低温环境下油烟机导烟板开闭故障机理分析及解决
胡小帝
珠海格力电器股份有限公司广东珠海  519000
摘要：带自动开合导烟板的侧吸烟机在低温环境下，容易出现导烟板开闭故障。通过试验设计、受力分析、理论计算等手段，复现故障，分析故障机理，发现了推杆电机丝杆与螺套传动副间隙设计不合理的问题，提出了增加传动副的设计间隙以及修改软件逻辑增加推杆的负载能
力的解决方案，经过实际验证，方案改善有效。
关键词：烟机；低温；开闭故障；推杆电机
Mechanism analysis and solution of operation failure of range hood
smoke guide in low temperature
HU Xiaodi
Gree Electric Appliances, Inc. of Zhuhai  Zhuhai  519000
Abstract: The side range hood with automatic opening and closing guide plate is prone to open and close failure in low temperature environment. By means of test design, force analysis and theoretical calculation, the fault is repeated and the fault mechanism is analyzed. The unreasonable gap design between the screw rod and the screw sleeve transmission pair of the push rod motor is found, the solution of increasing the design clearance of the transmission pair and modifying the software logic to increase the load capacity of the push rod is put forward, through the actual verification, the improvement of the solution is effective.
Keywords: Range hood; Low temperature; Open and close failure; Push rod
中图分类号：TB6
DOI:10.ki.issn1672-0172.2020.99.065
1  引言
带自动开合导烟板的侧吸烟机，可以在工作时，导烟板自动打开，形成V型拢烟腔，提升吸烟能力，关机时，自动闭合，外观平整美观，因此该机型备受消费者青睐。但该类型烟机采用较多的运动机构，结构相对复杂，在复杂的用户环境下，容易发生导烟板开合故障。特别是在冬天温度较低时，导
烟板在运动到极限位置时容易出现开闭不到位的现象。本文将针对该问题进行分析，了解问题产生的原因，并根据产生的原因提出解决措施。
2  故障描述
在11月份～3月份时，多名北方农村的用户反馈，自动开合导烟板侧吸烟机在温度较低时，容易出现开闭不到位的现象，如图1所示，导烟板关闭时，无法与集烟罩完全贴合，存在6～10 mm明显的
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图1 导烟板无法开闭到位图
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间隙；导烟板打开时，打开角度明显不足，比设计角度少大约20°，而到气温较高时，则恢复正常。
通过调查得知，这几名北方农村用户家中的厨房均无设置暖气，出故障的时候气温均处于-10℃左右。当油烟机经过一晚上的低温冷冻，早上开机故障就会出现，而到中午气温升高时，情况就会有所好转。
3  故障分析
3.1 故障复现
