(A)，峰值頻率相近，噪音音質體驗無明顯差異。

3.2 整機振動可靠性對比

送風模式，在整機關鍵位置：電機支架、頂蓋板、前面板分別安裝振動傳感器，通過測試振動加速度來對比兩種材料的軸流風葉對整機振動方面的影響。由表5可見，電源頻率為50 Hz、60 Hz情況下，復合增強PP的風葉樣件較AS-GF20的樣件整機振動更低，60 Hz時尤為明顯。

3.3 長期高溫運行對葉片軸向高度的影響

如圖11所示，兩種材料的軸流風葉隨整機進行了100天室外環(huán)境為45℃的高溫制冷長期運行可靠性試驗，期間記錄了同一葉片的軸向長度變化數據。由圖12所示，77天后葉片軸向長度趨于穩(wěn)定，第100天復測，復合增強PP的風葉樣件比AS-GF20的軸向尺寸短1.4 mm，占比1.1%，差異較小不影響整機可靠性。

4 結論

圖9 聲壓級頻譜（AS-GF20）（噪音總值：44.17分貝；峰值：29.48分貝；頻率：417赫茲）

圖10 聲壓級頻譜（復合增強PP）（噪音總值：44.58分貝；峰值：30.68分貝；頻率：415赫茲）

（1）規(guī)格為φ320×118的軸流風葉，復合增強PP材料的風葉尺寸相比AS-GF20材料偏差小于1%，重量下降41克，約14.2%，輕量化效果顯著。

（2）常溫下，復合增強PP的拉伸強度、彎曲強度分別較AS-GF20材料低25.8%、15.4%，沖擊強度高94.5%，即剛性降低、韌性增強，將經過表面處理的云母增韌填充，增加了高溫抗變形能力和低溫韌性；-40℃低溫環(huán)境放置48小時，復合增強PP材料未出現脆化，且韌性優(yōu)于AS-GF20材料。

（3）復合增強PP樣件的極限運轉破損轉速更高；高溫運轉試驗，其變形量較AS-GF20材料僅高0.4%；其韌性較AS-GF20材料有顯著提高，可降低由于生產、轉運造成的風葉斷裂類售后投訴數量。

圖11 長期高溫運行試驗

圖12 長期高溫運行對風葉軸向長度的影響

（4）整機送風模式下，復合增強PP材料的軸流風葉與AS-GF20材料相比，其轉速、風量、功率、噪音值相當，且音質體驗無明顯差異，且整機振動更低，交流電機在60 Hz時差異更為明顯。

（5）經過100天的連續(xù)高溫運轉，復合增強PP樣件與AS-GF20材料相比軸向變形量僅大1.5%。

綜上所述，規(guī)格為φ320×118的軸流風葉使用復合增強PP替代AS-GF20材料，其單體和整機的性能、可靠性等各項指標均達到量產要求。后續(xù)可對更大直徑的軸流風葉或離心風葉進行相關試驗研究，進一步推廣復合增強PP材料在空調零部件輕量化方面的應用。