低壓軸流風(fēng)葉輕量化材料研究與應(yīng)用

周偉峰 周孝華 熊軍 徐志亮 董龍 陳民華

TCL空調(diào)器（中山）有限公司 廣東中山 528400

近年來(lái)，家電、空調(diào)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(biāo)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。空調(diào)輕量化技術(shù)是對(duì)輕量化設(shè)計(jì)、輕量化材料、輕量化制造技術(shù)的集成應(yīng)用[1]。蘇炳超、劉冬麗等分別通過(guò)單體型式試驗(yàn)與整機(jī)性能試驗(yàn)，驗(yàn)證了PP-GF28和PP-GF30替代傳統(tǒng)軸流風(fēng)葉材料AS-GF20的可行性[2-3]，但均未考慮玻纖增強(qiáng)PP在低溫情況下的可靠性及其固有頻率變化對(duì)整機(jī)振動(dòng)的影響等。本文從材料輕量化入手，以分體空調(diào)外機(jī)的軸流風(fēng)葉為研究對(duì)象，無(wú)需更改模具，僅變更注塑材料，保證變更后的零件單體、整機(jī)性能與更改前相當(dāng)，且提高了其高、低溫耐沖擊能力，充分驗(yàn)證了零件及整機(jī)運(yùn)行可靠性，實(shí)現(xiàn)了零件輕量化設(shè)計(jì)，降低了成本，提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。

1 材料分析

1.1 玻纖增強(qiáng)AS材料

AS樹(shù)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(shù)脂。AS承受載荷的能力極強(qiáng)，具有良好的尺寸穩(wěn)定性、耐候性、耐熱性、耐油性、抗震動(dòng)性和化學(xué)穩(wěn)定性，通過(guò)添加玻纖作為增強(qiáng)材料是塑料改性的常用方法[4-5]。在AS樹(shù)脂中加入玻纖可提高其強(qiáng)度，且材料的線膨脹系數(shù)小，收縮率較低，適用于制造空調(diào)的貫流風(fēng)葉、軸流風(fēng)葉、離心風(fēng)葉及其他高強(qiáng)度零件。但玻纖增強(qiáng)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(jī)軸流風(fēng)葉在總裝生產(chǎn)、整機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)易導(dǎo)致葉片斷裂，增加生產(chǎn)成本。

1.2 復(fù)合增強(qiáng)PP材料

PP，是由丙烯聚合而制得的一種熱塑性樹(shù)脂，是當(dāng)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(qiáng)度小和易烯等[7]。以PP為基體樹(shù)脂，通過(guò)專(zhuān)用設(shè)備和工藝生產(chǎn)的連續(xù)長(zhǎng)玻纖增強(qiáng)材料，可有效提高制品的剛性、抗沖擊強(qiáng)度、抗蠕變性能和尺寸穩(wěn)定性，以塑代鋼，已在汽車(chē)、家電等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[8]。汪克風(fēng)等在玻纖增強(qiáng)PP復(fù)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(fù)合增加PP的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度及耐熱性，制備出性能與AS/玻纖相當(dāng)，適用于注塑加工的高性能PP/GF復(fù)合材料[9]。

1.3 測(cè)試樣條力學(xué)性能對(duì)比

分別將AS、PP與玻纖在雙螺桿擠出機(jī)中熔融、混合、擠出、造粒，所得的膠粒在注塑成各種標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試樣條，冷卻24小時(shí)后進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試。

由表1可見(jiàn)，復(fù)合增強(qiáng)PP的拉伸強(qiáng)度與彎曲強(qiáng)度較AS-GF20低、沖擊強(qiáng)度高，其成分玻纖含量接近30%，提高改性PP的強(qiáng)度，還將經(jīng)過(guò)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(fù)合增強(qiáng)PP的長(zhǎng)玻纖與基體樹(shù)脂相容性較好，玻纖均勻分散、附著力強(qiáng)，其形貌特性與AS-GF20相近。由于大量纖維在截面斷裂時(shí)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(fēng)葉單體性能對(duì)比分析

2.1 基礎(chǔ)參數(shù)對(duì)比

由表2可見(jiàn)，使用復(fù)合增加PP的軸流風(fēng)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(cè)試樣條的力學(xué)性能對(duì)比

表2 兩種材料軸流風(fēng)葉的尺寸/重量對(duì)比

如圖3所示，增強(qiáng)AS材料的樣件微黃、半透明，增強(qiáng)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(diào)整顏色。

