空調離心風機電機支架優化設計（2）

1.3 實驗標準
國標 GB/ T 4857. 23-2003 給出了包裝件的隨機振動測試方法及隨機振動的 PSD 曲線 ，如圖 3 所示，該曲線引用自美國材料與試驗協會標準。
從表 1 可知，無論公路、鐵路還是空中運輸，運輸能量都主要集中于 4~16H z，因此如果包裝件的第一階固有頻率大于20H z，則認為運輸風險較低。
2 直聯式離心風機系統有限元分析
采用 ANSYS 對電機支架進行隨機振動分析，找出電機支架的最大應力分布，再通過 M i ner疲勞線性累計理論校驗其疲勞壽命。
2.1 直聯式離心風機系統有限元模型的建立
直聯式離心風機系統如圖 4 所示，蝸殼屬于板殼結構，在ANSYS 中使用 Shel l -63 彈性殼單元模擬，由于網格精度過小則單元數過多，導致運算時間大大增加，網格精度過大則單元數太小，導致運算結果誤差太大。本例采用自適應網格劃分，蝸殼和電機網格精度為 4m m ，其余減震墊，螺栓等緊固零件的網[ 3] 。
2.2 載荷及材料參數
在隨機振動分析中采用圖 3 所示的參考曲線作為激勵載荷，電機重 7. 63kg ；蝸殼壁厚 2m m ；電機支架材料采用Q235A 和鋼絲兩種，Q235A 材料密度 / kg m 78503t =，彈性模量E GPa 200 = ，泊松比 . 0 32c=，屈服強度 MPa 235 y0 v = ，取安全系 . n 17 s = ，則許用應力[ ] /n MPa 138 s s 0 0 v v = = ，鋼絲材料為 Q195，其屈服強度 MPa 195 y1 v = ，取安全系數 . n 17 s = ，則其許用應力[ ] /nMPa 115s s 1 1 v v = =[ 4] 。
2.3 計算結果分析
通過隨機振動有限元分析獲得鋼絲電機支架處動應力分布，最大的 1σ 應力為 151M Pa, 發生在內側卡箍與支腳焊接處，如圖6 所示，超過其許用應力 115M Pa，運輸風險較大。
2.4 實驗結果分析
為驗證理論計算的準確性，實驗按照 GB/ T 4857. 23-2003《包裝 運輸包裝件 隨機振動試驗方法》 測試風機組件的結構可靠性。
試驗方法：
a)將一件試驗樣品按正常運輸的擺放狀態或試驗要求的擺放方式擺放在振動臺上，在樣品周圍安裝護欄加以保護，護欄與樣品間距大約為 15 m m 。
b)按 (表 2)目標普設置試驗參數。
c)隨機振動目標普加速度均方根 1. 14 G，頻率為 2 -200 H z之間隨機，振動時間 4 h。
通過實驗結果與有限元分析對比顯示， 風機最大應力部位，與有限元理論分析位置一致。
對樣品觀察發現， 卡箍斷裂發生后， 卡箍出現明顯的缺口，屬于材料出現嚴重的斷裂損傷，鋼絲結構已經遭到破壞。考慮到鋼材料實際允許疲勞極限，164M Pa的疲勞應力的確存在較強疲勞斷裂風險。焊料的屈服強度一般都達到 300M Pa 以上，故判斷與焊接關系不大，斷裂發生的根本原因是結構和材料不合適。
圖 8 自帶支架電機 CAD 模型
圖 10 電機支架動應力分布
圖 9 有限元分析網格劃分
圖 11 風機系統第一階振型
3 電機支架改進及驗證
3.1 改進方案
結合上述分析結果，改變焊接單點連接的卡箍方式，采用電機自帶鈑金支架連接取代鋼絲點焊，具體如圖 8 所示。這種結構的電機在電機殼生產的時候利用工裝焊接，三腳的定位孔能得到有效的保證，具有支架焊接面積大，安裝方便的特點。
3.2 改進結構的分析結果
改進后的電機支架結構動應力分布如圖 10 所示，最大動應力約為 76. 5M Pa，裕度比較大，安全系數較高。由以上分析結果顯示，最大動應力均低于 Q235A 材料許用應力為 138M Pa。模態分析如圖 11 所示，風機系統第一階固有頻率約為 26H z，避開了運輸能量集中頻率段 4 ～ 16H z，減少了風機系統運輸風險。
3.3 疲勞強度校核
根據 M i ner疲勞線性累計理論，計算改進前后結構受隨機振動的疲勞破壞準則，由式 ( 7)可得：
改進前，改進前鋼絲支架1σ等效應力164M Pa， D 1 =227>1不能滿足 ；改進后電機自帶支架 1σ 等效應力為 49M Pa，D 2 =2. 12e -4 <1，滿足疲勞破壞要求，在 4 小時的隨機振動實驗內不會發生破壞。
3.4 實驗驗證
經再次運輸實驗驗證，電機自帶支架完整無損，如圖 12 所示，結構穩定可靠。
4 結論
本文基于有限元法和實驗方法分析了電機支架可靠性及提出結構改進方案，總結如下：
1)風機系統隨機振動分析最大動應力分布與實驗破壞部位一致；與樣品斷裂形態的對比分析，斷裂發生的根本原因是結構和材料問題，與焊接關系不大。
2)根據分析結果進行了結構改進，對改進后的電機支架隨機振動分析，最大動應力改善明顯；基于 M i ner疲勞線性累計理論進行了檢驗，驗證了改善效果，同時也通過運輸實驗驗證其可靠性。
3)最終確定了一種新的電機支架，提高了風機的可靠性，同時降低了成本，這種方法科學可靠，因此其經驗值得嘗試和推廣。