付百強 曾 望
(珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070)
軸流風(fēng)葉在旋轉(zhuǎn)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(fēng)葉葉輪后,在旋轉(zhuǎn)葉片的流道中沿著軸線方向流動,氣體流量大但風(fēng)壓低[2]。在家用空調(diào)外機中軸流風(fēng)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(fēng)葉內(nèi)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(fēng)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(fēng)葉電機是否存在卡簧,隨著電機技術(shù)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(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(fēng)葉與電機前端定位配合結(jié)構(gòu)磨損異響問題展開深入研究分析,以便鎖定失效機理解決前端定位磨損異響問題。
圖1 軸流風(fēng)葉與電機配合定位差異
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(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)葉與電機配合處發(fā)出,異響穩(wěn)定復(fù)現(xiàn)且在外機風(fēng)機剛啟動過程最為明顯。手感軸流風(fēng)葉與電機配合存在輕微晃動,使用退出力矩扳手實測風(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)葉與電機配合為前端臺階定位,見圖2。對異響外機重新更換軸流風(fēng)葉后異響消失,但長期運行7~60天后故障再次復(fù)現(xiàn),結(jié)合此點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)葉與電機配合異響原因展開深入的調(diào)查分析。
圖2 故障樣機軸流風(fēng)葉與電機配合三維
對實驗室多臺異響外機解剖復(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(fēng)葉與螺母接觸處磨痕、電機軸磨痕
對異響機器軸流風(fēng)葉進行解剖,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,機器實驗剛上臺時無異響,長期運行后才出現(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 故障機軸流風(fēng)葉,庫存風(fēng)葉
在實際運行時,需對風(fēng)葉進行旋轉(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)部限位與電機軸固定之間存在竄動導(dǎo)致磨損。但緊固螺母退出力矩正常緊固無松動,為鎖定產(chǎn)生竄動的根本原因,進一步核查結(jié)構(gòu)設(shè)計。異響機器為前端定位,軸流風(fēng)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(fēng)葉軸孔偏大時,軸流風(fēng)葉與電機軸轉(zhuǎn)動不再是一體結(jié)構(gòu)(圖5),尤其在電機啟?;蜣D(zhuǎn)速變化時,受慣性影響電機軸與軸流風(fēng)葉切向速度差加大,會導(dǎo)致風(fēng)葉與軸出現(xiàn)圓周向晃動,來回撞擊導(dǎo)致磨損異常。
圖5 室外機軸流風(fēng)葉與電機固定結(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軸倒角、風(fēng)葉內(nèi)部定位凸臺倒角。故在理論設(shè)計上,當電機轉(zhuǎn)軸倒角尺寸≤0.5 mm*45 °時,軸流風(fēng)葉限位與電機軸為面接觸定位,見圖6。風(fēng)葉內(nèi)部定位凸臺在理論設(shè)計及模具出模上均需直角設(shè)計,不做倒角,如圖7。當電機軸倒角過大或風(fēng)葉內(nèi)部定位凸臺R角設(shè)計時,會導(dǎo)致軸流風(fēng)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?yōu)榫€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(yōu)先啟動或變速來帶動風(fēng)葉轉(zhuǎn)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(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一步放大,使風(fēng)葉與電機在緊固螺母打緊情況下也存在軸向竄動發(fā)出“咔咔”噪音。
圖6 前定位結(jié)構(gòu)軸流風(fēng)葉與電機軸面接觸
圖7 軸流風(fēng)葉內(nèi)部定位凸臺直角設(shè)計
圖8 電機軸倒角過大,軸流風(fēng)葉與電機軸線接觸
針對軸流風(fēng)葉與電機軸固定長期運轉(zhuǎn)后存在竄動問題,組織實驗樣機、軸流風(fēng)葉、電機關(guān)鍵尺寸數(shù)據(jù)、以及生產(chǎn)線體螺母緊固進行核查。
