發(fā)動機環(huán)形塑料風扇破裂故障分析與改進

王偉，黃國龍，龐振華，趙振龍

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發(fā)動機環(huán)形塑料風扇破裂故障分析與改進

王偉1，黃國龍1，龐振華2，趙振龍1

（1.濰柴動力股份有限公司發(fā)動機研究院，山東 濰坊 261000；2.濰柴動力股份有限公司質(zhì)量部，山東 濰坊 261000）

針對某機型發(fā)動機出現(xiàn)的環(huán)形塑料風扇破碎故障，從風扇與發(fā)動機的設(shè)計匹配、塑料風扇結(jié)構(gòu)、材料等方面進行了失效原因分析，并提出改進措施。采用改進措施后的風扇未再發(fā)生同樣故障，說明了故障原因分析正確，改進措施有效。

環(huán)形塑料風扇；破碎；失效

1 前言

目前，國內(nèi)外傳統(tǒng)的汽車用鋼板沖壓冷卻風扇已經(jīng)逐步被高效、輕巧、美觀的塑料風扇所取代。塑料風扇的優(yōu)點是重量較輕，可大大降低風扇的靜不平衡度及其引起的振動[2,3]。但塑料風扇相對于金屬風扇材料強度低，易老化，風扇在運轉(zhuǎn)過程中極易產(chǎn)生裂紋甚至破碎[4]。

本文針對某機型發(fā)動機出現(xiàn)的環(huán)形塑料風扇破碎故障，從風扇與發(fā)動機的設(shè)計匹配、塑料風扇結(jié)構(gòu)、材料等方面進行了失效原因分析，并提出了改進措施。

2 故障現(xiàn)象與分析

2.1 故障現(xiàn)象

圖1 風扇破碎后的輪轂與部分碎片

某型號發(fā)動機在試驗室進行臺架耐久試驗時發(fā)生環(huán)形塑料風扇破碎，風扇葉片全部與風扇輪轂脫離，見圖1。對該環(huán)形塑料風扇破碎原因進行分析排查，查找原因。

2.2 故障原因

將破碎的環(huán)形塑料風扇的碎片重新拼接，并按順序隨機對各個風扇葉片及其所連接外環(huán)編號，拼接后的環(huán)形塑料風扇見圖2。

首先觀察環(huán)形塑料風扇的外環(huán)，風扇各個外環(huán)破碎照片見圖3。從圖3看，編號1#、3#、4#、5#、6#、7#、8#、9#風扇外環(huán)處有明顯的刮痕，而2#風扇外環(huán)處沒有發(fā)現(xiàn)刮痕。而且2#、3#處風扇破碎較其他位置嚴重。

編號2#處外環(huán)明顯沒有刮擦痕跡，與其余部位不同，且2#、3#處風扇破損最嚴重，可以判定環(huán)形塑料風扇先從2#部位斷裂，斷裂后的塑料風扇由于動平衡失效，導(dǎo)致風扇其他位置的外環(huán)與發(fā)動機護風罩接觸，產(chǎn)生刮擦碰撞并破碎。

圖3 風扇外環(huán)破碎照片

對2#風扇葉片及其對應(yīng)輪轂上的斷口進行觀察分析，見圖4。

圖4 2#葉片及輪轂斷口圖片

從風扇葉片破碎圖看，2#有三道裂紋，葉片靠近根部一道裂紋，到葉片靠近外環(huán)處變成兩道裂紋。按照裂紋擴展規(guī)律，可以判定葉片首先從根部開裂成一條裂紋，繼而裂紋向外環(huán)圓周擴展延伸，發(fā)展成兩條裂紋。

豎爐作業(yè)的重要要求是任何時候皆應(yīng)保持出銅口銅液流動順暢且干凈，以防止下面一排燒嘴被銅液淹沒而堵塞。易產(chǎn)生銅粉覆蓋致使銅液缺氧、產(chǎn)生澆注斷錠等嚴重后果，甚至堵塞出銅口的狀況包括：高火力加熱前，爐子未充分預(yù)熱；投料凌亂，銅細線直徑過小；部分熔化物料或其它物料懸掛在出銅口；出銅口有難熔物質(zhì)；爐渣堆積等。

從風扇葉片輪轂斷口面可以看出，風扇葉片根部一側(cè)的附著的油污多，顏色深，而另外一側(cè)斷口較新且無油污，判定風扇從油污多的一側(cè)的根部首先開裂。

因此，判斷環(huán)形塑料風扇破碎的過程為：根據(jù)風扇破碎程度和外環(huán)處刮痕可判斷風扇最先在位置為2#葉片根部處產(chǎn)生裂紋，隨著裂紋的擴展，風扇葉片在根部斷裂后失去平衡，繼而風扇外環(huán)2#~3#之間發(fā)生斷裂，風扇轉(zhuǎn)動失去平衡，碰到風扇護風罩，在外環(huán)處產(chǎn)生刮痕并將風扇碰碎；葉片在離心力和慣性力的作用下從根部瞬間破碎。

