蔣勇剛 江 賓 熊克勇 邢 龍

（合肥晶弘電器有限公司 合肥 230001）

引言

冰箱作為現(xiàn)代家庭必備的家用電器，其噪聲水平越來越受到廣大消費(fèi)者尤其是追求高生活質(zhì)量人群的關(guān)注。風(fēng)冷冰箱在日常使用中經(jīng)常會出現(xiàn)異常噪聲問題。為進(jìn)一步提高消費(fèi)者的使用體驗(yàn)，現(xiàn)對風(fēng)冷冰箱體感噪聲進(jìn)行研究，滿足用戶對靜音冰箱的需求[1]。根據(jù)售后維修實(shí)踐，風(fēng)冷冰箱使用的風(fēng)扇電機(jī)噪音是整機(jī)冰箱噪音的主要原因之一。

近幾年，隨著國際經(jīng)濟(jì)形勢的變化，中國國內(nèi)家電企業(yè)使用的進(jìn)口電器件的價(jià)格及采購周期收到嚴(yán)重的影響，大多數(shù)進(jìn)口件已經(jīng)逐步開始國產(chǎn)化替代。電冰箱行業(yè)使用的低溫風(fēng)扇電機(jī)也在逐步的進(jìn)行國產(chǎn)化替代。但是，中國國內(nèi)生產(chǎn)低溫風(fēng)扇電機(jī)的企業(yè)極少，多數(shù)為常溫環(huán)境下使用的風(fēng)扇電機(jī)。常溫下使用的風(fēng)扇電機(jī)與低溫下風(fēng)扇電機(jī)有著重大的區(qū)別。目前風(fēng)扇電機(jī)行業(yè)內(nèi)的技術(shù)專家普遍缺乏低溫風(fēng)扇電機(jī)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，低溫的環(huán)境對風(fēng)扇電機(jī)產(chǎn)生的影響機(jī)理及影響程度不清晰，設(shè)計(jì)生產(chǎn)的低溫風(fēng)扇電機(jī)在噪音及可靠性方面存在問題[2]，需要進(jìn)一步的深入研究。

現(xiàn)通過國內(nèi)外行業(yè)標(biāo)桿對比及可靠性分析試驗(yàn)技術(shù)的應(yīng)用，確定含有軸承風(fēng)扇電機(jī)的含油量設(shè)計(jì)、運(yùn)轉(zhuǎn)間隙設(shè)計(jì)、風(fēng)路循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及油路循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為關(guān)鍵可靠性設(shè)計(jì)因素，提出了低噪音風(fēng)扇電機(jī)的可靠性設(shè)計(jì)原則。為風(fēng)扇電機(jī)設(shè)計(jì)人員提供參考。

1 風(fēng)扇電機(jī)噪音維修分析實(shí)踐情況

維修實(shí)踐中經(jīng)常遇到整機(jī)噪音測試噪音值低于噪音標(biāo)準(zhǔn)（一般標(biāo)準(zhǔn)為≤39 dB），但體感噪音不合格情況，表現(xiàn)為低頻音帶來的不悅音質(zhì)感受，且噪音間歇性出現(xiàn)，一般維修措施難以解決，問題存在復(fù)雜性[3]。對國產(chǎn)化風(fēng)扇電機(jī)與進(jìn)口風(fēng)扇電機(jī)維修實(shí)踐數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)噪音故障率存在明顯差異。國產(chǎn)化風(fēng)扇電機(jī)比進(jìn)口風(fēng)扇電機(jī)噪音故障率高出5倍左右。

