空调离心风机电机支架优化设计（2）

1.3 实验标准
国标 GB/ T 4857. 23-2003 给出了包装件的随机振动测试方法及随机振动的 PSD 曲线 ，如图 3 所示，该曲线引用自美国材料与试验协会标准。
从表 1 可知，无论公路、铁路还是空中运输，运输能量都主要集中于 4~16H z，因此如果包装件的第一阶固有频率大于20H z，则认为运输风险较低。
2 直联式离心风机系统有限元分析
采用 ANSYS 对电机支架进行随机振动分析，找出电机支架的最大应力分布，再通过 M i ner疲劳线性累计理论校验其疲劳寿命。
2.1 直联式离心风机系统有限元模型的建立
直联式离心风机系统如图 4 所示，蜗壳属于板壳结构，在ANSYS 中使用 Shel l -63 弹性壳单元模拟，由于网格精度过小则单元数过多，导致运算时间大大增加，网格精度过大则单元数太小，导致运算结果误差太大。本例采用自适应网格划分，蜗壳和电机网格精度为 4m m ，其余减震垫，螺栓等紧固零件的网[ 3] 。
2.2 载荷及材料参数
在随机振动分析中采用图 3 所示的参考曲线作为激励载荷，电机重 7. 63kg ；蜗壳壁厚 2m m ；电机支架材料采用Q235A 和钢丝两种，Q235A 材料密度 / kg m 78503t =，弹性模量E GPa 200 = ，泊松比 . 0 32c=，屈服强度 MPa 235 y0 v = ，取安全系 . n 17 s = ，则许用应力[ ] /n MPa 138 s s 0 0 v v = = ，钢丝材料为 Q195，其屈服强度 MPa 195 y1 v = ，取安全系数 . n 17 s = ，则其许用应力[ ] /nMPa 115s s 1 1 v v = =[ 4] 。
2.3 计算结果分析
通过随机振动有限元分析获得钢丝电机支架处动应力分布，最大的 1σ 应力为 151M Pa, 发生在内侧卡箍与支脚焊接处，如图6 所示，超过其许用应力 115M Pa，运输风险较大。
2.4 实验结果分析
为验证理论计算的准确性，实验按照 GB/ T 4857. 23-2003《包装 运输包装件 随机振动试验方法》 测试风机组件的结构可靠性。
试验方法：
a)将一件试验样品按正常运输的摆放状态或试验要求的摆放方式摆放在振动台上，在样品周围安装护栏加以保护，护栏与样品间距大约为 15 m m 。
b)按 (表 2)目标普设置试验参数。
c)随机振动目标普加速度均方根 1. 14 G，频率为 2 -200 H z之间随机，振动时间 4 h。
通过实验结果与有限元分析对比显示， 风机最大应力部位，与有限元理论分析位置一致。
对样品观察发现， 卡箍断裂发生后， 卡箍出现明显的缺口，属于材料出现严重的断裂损伤，钢丝结构已经遭到破坏。考虑到钢材料实际允许疲劳极限，164M Pa的疲劳应力的确存在较强疲劳断裂风险。焊料的屈服强度一般都达到 300M Pa 以上，故判断与焊接关系不大，断裂发生的根本原因是结构和材料不合适。
图 8 自带支架电机 CAD 模型
图 10 电机支架动应力分布
图 9 有限元分析网格划分
图 11 风机系统第一阶振型
3 电机支架改进及验证
3.1 改进方案
结合上述分析结果，改变焊接单点连接的卡箍方式，采用电机自带钣金支架连接取代钢丝点焊，具体如图 8 所示。这种结构的电机在电机壳生产的时候利用工装焊接，三脚的定位孔能得到有效的保证，具有支架焊接面积大，安装方便的特点。
3.2 改进结构的分析结果
改进后的电机支架结构动应力分布如图 10 所示，最大动应力约为 76. 5M Pa，裕度比较大，安全系数较高。由以上分析结果显示，最大动应力均低于 Q235A 材料许用应力为 138M Pa。模态分析如图 11 所示，风机系统第一阶固有频率约为 26H z，避开了运输能量集中频率段 4 ～ 16H z，减少了风机系统运输风险。
3.3 疲劳强度校核
根据 M i ner疲劳线性累计理论，计算改进前后结构受随机振动的疲劳破坏准则，由式 ( 7)可得：
改进前，改进前钢丝支架1σ等效应力164M Pa， D 1 =227>1不能满足 ；改进后电机自带支架 1σ 等效应力为 49M Pa，D 2 =2. 12e -4 <1，满足疲劳破坏要求，在 4 小时的随机振动实验内不会发生破坏。
3.4 实验验证
经再次运输实验验证，电机自带支架完整无损，如图 12 所示，结构稳定可靠。
4 结论
本文基于有限元法和实验方法分析了电机支架可靠性及提出结构改进方案，总结如下：
1)风机系统随机振动分析最大动应力分布与实验破坏部位一致；与样品断裂形态的对比分析，断裂发生的根本原因是结构和材料问题，与焊接关系不大。
2)根据分析结果进行了结构改进，对改进后的电机支架随机振动分析，最大动应力改善明显；基于 M i ner疲劳线性累计理论进行了检验，验证了改善效果，同时也通过运输实验验证其可靠性。
3)最终确定了一种新的电机支架，提高了风机的可靠性，同时降低了成本，这种方法科学可靠，因此其经验值得尝试和推广。