通过上述调查可知该故障与长时间低温存放有较大关联，需要将该批次烟机放置于低温房内进行问题复现，以便分析问题。国家标准GB/T 17713-2011《吸油烟机》规定了吸油烟机的正常使用温度为-15℃～40℃，因此选取5台库存新机放置于低温房内，分别设置-5℃、-10℃、-15℃下进行冷冻实验12小时，实验数据如表1所示。
表1 故障实验数据
实验条件运行速度电流故障数量室温1小时放置恢复情况室温15 mm/s0.5 A0/
-5℃12 mm/s0.7 A1可恢复
-10℃8 mm/s0.9 A3可恢复
-15℃  6 mm/s  1.1 A5可恢复
从表中可知，-5℃就有1台烟机出现开闭故障，-10℃有3台机出现开闭故障，而-15℃所有烟机均出现开闭故障，也即温度越低，故障数量越多，导烟板的运行速度也越慢，开闭过程中电流值也越大。而一旦把开闭异常的样机转移到室温环境下放置大约1小时，则均能恢复正常运行。
从上述实验现象中初步推测，油烟机长时间放置于低温环境，可能会造成导烟板开闭负载大幅度增加，从而导致运行速度严重下降。而当导烟板运行到两个极限位置时，负载的增加可能已经超过了驱动导烟板开闭电机的负载能力，最终导致导烟板无法开闭到位。
为了论证上述推测，需对导烟板开合涉及的导烟板运行受力情况、直流电推杆负载情况进行深入分析。
3.2 导烟板运行过程及受力分析
如图2所示，当推杆电机缩回时，会带动导烟板进行打开；推杆伸长时，会带动导烟板关闭。整个开闭过程会经过三种位置，分别为：闭合位置、最大位置、临界位置。闭合位置为导烟板封闭进烟口的位置，最大位置为导烟板打开到最大角度的位置，临界位置为导烟板重力方向通过转轴的位置，此时导烟板重力对推杆的力矩为0，临界位置前后导烟板重力对推杆电机力矩发生转变。
如图3所示，对导烟板运动机构进行模型简化，分析导烟板在闭合位置与最大位置的受力情况。
假设忽略系统中的摩擦力及各构件本身的重力，且认为导烟板运动过程中处于受力平衡状态，则按照力矩平衡方程，导烟板运动到闭合位置及最大位置时，有如下关系：
也即：（1）
式（1）中：G为导烟板重力；L1为导烟板重心离杠杆铰点的距离；F为推杆的推/拉力（关闭时，F为推力；打开时，F为拉力）；L2为推杆受力点与杠杆铰点的距离。角度ɑ与β，分别为导烟板重力方向、推杆拉力方向与杠杆的夹角。各参数如表2所示。
表2 受力分析参数表
开合位置ɑβG L1L2F 临界位置0°81°
25 N122.8 mm62.3 mm
F0关闭位置24°59°F1最大位置51°44°F2由受力分析图及参数表2可知，导烟板从临界位置运动到闭合位置及最大位置时，角度ɑ均会增加，而β均会减小。因此由上式1可知，在导烟板运动到极限位置时，推杆推/拉都会达到打开或关闭过程中的最大值。将参数表中的各参数代入式（1），分别可得到临界位置、最大位置、关闭位置的F推/拉力值为：F0=0 N，
F1=30.9 N，F2=73 N。
3.3 直流电推杆负载分析
单独将直流电推杆放置于-10℃～-15℃低温环境下12小时，并分别测试放置于低温环境前后运行速度，电流以及采用吊砝码的方式，测试直流电推杆的负载能力，如表3
所示。
图2 导烟板运行位置图
图3 导烟板受力分析图
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测试数据显示，电推杆长时间放置于冷冻环境下，电推杆的运行速度及负载能力均大幅度降低，运行电流几乎接近堵转电流。
综合3.1与3.2小节的分析可知，长时间的低温环境造成直流电推杆的负载能力大幅度下降至不足30 N，小于关闭位置、最大位置时要求的最小力，造成导烟板无法在这两个极限位置开闭到位。3.4 负载能力下降分析
直流电推杆结构如图4所示，是一个带直流有刷电机的二级减速机构。该机构可先将电机的转动转化为蜗轮蜗杆传动副的转动，然后再通过与丝杆和螺套传动副，将旋转运动转化为推杆的直线伸缩运动。经过两级减速，可将推杆电机的额定推拉力放大到80 N。
图4 直流电推杆结构图
如图5所示，将经过冷冻的直流电推杆进行拆解，发现蜗轮蜗杆传动副运转灵活，而丝杆与螺套传动副则配合过紧，转动卡滞。对比未经过冷冻的丝杆与螺套传动副，则运动正常。将冷冻过的丝杆与螺套传动副装配到未冷冻过的电推杆中，故障可以复现。因此可判定冷冻后丝杆与螺套传动副配合过紧是导致导烟板开闭不到位的根本原因。
