PP-GF23在電風扇軸流風葉上的應用研究

何應明 左雙全 劉仲天

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

前言

傳統電風扇軸流風葉多采用ABS或AS材料為主，ABS樹脂是五大合成樹脂之一，其抗沖擊性、耐熱性、耐化學藥品性及電氣性能優良，還具有尺寸穩定、表面光澤性好等特點，容易涂裝、著色，是一種使用最廣泛的工程塑料之一。AS是丙烯晴（A），苯乙烯（S）的共聚物，它是堅固而有剛性的材料，同樣具有良好的尺寸穩定性、耐候性和化學穩定性[1]，但同時AS存在脆性大,韌性差，更容易開裂的缺點。其廣泛應用于汽車零部件、空調、電子等領域。玻纖增強PP材料，具有良好的韌性[2]，其拉伸強度、彎曲強度與ABS材料較為相近。且因其成本相對ABS有絕對優勢，目前已有逐步替換ABS材料的趨勢。目前玻璃纖維（GF）增強聚丙烯（PP）復合材料已在制造汽車、電子電器等零件上得到廣泛應用[3]。

由于玻纖增強PP材料的強度不及ABS材料，而電風扇的軸流風葉長期使用在高溫、高速旋轉的環境中，葉形及葉尖高度的變化對產品性能有著重要影響，對風葉強度提出了更高的要求。本文通過對比PP-GF 23與ABS在力學性能、高溫沖擊變形、風量、長期運行等方面的差異，以整機性能指標變化為導向，考察PP-GF23在電風扇軸流風葉上應用的可行性。

1 性能對比

1.1 力學性能對比

1.1.1 試驗部分

采用注塑機將PP-GF 23與ABS材料分別注塑成拉伸、彎曲、沖擊、熱變形樣條。拉伸性能按GB/T 1040標準測試；彎曲性能按GB/T 9341標準測試；懸臂梁缺口沖擊強度按GB/T 1843標準測試；熱變形溫度按照GB/T 1634.1標準測試；收縮率按GB/T 15585標準測試；密度按GB/T1033標準測試。

1.1.2 結果與討論

由表1可知，從材料的力學性能看，PP-GF23材料彎曲強度、拉伸強度均稍優于ABS材料，沖擊強度相對ABS材料偏弱，耐高溫性能提升，同時兩者材料的密度、收縮率基本一致。材料密度和收縮率基本一致，表明PP-GF23軸流風葉在模具設計、工藝生產制造等方面可以參照ABS經驗。沖擊強度較ABS差，表明在高速運轉及長期運行后可能存在因強度不足而導致風量性能衰減的風險，在風葉結構設計上應考慮加強和優化。

表1 材料力學性能對比

1.2 軸流風葉設計

從材料力學性能對比分析，PP-GF23材料沖擊強度較ABS差，高速運轉及長期運行后可能存在因強度不足而導致風量性能衰減的風險，需要在風葉結構設計上進行優化設計。風葉采用逆向設計，通過現有葉型調整優化。設計額定轉速1 100 rpm，7片扇葉，直徑350 mm軸流風葉。通過Ansys仿真分析，葉片內凹可以提升局部靜壓及風速；尾緣褶皺有利于減輕負載和改善音質；風葉后掠15 °可提升風速及降低負載。最終優化后的風葉結構如圖1所示，風葉應力變形和靜壓分布仿真如圖2所示。

圖1 風葉結構設計

圖2 風葉應力變形和靜壓分布仿真

1.3 整機性能的風量、能效對比

1.3.1 試驗部分

采用注塑機將PP-GF 23與ABS材料分別注塑成7扇葉，直徑350 mm的軸流風葉，配合同一電風扇進行風量、能效測試，測試標準按GB/T 13380執行。

1.3.2 結果與討論

為了驗證PP-GF23材料軸流風葉風量、能效是否滿足使用要求，將PP-GF23和ABS軸流風葉安裝在同一臺電風扇機上，在相同工況下進行風量、功率、能效測試，測試結果如表2。結果顯示，在相同的結構、相同的轉速條件下，PP-GF23軸流風葉的風量、能效、功率與ABS軸流風葉無明顯差異。由于風葉結構相同，材料強度、重量相當，在滿足轉速要求下其切風角度一致，對風量、能效、功率影響程度一致。