2.2 單體型式試驗(yàn)對(duì)比

由表3可見(jiàn)，復(fù)合增強(qiáng)PP風(fēng)葉的各項(xiàng)單體型式試驗(yàn)均合格，相比AS-GF20材料，其極限高速運(yùn)轉(zhuǎn)的破損轉(zhuǎn)速更高，這與其軸向變形后氣動(dòng)載荷減小有關(guān)。高溫運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)，復(fù)合增強(qiáng)PP樣件的變形量略高于AS-GF20，這與其材料的拉伸、彎曲強(qiáng)度略低有關(guān)，但φ320×118風(fēng)葉的直徑小，葉片弦長(zhǎng)短，高溫變形程度不明顯，當(dāng)前各項(xiàng)單體形式試驗(yàn)均符合企標(biāo)要求。

圖1 AS-GF20材料淬斷表面SEM照片

圖2復(fù)合增強(qiáng)PP材料淬斷表面SEM照片

圖3 外觀對(duì)比(左：AS-GF20；右：復(fù)合增強(qiáng)PP)

為降低軸流風(fēng)葉破損率，做更苛刻的非標(biāo)跌落試驗(yàn)。在30℃環(huán)境下，將風(fēng)葉在距地面3米處自由落體，重復(fù)3次。如圖4所示，AS-GF20材料，有兩個(gè)葉片開(kāi)裂，局部斷裂，圖5復(fù)合增強(qiáng)PP材料，葉片無(wú)開(kāi)裂，局部?jī)H發(fā)白和磨損。可見(jiàn)，復(fù)合增強(qiáng)PP的韌性較AS-GF20有顯著提高，可降低甚至避免由于生產(chǎn)轉(zhuǎn)運(yùn)、長(zhǎng)途運(yùn)輸造成的風(fēng)葉斷裂類(lèi)售后投訴。

表3 不同材料軸流風(fēng)葉的單體型式試驗(yàn)對(duì)比

圖4 30℃環(huán)境非標(biāo)跌落（AS-GF20）

圖5 30℃環(huán)境非標(biāo)跌落（復(fù)合增強(qiáng)PP）

2.3 風(fēng)葉固有頻率對(duì)比

用錘擊法測(cè)試風(fēng)葉的固有頻率，采用LMS公司的測(cè)試力錘、采集傳感器、便攜式數(shù)據(jù)采集器完成固頻錘擊測(cè)試。原理上，風(fēng)葉的固頻只受其質(zhì)量和剛度的影響，其規(guī)律為：質(zhì)量增加，固有頻率降低，剛度增加，固有頻率增大。復(fù)合增強(qiáng)PP材料風(fēng)葉的質(zhì)量降低、剛度減弱，固有頻率實(shí)測(cè)降低，避開(kāi)了旋轉(zhuǎn)頻率基頻、電源頻率。

由于葉片質(zhì)量降低、剛度減弱，復(fù)合增強(qiáng)PP樣件的固有頻率降低，如圖6所示，400 Hz內(nèi)復(fù)合增強(qiáng)PP有6個(gè)峰值，AS-GF20有7個(gè)。額定轉(zhuǎn)速920 rpm時(shí)，旋轉(zhuǎn)基頻為46 Hz，與兩種材料風(fēng)葉的固頻均未重合。

2.4 -40℃低溫可靠性驗(yàn)證

由于PP基材在-35℃下會(huì)脆化，需要驗(yàn)證其在低溫環(huán)境下的耐沖擊性能。將上述兩種材料的風(fēng)葉樣件同時(shí)放入-40℃的可程式恒溫恒濕試驗(yàn)箱中，72小時(shí)后取出進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)跌落試驗(yàn)：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(fēng)葉的標(biāo)準(zhǔn)跌落均合格，需進(jìn)行更苛刻的非標(biāo)跌落試驗(yàn)。將風(fēng)葉放置距離地面3米處自由落體，重復(fù)3次。如圖7、8所示，AS-GF20材料的一個(gè)葉片破損，復(fù)合增強(qiáng)PP材料的葉片無(wú)開(kāi)裂或破損，僅局部發(fā)白和磨損。試驗(yàn)證明，在-40℃時(shí)，經(jīng)過(guò)共混改性的復(fù)合增強(qiáng)PP材料未出現(xiàn)脆化，且韌性?xún)?yōu)于AS-GF20。