2 風(fēng)冷冰箱風(fēng)扇電機(jī)體感噪音異常的原因分析

通過將國產(chǎn)化風(fēng)扇電機(jī)與進(jìn)口風(fēng)扇電機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)差異化對比，同時通過風(fēng)扇電機(jī)技術(shù)專家的頭腦風(fēng)暴以及查詢相關(guān)資料[4]。風(fēng)扇電機(jī)噪音不穩(wěn)定的潛在異常原因推測為：①風(fēng)扇轉(zhuǎn)子軸與軸承間隙過大；②低溫下風(fēng)扇軸與軸承的尺寸變化產(chǎn)生間隙超差；③風(fēng)輪與底托間隙間有小冰珠產(chǎn)生摩擦；④底托變形影響電機(jī)運(yùn)行的動平衡；⑤軸承含油量少，潤滑效果差；⑥潤滑油的油路設(shè)計(jì)不合理；⑦潤滑油低溫凝結(jié)。⑧風(fēng)路循環(huán)不暢。根據(jù)識別到的推測，使用FTA對推測進(jìn)行邏輯整理，確定關(guān)鍵底事件推測。如圖1所示。

圖1 風(fēng)扇電機(jī)噪音系統(tǒng)圖

圖1中顯示有8個底事件，對分析確定的底事件（推測）進(jìn)行逐項(xiàng)確認(rèn)、改進(jìn)，以提升風(fēng)扇電機(jī)的可靠性。

2.1 采用假設(shè)檢驗(yàn)證明有無循環(huán)油路對軸承含油量存在顯著影響

制作有油槽與無油槽軸承樣品各8個。通過火燒法測定軸承的含油量，然后使用假設(shè)檢證明有無循環(huán)油路對軸承含油量產(chǎn)生明顯的影響。如表1、圖2所示。

圖2 方差數(shù)據(jù)計(jì)算圖

表1 軸承樣品含油量測量數(shù)據(jù)

使用雙樣本F檢驗(yàn)，設(shè)：H0為方差相等；H1為方差不相等。在顯著水平α=0.05水平上，p值為0.889，P＞0.05，所以，接受原假設(shè)H0，證明兩個樣品方差相等。然后檢驗(yàn)均值是否相等。使用t檢驗(yàn)，設(shè)：H0為均值相等；H1為均值不相等。根據(jù)MINITAB運(yùn)算的結(jié)果，在顯著水平α=0.05水平上，P=0.014＜0.05，拒絕原假設(shè)，即認(rèn)為均值是提高的，因此確定增加油槽對含油軸承的含油量有顯著提升。A，B箱線圖和單值圖如圖3所示。

圖3 A,B箱線圖和單值圖

另外，通過國產(chǎn)軸承與進(jìn)口件的設(shè)計(jì)對比，軸承的油槽是進(jìn)口件普遍采用的一種油路循環(huán)設(shè)計(jì)方案???。

同時，對故障風(fēng)扇電機(jī)進(jìn)行解剖，發(fā)現(xiàn)軸承內(nèi)孔底面有潤滑油，頂部極少見潤滑油，證明國產(chǎn)風(fēng)扇電機(jī)潤滑油沒有形成有效的循環(huán)，潤滑油產(chǎn)生了堆積現(xiàn)象。因此確定，有無油槽設(shè)計(jì)是主要影響原因之一。

2.2 通過試驗(yàn)驗(yàn)證法確定飛輪與底托設(shè)計(jì)間隙是主要影響原因之一

對國產(chǎn)風(fēng)扇電機(jī)飛輪與底托之間噴水霧，模擬冰箱化霜環(huán)境，然后放入到冷凍室中進(jìn)行冷凍，發(fā)現(xiàn)間隙之間的水珠在冷凍過程中立即結(jié)冰冰珠，并且不斷增加。冰珠直徑從0.2～0.6 mm增加到0.8～1.2 mm。幾款國產(chǎn)風(fēng)扇電機(jī)飛輪與底托設(shè)計(jì)間隙一般在0.7～1.0 mm。隨著冰珠的增大，對風(fēng)扇電機(jī)進(jìn)行通電測試，發(fā)現(xiàn)飛輪與冰珠干涉產(chǎn)生低頻的摩擦音，設(shè)計(jì)間隙尺寸小于形成冰珠的直徑。同時，對噪音故障的風(fēng)扇電機(jī)進(jìn)行拆解發(fā)現(xiàn)間隙處存在摩擦的痕跡。因此，設(shè)計(jì)間隙小是主要的影響原因之一。

