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        軸流風(fēng)葉與電機(jī)定位配合可靠性分析與研究

        2022-11-26 09:35:34付百強(qiáng)
        日用電器 2022年10期
        關(guān)鍵詞:風(fēng)葉軸流倒角

        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(tái)階定位以及后端卡簧定位。前端臺(tái)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(tái)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(tái)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 %?,F(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(tái)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(tái)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(tái)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(tái)特征差異,庫存軸流風(fēng)葉內(nèi)部限位臺(tái)無磨損且無階梯狀特征,機(jī)器實(shí)驗(yàn)剛上臺(tái)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(tái)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(tái)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(tái)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(tái)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(tái)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(tái)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(tái)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(tái)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(tái)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(tái)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(tái)存在R角。同步與電機(jī)軸配合定位平臺(tái)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(tái)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(tái)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(tái)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(tái)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(tái)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(tái)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(tái)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(tái)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(tái)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(tái)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(tái)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(tái)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(tái)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(tái)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(tái)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。

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