表2 整機性能對比

2 尺寸穩定性對比

2.1 試驗部分

上文已從材料力學性能和整機性能上驗證PP-GF23軸流風葉與ABS材料基本一致。結合電風扇實際使用情況，為驗證PP-GF23材料尺寸穩定性受環境影響，將從高溫靜置和高溫運行兩個方面對其進行驗證。

高溫靜置：使用注塑的PP-GF 23與ABS材料的7扇葉，直徑350 mm的軸流風葉，在高溫 45 ℃環境下分別靜置48 h、96 h、134 h、172 h，測試各時間點風葉葉尖高度的變化情況。

高溫運行：使用注塑的PP-GF 23與ABS材料的7扇葉，直徑350 mm的軸流風葉，配合同一電風扇在高溫45 ℃環境下運行48 h，測試運行前后葉尖高度、風量的變化情況，測試標準按GB/T 13380執行。

2.2 結果與討論

高溫靜置：

由圖3可知， PP-GF23和ABS軸流風葉在高溫45 ℃環境中靜置48 h后，其葉尖高度尺寸變化相對較小。PP-GF23軸流風葉葉尖高度變形量明顯高于ABS軸流風葉，但兩者的變形量均在1 mm以內，同時驗證風量、能效性能指標無明顯變化。基于此，PP-GF23軸流風葉可以滿足電風扇高溫倉儲的相關要求，在高溫倉儲條件下具有良好的尺寸穩定性。

圖3 尺寸穩定性對比

高溫運行：

由表3可知，短期高溫運轉48 h后PP-GF23軸流風葉的葉尖高度變形明顯高于ABS軸流風葉，主要由于PP-GF23材料受環境溫度影響程度大于ABS，力學性能下降，沖擊強度較ABS稍差。在高速運轉時PPGF23軸流風葉的內部玻纖紋受離心力作用存在不同程度的向外側遷移，一定程度上降低了PP-GF23軸流風葉根部強度。但受益于軸流風葉結構設計的優化，可有效降低了由于葉尖高度的變化對風葉風量性能的影響，所以PP-GF23和ABS軸流風葉運轉前后風量性能變化情況一致，且未發生衰減。表明PP-GF23可以滿足電風扇短期高溫運行的性能要求。但同時也說明在高溫沖擊下，PP-GF23材料尺寸穩定性相對ABS稍差，需要通過優化軸流風葉結構設計來降低尺寸微小變化對整機性能產生的影響。

表3 高溫運行性能對比

3 長期運行可靠性驗證

3.1 試驗部分

使用注塑的PP-GF 23材料的7扇葉，直徑350 mm的軸流風葉，配合1 100 r/min的電風扇在高溫45 ℃環境下長期運行，測試運行過程中各階段的扇葉葉尖高度以及風量的變化情況，測試標準按GB/T 13380執行。

3.2 結果與討論

由圖4可知，PP-GF23軸流風葉葉尖高度變形量隨運行時間的增加而逐漸趨于穩定，在高溫運行240 h和1 000 h兩個時刻，風葉的葉尖高度變化量在1 mm以內。同時從圖中可以看出在各時間點PP-GF23軸流風葉風量基本一致，過程無明顯衰減。因此，PP-GF23軸流風葉可以滿足電風扇長期使用要求。

圖4 長期穩定性分析

4 總結

本文通過對比PP-GF23與ABS材料的力學性能、軸流風葉匹配同一電風扇的整機性能、高溫環境下的尺寸穩定性以及整機長期高溫運行等，得出PP-GF23材料取代ABS材料在電風扇軸流風葉上的應用是可行的，結論有以下三點：

1）兩種材料的沖擊強度有差異，PP-GF23材料差于ABS，拉伸強度和彎曲強度PP-GF23材料稍有優勢。

2）PP-GF23材料沖擊強度較ABS差，在高溫靜置、高溫運行沖擊下PP-GF23軸流風葉較ABS容易變形，但通過對軸流風葉的結構進行優化后，匹配同一電風扇的風量、能效等整機性能對比沒有明顯差異。風葉材料差異可以通過結構設計的優化來降低葉形尺寸變化對整機性能產生的影響。

3）在高溫運行及高溫靜置試驗中的葉尖高度和風量的變化趨勢表明，通過合理的試驗可快速驗證出材料差異對產品性能的影響。