2.3 通過查詢設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)際測量，證明軸與軸承設(shè)計(jì)間隙不是影響因素

行業(yè)內(nèi)低速風(fēng)扇電機(jī)的軸與軸承的設(shè)計(jì)間隙為0.004～0.015 mm，即4～15 μm。對三個品牌的國產(chǎn)電機(jī)此間隙測量，結(jié)果基本符合此機(jī)械設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn).因此，確定此設(shè)計(jì)間隙不是影響因素。

2.4 通過試驗(yàn)驗(yàn)證確定軸與軸承的低溫下尺寸變化不是影響因素

軸與軸承都是粉末冶金制造，一般情況下溫度變化率極小。軸和軸承分別在低溫-30 ℃冷凍24 h，然后測量冷凍前及冷凍后的軸的外徑及軸承內(nèi)徑尺寸變化量。三個品牌的國產(chǎn)風(fēng)扇電機(jī)冷凍前后未見明顯尺寸變化。

2.4.1 軸的外徑尺寸如圖4所示。

圖4 某品牌風(fēng)扇電機(jī)冷凍前后軸外徑的尺寸變化量（mm）

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，冷凍后軸外徑仍然滿足設(shè)計(jì)間隙的要求。

2.4.2 軸承內(nèi)徑尺寸如圖5所示。

圖5 某品牌風(fēng)扇電機(jī)冷凍前后軸承內(nèi)徑的尺寸變化量

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，冷凍后軸承內(nèi)徑仍然滿足設(shè)計(jì)間隙的要求。

因此，國產(chǎn)風(fēng)扇電機(jī)軸與軸承的低溫下的尺寸變化量不是噪音問題的影響因素。

2.5 通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證證明底座形變量不是影響因素

底托一般采用PBT工程樹脂材質(zhì)制造，此工程材料強(qiáng)度極高。將噪音故障風(fēng)扇電機(jī)在常溫下測試底托變形量，然后在低溫下冷凍24 h，測試底托變形量。發(fā)現(xiàn)三個品牌的故障風(fēng)扇電機(jī)的底座低溫下變形量比常溫下增加0.003～0.005 mm。此變形量未造成風(fēng)扇電機(jī)產(chǎn)生干涉及共振。

2.6 通過試驗(yàn)驗(yàn)證潤滑油的低溫凝結(jié)不是影響因素

將風(fēng)扇電機(jī)在-40 ℃環(huán)溫下冷凍。觀察潤滑油并未出現(xiàn)凝結(jié)現(xiàn)象，旋轉(zhuǎn)飛輪，運(yùn)行順暢，未出現(xiàn)干涉及摩擦現(xiàn)象。三個品牌的國產(chǎn)風(fēng)扇電機(jī)潤滑油在冰箱的最低溫度冷凍環(huán)境下均未發(fā)生潤滑性能下降。

2.7 軸承的含油量少是影響因素

采取燒結(jié)去油法，將三個品牌的國產(chǎn)的含油軸承與進(jìn)口含油軸承的含油量進(jìn)行對比。發(fā)現(xiàn)國產(chǎn)軸承的含油量比進(jìn)口件普遍低21.6～32.7 %。

潤滑油少對噪音產(chǎn)生明顯的影響。

2.8 飛輪風(fēng)路共振是影響因素

飛輪高速轉(zhuǎn)動時，從底托處吸入空氣，但是底托為實(shí)心平面結(jié)構(gòu)，無法形成順暢的風(fēng)路，觀察噪音故障的風(fēng)扇電機(jī)，飛輪高速運(yùn)轉(zhuǎn)時產(chǎn)生了抖動現(xiàn)象，抖動幅度為0.6～0.8 mm，發(fā)出噪音。試驗(yàn)將底托制作成鏤空結(jié)構(gòu)，形成循環(huán)的風(fēng)路系統(tǒng)。觀察飛輪在高速轉(zhuǎn)動的過程中抖動幅度降低至0.1～0.2 mm，未體感到明顯的噪音。因此，判斷沒有風(fēng)路循環(huán)系統(tǒng)是主要影響因素之一。

