PP-GF23在电风扇轴流风叶上的应用研究

2022-04-14何应明左双全刘仲天

日用电器 2022年3期

何应明左双全刘仲天

（珠海格力电器股份有限公司珠海 519070）

前言

传统电风扇轴流风叶多采用ABS或AS材料为主，ABS树脂是五大合成树脂之一，其抗冲击性、耐热性、耐化学药品性及电气性能优良，还具有尺寸稳定、表面光泽性好等特点，容易涂装、着色，是一种使用最广泛的工程塑料之一。AS是丙烯晴（A），苯乙烯（S）的共聚物，它是坚固而有刚性的材料，同样具有良好的尺寸稳定性、耐候性和化学稳定性[1]，但同时AS存在脆性大,韧性差，更容易开裂的缺点。其广泛应用于汽车零部件、空调、电子等领域。玻纤增强PP材料，具有良好的韧性[2]，其拉伸强度、弯曲强度与ABS材料较为相近。且因其成本相对ABS有绝对优势，目前已有逐步替换ABS材料的趋势。目前玻璃纤维（GF）增强聚丙烯（PP）复合材料已在制造汽车、电子电器等零件上得到广泛应用[3]。

由于玻纤增强PP材料的强度不及ABS材料，而电风扇的轴流风叶长期使用在高温、高速旋转的环境中，叶形及叶尖高度的变化对产品性能有着重要影响，对风叶强度提出了更高的要求。本文通过对比PP-GF 23与ABS在力学性能、高温冲击变形、风量、长期运行等方面的差异，以整机性能指标变化为导向，考察PP-GF23在电风扇轴流风叶上应用的可行性。

1 性能对比

1.1 力学性能对比

1.1.1 试验部分

采用注塑机将PP-GF 23与ABS材料分别注塑成拉伸、弯曲、冲击、热变形样条。拉伸性能按GB/T 1040标准测试；弯曲性能按GB/T 9341标准测试；悬臂梁缺口冲击强度按GB/T 1843标准测试；热变形温度按照GB/T 1634.1标准测试；收缩率按GB/T 15585标准测试；密度按GB/T1033标准测试。

1.1.2 结果与讨论

由表1可知，从材料的力学性能看，PP-GF23材料弯曲强度、拉伸强度均稍优于ABS材料，冲击强度相对ABS材料偏弱，耐高温性能提升，同时两者材料的密度、收缩率基本一致。材料密度和收缩率基本一致，表明PP-GF23轴流风叶在模具设计、工艺生产制造等方面可以参照ABS经验。冲击强度较ABS差，表明在高速运转及长期运行后可能存在因强度不足而导致风量性能衰减的风险，在风叶结构设计上应考虑加强和优化。

表1 材料力学性能对比

1.2 轴流风叶设计

从材料力学性能对比分析，PP-GF23材料冲击强度较ABS差，高速运转及长期运行后可能存在因强度不足而导致风量性能衰减的风险，需要在风叶结构设计上进行优化设计。风叶采用逆向设计，通过现有叶型调整优化。设计额定转速1 100 rpm，7片扇叶，直径350 mm轴流风叶。通过Ansys仿真分析，叶片内凹可以提升局部静压及风速；尾缘褶皱有利于减轻负载和改善音质；风叶后掠15 °可提升风速及降低负载。最终优化后的风叶结构如图1所示，风叶应力变形和静压分布仿真如图2所示。

图1 风叶结构设计

图2 风叶应力变形和静压分布仿真

1.3 整机性能的风量、能效对比

1.3.1 试验部分

采用注塑机将PP-GF 23与ABS材料分别注塑成7扇叶，直径350 mm的轴流风叶，配合同一电风扇进行风量、能效测试，测试标准按GB/T 13380执行。

1.3.2 结果与讨论

为了验证PP-GF23材料轴流风叶风量、能效是否满足使用要求，将PP-GF23和ABS轴流风叶安装在同一台电风扇机上，在相同工况下进行风量、功率、能效测试，测试结果如表2。结果显示，在相同的结构、相同的转速条件下，PP-GF23轴流风叶的风量、能效、功率与ABS轴流风叶无明显差异。由于风叶结构相同，材料强度、重量相当，在满足转速要求下其切风角度一致，对风量、能效、功率影响程度一致。

表2 整机性能对比

2 尺寸稳定性对比

2.1 试验部分

上文已从材料力学性能和整机性能上验证PP-GF23轴流风叶与ABS材料基本一致。结合电风扇实际使用情况，为验证PP-GF23材料尺寸稳定性受环境影响，将从高温静置和高温运行两个方面对其进行验证。

高温静置：使用注塑的PP-GF 23与ABS材料的7扇叶，直径350 mm的轴流风叶，在高温 45 ℃环境下分别静置48 h、96 h、134 h、172 h，测试各时间点风叶叶尖高度的变化情况。

高温运行：使用注塑的PP-GF 23与ABS材料的7扇叶，直径350 mm的轴流风叶，配合同一电风扇在高温45 ℃环境下运行48 h，测试运行前后叶尖高度、风量的变化情况，测试标准按GB/T 13380执行。

2.2 结果与讨论

高温静置：

由图3可知， PP-GF23和ABS轴流风叶在高温45 ℃环境中静置48 h后，其叶尖高度尺寸变化相对较小。PP-GF23轴流风叶叶尖高度变形量明显高于ABS轴流风叶，但两者的变形量均在1 mm以内，同时验证风量、能效性能指标无明显变化。基于此，PP-GF23轴流风叶可以满足电风扇高温仓储的相关要求，在高温仓储条件下具有良好的尺寸稳定性。

图3 尺寸稳定性对比

高温运行：

由表3可知，短期高温运转48 h后PP-GF23轴流风叶的叶尖高度变形明显高于ABS轴流风叶，主要由于PP-GF23材料受环境温度影响程度大于ABS，力学性能下降，冲击强度较ABS稍差。在高速运转时PPGF23轴流风叶的内部玻纤纹受离心力作用存在不同程度的向外侧迁移，一定程度上降低了PP-GF23轴流风叶根部强度。但受益于轴流风叶结构设计的优化，可有效降低了由于叶尖高度的变化对风叶风量性能的影响，所以PP-GF23和ABS轴流风叶运转前后风量性能变化情况一致，且未发生衰减。表明PP-GF23可以满足电风扇短期高温运行的性能要求。但同时也说明在高温冲击下，PP-GF23材料尺寸稳定性相对ABS稍差，需要通过优化轴流风叶结构设计来降低尺寸微小变化对整机性能产生的影响。