3 失效原因分析

3.1 風扇匹配校核

該發(fā)動機設(shè)計最高空車轉(zhuǎn)速為2310r/min，環(huán)形塑料風扇直徑為670mm，風扇傳動比為1.218。

風扇線速度計算公式見公式（1）

V=n×γ×π×D （1）

式中：n為風扇的轉(zhuǎn)速；γ為風扇的傳動比；D——為風扇的直徑。

根據(jù)公式（1）計算出風扇在最高空車轉(zhuǎn)速時的最大線速度Vmax=98m/s，而環(huán)形塑料風扇設(shè)計的最高轉(zhuǎn)速為100m/s，因此該發(fā)動機在空車最高轉(zhuǎn)速的風扇速度接近風扇本身設(shè)計的最高轉(zhuǎn)速。

3.2 風扇結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

仿真模擬發(fā)動機正常工作時的環(huán)形塑料風扇高速旋轉(zhuǎn)時的受力情況。風扇各部位在旋轉(zhuǎn)時候的受力情況如圖5所示。

發(fā)動機正常工作時，風扇在高速旋轉(zhuǎn)，由于風扇受到慣性力和進風壓力的綜合作用，靠近機體一側(cè)的風扇葉片根部受到的外力最大，而且風扇根部倒角處較尖銳，未有平滑過渡，因此在根部倒角處產(chǎn)生的應(yīng)力集中最大，風扇最先容易從該處開裂失效。

圖5 環(huán)形塑料風扇受力圖

3.3 環(huán)形塑料風扇材料分析

該環(huán)形塑料風扇材料為玻纖增強的尼龍6材料，材料的性能見表1。從表1看，風扇材料性能都滿足塑料材料的指標要求，但材料斷裂伸長率接近技術(shù)要求的下限，因此該風扇材料韌性低，在工作過程中承受交變應(yīng)力時，易于產(chǎn)生裂紋失效。

表1 風扇材料性能數(shù)據(jù)表

4 改進措施

4.1 風扇結(jié)構(gòu)優(yōu)化

針對仿真受力分析出風扇葉片倒角處受力較大，重新優(yōu)化風扇葉片根部倒角結(jié)構(gòu)及將根部漸變處增大，減少風扇葉片根部處的應(yīng)力集中，見圖6。

圖7 風扇結(jié)構(gòu)優(yōu)化

4.2 風扇材料優(yōu)化

針對環(huán)形塑料風扇尼龍6材料韌性較差問題，重新優(yōu)化尼龍6中的玻璃纖維含量，提高材料的韌性，減低或消除風扇在運轉(zhuǎn)過程中發(fā)生脆性裂紋的可能。

塑料環(huán)形風扇優(yōu)化后，分別通過了5min的風扇超速試驗和1000h耐久試驗，優(yōu)化措施達到了預(yù)期效果。

5 結(jié)論

本文針對某機型發(fā)動機環(huán)形塑料散熱風扇破碎故障，通過對失效件還原分析，確認破損源，并分別從風扇匹配、風扇結(jié)構(gòu)和材料選用等方面進行了失效原因分析，并從風扇結(jié)構(gòu)和選材方面提出改進措施，徹底解決了環(huán)形塑料風扇破裂故障，提高了發(fā)動機的可靠性。

[1] 夏煥文,劉焱,買靖東,匡晉安,于艷秋.冷卻風扇結(jié)構(gòu)改進設(shè)計[J].車輛與動力技術(shù),2014(1):44-46.

[2] 戴勁.汽車塑料風扇[J].汽車與配件,1986(08):38-40.

[3] 韋福權(quán).后向多翼離心塑料風扇葉技術(shù)研究[J].科技資訊,2014 (15):100-101.

[4] 宮福榮.北京型機車冷卻風扇裂紋問題分析[J].內(nèi)燃機車,1992(07): 12-14.

Failure Analysis And Improvement Of The Plastic Fan

Wang wei1, Huang Guolong1, Pang Zhenhua2, Zhao Zhenlong1

（1.Research and Development Center, Weichai Power Co., Ltd., Shandong Weifang 261000; 2.Quality department,Weichai Power Co., Ltd., Shandong Weifang 261000）

This paper focuses on the broken failure of the plastic fan, from the design of from the design of the fan with the engine matching, the plastic fan structure, materials and other aspects to analyze the failure reasons,and puts forward improving measures.With the improved measures, the plastic fan does not happen the same failure modes again, illustrates the cause of the problem analysis are correct, andthe improvement measures are effect.

Plastic Fan;Broken;Failure

A

1671-7988(2018)24-103-03

U464

A

1671-7988(2018)24-103-03

U464

王偉，就職于濰柴動力股份有限公司發(fā)動機研究院。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.24.036