圖6 固頻對(duì)比

表4 整機(jī)風(fēng)量、噪音、功率對(duì)比

表5 整機(jī)振動(dòng)對(duì)比

圖7 -40℃冷凍后非標(biāo)跌落（AS-GF20）

圖8 -40℃冷凍后非標(biāo)跌落（復(fù)合增強(qiáng)PP）

3 整機(jī)性能、可靠性對(duì)比分析

3.1 送風(fēng)風(fēng)量、噪音、功率對(duì)比

某出口1P定頻機(jī)使用φ320×118軸流風(fēng)葉，無(wú)直流電機(jī)配置，這里僅對(duì)交流電機(jī)進(jìn)行對(duì)比分析。由表4可見(jiàn)，送風(fēng)模式下，與AS-GF20相比，復(fù)合增強(qiáng)PP材料軸流風(fēng)葉的轉(zhuǎn)速、風(fēng)量、功率、噪音水平相當(dāng)。

如圖9、10所示，復(fù)合增強(qiáng)PP材料的軸流風(fēng)葉送風(fēng)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(zhì)體驗(yàn)無(wú)明顯差異。

3.2 整機(jī)振動(dòng)可靠性對(duì)比

送風(fēng)模式，在整機(jī)關(guān)鍵位置：電機(jī)支架、頂蓋板、前面板分別安裝振動(dòng)傳感器，通過(guò)測(cè)試振動(dòng)加速度來(lái)對(duì)比兩種材料的軸流風(fēng)葉對(duì)整機(jī)振動(dòng)方面的影響。由表5可見(jiàn)，電源頻率為50 Hz、60 Hz情況下，復(fù)合增強(qiáng)PP的風(fēng)葉樣件較AS-GF20的樣件整機(jī)振動(dòng)更低，60 Hz時(shí)尤為明顯。

3.3 長(zhǎng)期高溫運(yùn)行對(duì)葉片軸向高度的影響

如圖11所示，兩種材料的軸流風(fēng)葉隨整機(jī)進(jìn)行了100天室外環(huán)境為45℃的高溫制冷長(zhǎng)期運(yùn)行可靠性試驗(yàn)，期間記錄了同一葉片的軸向長(zhǎng)度變化數(shù)據(jù)。由圖12所示，77天后葉片軸向長(zhǎng)度趨于穩(wěn)定，第100天復(fù)測(cè)，復(fù)合增強(qiáng)PP的風(fēng)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(jī)可靠性。

4 結(jié)論

圖9 聲壓級(jí)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(jí)頻譜（復(fù)合增強(qiáng)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(fēng)葉，復(fù)合增強(qiáng)PP材料的風(fēng)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(fù)合增強(qiáng)PP的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度分別較AS-GF20材料低25.8%、15.4%，沖擊強(qiáng)度高94.5%，即剛性降低、韌性增強(qiáng)，將經(jīng)過(guò)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(shí)，復(fù)合增強(qiáng)PP材料未出現(xiàn)脆化，且韌性?xún)?yōu)于AS-GF20材料。

（3）復(fù)合增強(qiáng)PP樣件的極限運(yùn)轉(zhuǎn)破損轉(zhuǎn)速更高；高溫運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)，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(chǎn)、轉(zhuǎn)運(yùn)造成的風(fēng)葉斷裂類(lèi)售后投訴數(shù)量。

圖11 長(zhǎng)期高溫運(yùn)行試驗(yàn)

圖12 長(zhǎng)期高溫運(yùn)行對(duì)風(fēng)葉軸向長(zhǎng)度的影響

（4）整機(jī)送風(fēng)模式下，復(fù)合增強(qiáng)PP材料的軸流風(fēng)葉與AS-GF20材料相比，其轉(zhuǎn)速、風(fēng)量、功率、噪音值相當(dāng)，且音質(zhì)體驗(yàn)無(wú)明顯差異，且整機(jī)振動(dòng)更低，交流電機(jī)在60 Hz時(shí)差異更為明顯。

（5）經(jīng)過(guò)100天的連續(xù)高溫運(yùn)轉(zhuǎn)，復(fù)合增強(qiáng)PP樣件與AS-GF20材料相比軸向變形量?jī)H大1.5%。

綜上所述，規(guī)格為φ320×118的軸流風(fēng)葉使用復(fù)合增強(qiáng)PP替代AS-GF20材料，其單體和整機(jī)的性能、可靠性等各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到量產(chǎn)要求。后續(xù)可對(duì)更大直徑的軸流風(fēng)葉或離心風(fēng)葉進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)研究，進(jìn)一步推廣復(fù)合增強(qiáng)PP材料在空調(diào)零部件輕量化方面的應(yīng)用。