為避免因電機軸尺寸、風(fēng)葉軸孔尺寸來料不合格,電機軸偏小或軸流風(fēng)葉軸孔偏大導(dǎo)致電機軸與軸流風(fēng)葉圓周向配合松動[5],導(dǎo)致軸流風(fēng)葉與電機軸轉(zhuǎn)動不再是一體結(jié)構(gòu),尤其在電機啟?;蜣D(zhuǎn)速變化過程中,電機軸與軸流風(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)葉軸套和電機軸的尺寸進行排查,排查結(jié)果如表1、表2所示,風(fēng)葉軸套和電機軸尺寸均滿足設(shè)計圖紙要求,上下極限尺寸驗證裝配無松動。
表1 軸流風(fēng)葉關(guān)鍵位置實測數(shù)據(jù)(mm)
表2 電機軸關(guān)鍵位置實測數(shù)據(jù)(mm)
前端臺階定位結(jié)構(gòu),在理論設(shè)計上,當電機轉(zhuǎn)軸倒角尺寸≤0.5 mm*45 °時,軸流風(fēng)葉限位與電機軸為面接觸,檢查發(fā)現(xiàn)實驗故障機的電機轉(zhuǎn)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(dǎo)致軸流風(fēng)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?yōu)榫€接觸,配合面積減小。測試方式見圖10,實測數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)
圖10 倒角投影測量方法
為保證軸流風(fēng)葉與電機軸配合可靠性,風(fēng)葉內(nèi)部定位凸臺在理論設(shè)計及模具出模上為直角設(shè)計,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。同步與電機軸配合定位平臺面存在斜面如圖11,導(dǎo)致電機軸與軸流風(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)葉運行不平穩(wěn),加速電機軸與風(fēng)葉軸孔配合松動磨損,最終誘發(fā)噪音。
圖11 軸流風(fēng)葉內(nèi)部定位凸臺特征
依據(jù)本次事件失效機理,當電機軸倒角過大、風(fēng)葉內(nèi)部定位凸臺平面度不合格,或配合直角異常時,會導(dǎo)致接觸面積由原本的面接觸變?yōu)榫€接觸,在電機頻繁啟動或升降轉(zhuǎn)速容易出現(xiàn)電機軸與軸流風(fēng)葉切向速度差[4],加速電機軸與風(fēng)葉軸孔配合松動磨損問題,最終誘發(fā)噪音問題。前端臺階定位結(jié)構(gòu)需從設(shè)計前端加大電機軸與軸流風(fēng)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(fēng)葉定位凸臺直角設(shè)計及模具出模保證,增加倒角、平面度等生產(chǎn)管控要求。
1)為此長期實驗室安排12臺外機,使用電機軸倒角尺寸、風(fēng)葉軸孔尺寸滿足圖紙設(shè)計要求,風(fēng)葉內(nèi)部定位凸臺直角設(shè)計的合格零部件進行電機頻繁啟動停止試驗,每小時風(fēng)機啟停20次,每天480次,運轉(zhuǎn)6月后檢查風(fēng)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(fēng)葉軸孔等尺寸符合設(shè)計要求,風(fēng)葉內(nèi)部定位凸臺為直角設(shè)計,保證軸流風(fēng)葉限位與電機軸為面接觸時,前定位方式的整機不會出現(xiàn)失效產(chǎn)生噪音的問題。
圖12 物料合格狀態(tài)長期實驗樣機
2)考慮軸流風(fēng)葉為注塑材料與電機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,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)化方案進行電機頻繁啟動停止試驗驗證,每小時風(fēng)機啟停20次,每天480次,運轉(zhuǎn)6月后檢查風(fēng)葉和電機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
針對空調(diào)外機軸流風(fēng)葉與電機前端定位配合結(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)葉與電機軸固定之間存在軸向竄動,導(dǎo)致電機軸扁位D面、電機軸退刀槽端面、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)實物及實驗驗證鎖定根本異常原因為:電機軸倒角過大、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,在整機啟動或電機變速時,電機軸與軸流風(fēng)葉限位處長期切向摩擦狀態(tài),長期實驗后會加劇磨損產(chǎn)生軸向竄動,誘發(fā)外機噪音問題。
前端臺階定位結(jié)構(gòu)可靠性可從設(shè)計前端加大電機軸與軸流風(fēng)葉定位凸臺配合面余量,即增大配合面積上進行優(yōu)化。在設(shè)計上需重點考慮電機軸倒角加工精度、軸流風(fēng)葉定位凸臺直角設(shè)計及模具出模保證。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,提升部分零部件生產(chǎn)管控余量,解決注塑件磨損問題。