某裝載機風扇斷裂故障分析與改進

摘要：針對某裝載機市場反饋的塑料風扇斷裂故障，從整車匹配、塑料風扇結構、零部件質量等角度進行故障原因分析，通過CAE仿真分析及動力總成振動測試等方法鎖定故障原因，并提出優化改進措施，跟蹤改進效果，改進后問題解決，證明原因分析正確，改進措施有效。

關鍵詞：塑料風扇;斷裂;仿真分析;振動測試

0" "引言

發動機冷卻風扇是影響整車散熱效果的關鍵零部件，發動機運轉過程中，風扇高速旋轉產生壓力能，增強流經散熱器的空氣流量及流速，提升散熱器的散熱效果。一旦風扇損壞，將會影響到整車及發動機的正常使用及可靠性。近些年，塑料風扇因其獨具的質量輕、噪聲低、風量大等優點逐漸取代鐵風扇，在裝載機上的應用范圍越來越廣。本文針對某裝載機投入市場銷售后出現的風扇斷裂故障，從整車匹配、塑料風扇結構及零部件質量等角度進行故障原因分析，并提出有效的改進措施。

1" "故障現象

某裝載機售出后市場反饋風扇使用600h左右后出現斷裂問題，主要表現為風扇輪轂處斷裂，繼而引發風扇動平衡失效超差，伴隨其他風扇葉片破裂現象。風扇斷裂狀態見圖1。

2" "原因分析

對市場上返回的故障件進行分析后，結合前期類似故障積累的經驗，初步確認可能有3個方面的原因：一是風扇質量存在問題，材料不達標;二是整車匹配存在問題;三是風扇結構設計存在風險點。按照這個思路，逐一進行原因的分析、排除與鎖定。

2.1" "零部件材料分析

該塑料風扇輪轂處使用材料為SAPH440，對市場返回的故障件輪轂材料進行檢驗。檢驗后發現，關鍵化學成分含量均滿足SAPH440材料對應的指標要求（見表1），風扇材料無問題。

2.2" "整車匹配分析

2.2.1" "結構尺寸校核

該機型裝載機采用整體式護風罩，護風罩在水箱上，風扇伸入護風罩中，因風扇高速旋轉時塑料葉片存在形變，因此塑料風扇在整車上進行匹配時明確要求，風扇同護風罩徑向間隙需滿足20～25mm的規定，以免出現因風扇葉尖打到護風罩而導致風扇故障。

經確認，整車設計狀態，徑向間隙符合20～25mm的要求，抽檢市場上其他未出現風扇故障的整機，測量實物狀態徑向間隙大于20mm，排除整車結構尺寸設計原因導致故障的可能性。

2.2.2" "懸置系統匹配確認

發動機固定在裝載機車架上時，需匹配設計專用的懸置系統。懸置系統是車架和發動機之間的連接件，應具備良好的隔振性能。合理設計和使用懸置系統，不僅可以阻止作為振動源的發動機向車架傳遞振動，同時可以明顯降低發動機的振動水平。懸置系統匹配不合理時，可能引起發動機總成及其零部件的振動烈度過大、共振等問題，嚴重影響零部件的可靠性。

為確認懸置系統隔振性能，對故障整車進行振動測試，隔振前測點選在與發動機相連的懸置支架上，隔振后測點選在與車架相連的懸置支架上。同時，增加風扇安裝托架上的測點，進一步確認風扇振動情況。振動測點布置見圖2。

裝載機定置工況，動力總成懸置隔振前、后振動烈度測試結果如圖3所示。根據試驗數據可知：原地怠速工況，風扇端懸置隔振后振動烈度均低于1mm/s;原地升速工況，風扇端懸置隔振前振動烈度均低于20mm/s，隔振后振動烈度均低于3mm/s，且全轉速范圍內無明顯共振，綜合隔振率較高，懸置匹配良好。

定置工況風扇托架振動曲線如圖4所示。原地升速工況，風扇托架測點在全轉速范圍內振動烈度均低于20mm/s，處于低振動水平且全轉速范圍內無明顯共振，進一步證實整車懸置匹配無問題，風扇斷裂非發動機振動過大導致。

2.3" "風扇結構分析

發動機正常工作時，風扇高速旋轉，同時受到離心力及風壓的綜合作用。采用仿真方法分析風扇高速旋轉時的受力情況，結果顯示機體側風扇輪轂處受力最大。同時，因葉片根部處輪轂為彎曲過渡狀態，且單層輪轂厚度僅為3mm（塑料風扇為雙層輪轂），產生的應力集中最大，風扇極易從此處最早開始斷裂。應力分析結果也符合出現斷裂問題的風扇的故障表現。風扇受力如圖5所示。

3" "改進措施

針對仿真分析，發現風扇葉片根部處輪轂出現應力集中問題。重新優化過渡處結構，并加厚輪轂厚度，將單層輪轂厚度由3mm加厚為4mm，減小此處應力集中。風扇結構優化如圖6所示。

4" "結語

本文針對某裝載機市場上出現的塑料風扇斷裂問題，從整車匹配，風扇結構分析及零部件質量檢驗等角度進行了詳細的故障原因分析、排除及最終確認，并從風扇結構方面提出改進措施。改進后風扇已投入市場批量使用，跟蹤市場表現，整車運行2400h后風扇無故障，證明改進措施有效。

參考文獻

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