根據(jù)試驗(yàn)驗(yàn)證確定國產(chǎn)風(fēng)扇電機(jī)產(chǎn)生噪音問題的根本原因?yàn)椋孩佥S承回油系統(tǒng)設(shè)計(jì)異常；②底托風(fēng)路設(shè)計(jì)異常；③底托與風(fēng)輪間隙設(shè)計(jì)異常；④含油軸承含油量異常；

使用DOE方法確定改進(jìn)方案。DOE中設(shè)定軸承回油槽截面積、底托通風(fēng)量、底托與風(fēng)輪間隙、含油軸承含油量四個因子，進(jìn)行4因子2水平的試驗(yàn)設(shè)計(jì)，響應(yīng)設(shè)置為風(fēng)扇電機(jī)動平衡，要求動平衡。試驗(yàn)設(shè)計(jì)（DOE）結(jié)果顯示，響應(yīng)曲面全部為彎曲，根據(jù)響應(yīng)曲面確定改進(jìn)設(shè)計(jì)方案。

3 消除體感噪音故障的可靠性設(shè)計(jì)方法

3.1 軸承的儲油量增加設(shè)計(jì)

根據(jù)前面對比試驗(yàn)的結(jié)果，需要增加軸承儲油量。按照含油軸承含油量的設(shè)計(jì)原理[5]，增加體積可以增加儲油量。因此，根據(jù)國產(chǎn)軸承的結(jié)構(gòu)，可以考慮增加粗頭長度及細(xì)頭壁厚，實(shí)現(xiàn)體積增加。如圖6所示。

圖6 軸承優(yōu)化示意圖

某一品牌國產(chǎn)風(fēng)扇電機(jī)更改軸承形狀，原含油軸承：油孔內(nèi)油量為；新含油軸承：油孔內(nèi)的油量相對增加至，油量增加了。增加軸承體積提高儲油量的效果比較明顯。

3.2 含油軸承油槽設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)軸承上下端形成油路循環(huán)系統(tǒng)，故采取在軸承的端面及外側(cè)“開槽”方案，使?jié)櫥碗S著氣壓及油壓達(dá)到軸承底部后，沿油槽上行再次進(jìn)入軸承上部，形成循環(huán)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)油路的反復(fù)循環(huán)。如圖7所示。

圖7 軸承油槽示意圖

某款國產(chǎn)風(fēng)電機(jī)軸承油槽截面積設(shè)計(jì)為。當(dāng)軸與含油軸承間隙的油量特別大時，隨著軸的運(yùn)轉(zhuǎn)溢出到軸承端面時，會延著油槽流下，從外表面進(jìn)入含油軸承內(nèi)部，從而形成一個潤滑油回路。

同時，經(jīng)過SEM掃描電鏡觀察，開槽后，由于軸承擠壓力變小，粉末冶金的晶粒之間的空隙變大，含油量得到提升。如圖8所示。

圖8 含油軸承開槽前、后晶粒圖（灰色部分）

軸承增加油槽后，制作風(fēng)扇電機(jī)樣件10件，運(yùn)行24 h后，解剖發(fā)現(xiàn)軸承內(nèi)表面、軸承外側(cè)面及槽孔內(nèi)充滿潤滑油，沒有潤滑油堆積現(xiàn)象。說明已經(jīng)形成了油路的循環(huán)系統(tǒng)。

3.3 風(fēng)路循環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

底托支架為鏤空中空結(jié)構(gòu)，如圖9所示。飛輪高速轉(zhuǎn)動時，從底托處吸入空氣，但是底托為實(shí)心平面結(jié)構(gòu)，無法形成順暢的風(fēng)路。將底托制作成鏤空結(jié)構(gòu)，形成循環(huán)的風(fēng)路系統(tǒng)，風(fēng)路不再受阻。運(yùn)行時飛輪的抖動會明顯降低。

