轴流风机叶片疲劳失效的原因分析及处理

浙江上风高科专风实业股份有限公司□李德义 李林林 竹渝晓 赵志君

众所周知，叶轮是风机的心脏，是风机中最重要的部件，而叶片是流体机械中的关键零件，承受离心力，流体动力，振动等综合作用，容易发生疲劳失效。资料表明叶片故障在叶片式流体机械中占有重大比例，而且叶片疲劳失效故障引起的事故是灾难性的，会造成巨大的损失，严重影响这些设备的运行可靠性和经济性。

本文研究分析配套空调室外机组风冷式冷（热）水机组用的轴流风机叶片疲劳失效产生的原因的分析及处理，供风机设计、制造、售后服务及用户相关人员参考。

1 风机结构

轴流风机由叶轮 （见图 1）、面板 （机壳）、电机、电机支架、网罩五大零部件组成，电机与叶轮直联传动。整机结构见图2。

图1 叶轮结构示意图

空调轴流风机功率一般在2500W~2800W（6P~8P），风量 5000m3/h~27500m3/h。叶轮结构：薄板状叶片模压成型，叶片与轮毂为铆接结构。电机结构：电机外壳有四条等分T 形槽，电机安装支架 （见图3）一端连接电机，另一端连接电机支架；电机支架另一端连接面板；风机装配均采用螺栓连接结构；电机轴伸结构 （见图4），采用轴用挡圈定位，轴头设有螺纹，配六角盖形螺母。r≥t （t 为板厚），d=电机轴颈直径。

图2 整机结构示意图

图3 电机安装支架示意图

图4 电机轴伸结构示意图

2 叶片疲劳失效故障现象、原因分析及故障处理

（1）电机轴伸结构设计有缺陷

1）故障现象

风机在运行过程中轴用挡圈扭曲变形，断裂脱落，叶轮在轴伸上轴向窜动，叶片疲劳失效。

2）原因分析

轴伸采用轴用挡圈结构设计欠合理、有缺陷，挡圈仅用于轴向定位，不能承受较大的轴向力 （见图4），当轴端六角盖形螺母拧入后，轴向力过大易引起挡圈变形、跑位，严重时挡圈断裂脱落。

3）故障处理

轴伸结构设计改进 （见图5），原轴用挡圈定位改为轴肩定位，轴肩高度 h 取 （0.07~0.1）d。另外，为降低轴台阶处应力集中，提高轴疲劳强度，轴伸不宜设计砂轮越程槽，采用轴肩圆角过渡，半径 r 取 0.5mm。h= （0.07~1.0）d。

图5 改进后的电机轴伸结构示意图

（2）电机安装支架断裂

1）故障现象

电机安装支架折弯处断裂，引起叶轮歪斜，叶片边缘与面板内孔有摩擦现象，导致叶片疲劳撕裂。

2）原因分析

电机安装支架折弯处内r 角太小，折弯时在材料内部已产生畸变或微裂，风机运行一段时间后裂纹逐步加大，最终发生断裂后叶轮碰壳，叶片撕裂。

3）故障处理

电机安装支架折弯处内r 角加大，r≥t （t 为板厚），另外电机安装支架展开下料排样时，注意弯曲线应垂直于板材轧制方向，以防止折弯处拉裂。

（3）轴套与电机轴配合间隙太大

1）故障现象

叶轮装入电机轴伸上后，轴套径向松动现象明显，叶片摆动，振动加大，加速叶片疲劳撕裂。

2）原因分析

轴套与轮毂采用焊接结构，轴套内孔采用非标公差，公差带接近E7，显然与电机轴配合间隙过大，手推可装入。

3）故障处理

轴套内孔公差改进，采用F7 公差，间隙较小，符合装配质量要求。

（4）铆接件结合面间隙超标

1）故障现象

叶片 （铝板）与轮毂 （钢板）铆接后，离轴心最远一颗铆钉铆接后不贴合，最大间隙有3mm~4mm，叶轮刚度不足，风机运行时叶片摇摆疲劳失效。

2）原因分析

叶片与轮毂模压成型后曲面不贴合；铆钉铆接次序第一颗铆钉是从离轴心最近一颗开始不合理。

3）故障处理

修改轮毂成形模具，使轮毂成形后的曲面与叶片的曲面贴合；修改铆接次序，第一颗铆钉从离轴心最远的一颗开始，此后交叉铆接；加强铆接质量检验，铆接结合面的间隙应符合JB/T 10214—2014 《通风机 铆焊件技术条件》的规定，在两倍铆接直径范围内不得大于0.12mm，其余部位不得大于0.3mm。

（5）面板 （机壳）与叶轮装配后间隙不均匀

1）故障现象

风机在运行过程中叶轮振动超标，引起紧固件松动，破坏叶轮对中，增加转子不平衡量，加快叶片疲劳失效。

2）原因分析

叶轮叶片顶端与面板内径单侧间隙不均匀，经测量误差有2mm~5mm，由于间隙不均匀引起气流趋于不均匀，叶片振动加大。

3）故障处理

叶轮中心与面板中心装配时要确保同轴；控制面板内孔圆度公差；控制叶片顶端径向跳动公差。圆度公差及跳动公差参照表1。

表1 面板内孔圆度公差及叶片径向跳动公差

3 结束语

通过对空调室外机组用轴流风机叶片疲劳失效故障原因实例分析，充分证明上述故障处理方法在实际工作中应用是行之有效的，能指导轴流风机设计、制造、售后服务及用户相关人员及时找到叶轮疲劳失效原因，以方便排除故障，确保风机可靠运行。