圖9 低應(yīng)力鏤空結(jié)構(gòu)支架示意圖

同時，此底托支架在低溫下變形小，所受應(yīng)力較分散，更穩(wěn)定，可減緩共振。該支架常溫下平面度，低溫冷凍后，與常溫對比變化量以下，平均變化量.新結(jié)構(gòu)鏤空支架在常溫下平面度變化更小、更穩(wěn)定，在低溫情況下的變形量更小。

3.4 支架與飛輪間隙設(shè)計(jì)

根據(jù)低溫冰晶的尺寸，確定支架與飛輪間隙應(yīng)大于1.5 mm，故采用1.7 mm，使其與含油軸承支撐平面齊平，增大飛輪與底托之間的間距防止間隙間的冰晶與飛輪接觸產(chǎn)生噪音。

對國產(chǎn)風(fēng)扇電機(jī)噪音確定的四個主要原因全部進(jìn)行了設(shè)計(jì)改進(jìn)，改進(jìn)措施全部采取后制作了改進(jìn)型風(fēng)扇電機(jī)進(jìn)行測試單體動平衡及體感噪音。改進(jìn)后，體感無低頻的共振聲音，風(fēng)扇的單體動平衡測試全部＜15 mg。整機(jī)噪音全部滿足小于39 dB的要求。同時對改進(jìn)型風(fēng)扇電機(jī)進(jìn)行可靠性測試，在-40 ℃環(huán)溫下測試，仍未出現(xiàn)低頻噪音現(xiàn)象。市場質(zhì)量表現(xiàn)較好，完全達(dá)到進(jìn)口風(fēng)扇電機(jī)的質(zhì)量水平。

低溫風(fēng)扇電機(jī)可靠性設(shè)計(jì)原則：應(yīng)考慮潤滑油的循環(huán)系統(tǒng)，確保潤滑油長期反復(fù)起作用；考慮整機(jī)的風(fēng)路循環(huán)系統(tǒng)，確保風(fēng)路順暢不受阻；考慮動靜部件之間的安全設(shè)計(jì)間隙，確保不干涉冰珠；考慮含油軸承的含油量，確保潤滑油量的充足。

4 總結(jié)

使用國產(chǎn)化風(fēng)扇電機(jī)的風(fēng)冷冰箱運(yùn)行時，出現(xiàn)噪音低于標(biāo)準(zhǔn)值但體感噪音不合格的現(xiàn)象，整機(jī)聲音表現(xiàn)為低頻音，帶來不悅的音質(zhì)感受，產(chǎn)生投訴維修。風(fēng)冷冰箱在日常使用中出現(xiàn)的異常噪聲問題，對產(chǎn)品形象、客戶使用體驗(yàn)產(chǎn)生不良影響。通過行業(yè)標(biāo)桿對比法、可靠性試驗(yàn)法確定了風(fēng)扇電機(jī)的噪音的根本設(shè)計(jì)原因。對風(fēng)扇電機(jī)的油路循環(huán)系統(tǒng)、風(fēng)路循環(huán)系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)間隙、含油軸承的含油量等進(jìn)行重新構(gòu)造設(shè)計(jì)，成功的消除了風(fēng)扇電機(jī)的體感低頻噪音問題。此研究及應(yīng)用對制冷行業(yè)的進(jìn)口風(fēng)扇電機(jī)國產(chǎn)化起到關(guān)鍵的促進(jìn)作用，為國產(chǎn)化風(fēng)扇電機(jī)正?？煽渴褂帽ｑ{護(hù)航。同時，也說明了我國基礎(chǔ)工業(yè)產(chǎn)品起步較晚，技術(shù)薄弱?；A(chǔ)工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)應(yīng)借鑒國際成熟產(chǎn)品的成功經(jīng)驗(yàn)，將會減少大量的試錯成本。