图5 丝杆螺套配合图
3.5 失效机理分析
对丝杆与螺套传动副配合过紧的失效机理分析如下：
（1）冷冻可能导致润滑油发生凝固，需核实润滑油的选型温度。润滑油的牌号为：长城7401，其使用温度为-40℃～200℃，远远低于发生故障的温度。通过试验也发现，润滑油的在-15℃时，粘度虽略有降低，但仍然保持良好滑动。因此，润滑油的选型温度符合使用要求，不会发生凝固。
（2）冷冻可能导致螺套与丝杆配合间隙变小，需核算冷冻后丝杆与螺套的的配合情况。理论设计丝杆外径为：，螺套内径为：，因此理论配合间隙为：0.02～0.12。室温下实际测量，丝杆外径为φ11.97 mm，螺套的内径为φ12.01 mm，均符合图纸要求，两者配合间隙=12.01-11.97=0.04 mm。
丝杆采用45#钢，热膨胀系数为：11.59×10-6 mm/℃，螺套采用POM，热膨胀系数为10.4×10-5 mm/℃，螺套系数小于丝杆。
根据热力学中线性热膨胀变形公式：
（2）a
t
为热膨胀系数，L为变形长度，ΔT为温差。
温差以室温为基准，则ΔT=25-（-15）=40℃；代入材料的膨胀系数，丝杆配合直径φ12 mm，得到丝杆的δ45=5.56×10-3 mm；δPom=4.992×10-2 mm，因此，两者的形变之差=4.436×10-2 mm =0.0436 mm≈0.04 mm。此时配合间隙为0.0036 mm，间隙过小，若零件本身略有形变，或润滑油中含有杂质，则极有可能发生转动卡滞现象。另外，根据理论计算的配合间隙可知，极限间隙只有0.02，小于冷冻环境下形变，存在过盈配合的可能。
另外通过实验观察发现，冷冻后的丝杆及润滑油表面产生了一些水分凝结的白色冰霜。该冰霜会进入配合间隙，使配合间隙减小，也会导致传动卡滞的问题。
4  方案制定
根据上述原因分析可知，问题解决的关键是要避免丝杆与螺套运行卡滞。初步得到如下方案：
将丝杆与螺套的配合间隙加大，避免运转卡滞。该配合间隙需增加到大于冷缩形变及白色小冰晶的尺寸，但又不能过大，否则推杆传动容易出现窜动，影响传动精度。
此处将丝杆与螺套的配合间隙设计为0.15～0.3。螺套采用模具生产，而丝杆采用机加工，为了减少更改量，避免改模，在螺套尺寸不变的情况下，将螺杆尺寸更改为。
调整软件运行逻辑，增加推杆电机在临近最大位置及闭合位置时的负载能力。推杆电机采用直流电机
作为动力源，在一定范围内，负载能力、转速与输入电流成正比，所以可通过软件调整控制输入电流的PWM占空比，即可将负载能力增加。
但电流增加，推杆电机的转速也会同步增加，为了避免室温情况下，运转速度过快，导致导烟板关闭时与集烟罩撞击产生冲击噪声、打开到最大位置时产生冲击抖动，需要增加冷冻状态判断逻辑。了解到推杆电机在负载增加时会自动增加运转电流，因此可通过检测推杆电机相应位置的反馈电流是否明显比其在正常室温下
表3 直流电推杆测试对比表
实验条件运行速度电流负载能力
冷冻前15 mm/s0.5 A90 N
冷冻后  6 mm/s  1.1 A27 N
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反馈电流大，来判断推杆电机是否处于冷冻状态。只有系统判断到推杆电机处于冷冻状态，才控制输入电流的增加。
5  方案验证
将改进尺寸后的推杆电机进行单独冷冻实验，数据如表4，可看出改善间隙后，经过冷冻，推杆电机的负载能力仍然有所降低，但相比改善前表2的数据，已经有极大的改善。这可能跟配合间隙存在不规则冰霜有一定关系。
表4 推杆电机改善数据对比表
实验条件运行速度电流负载能力
冷冻前15 mm/s0.5 A90 N
冷冻后12 mm/s0.7 A79 N
将改进后推杆与修改控制软件逻辑的整机放置于室温情况下及-15℃低温房12小时，分别观察其运行情况，发现改进后的整机无论在室温还是在冷冻后，导烟板均能运行平稳，同时也并未出现明显冲击噪声与冲击抖动现象，说明方案改善有效。
6  结论
国家标准规定了吸油烟机的最低使用温度为-15℃，已经考虑了部分寒冷地区的使用需求。而我司产品开发中只考虑了吸油烟机在室温情况下的使用需求，忽略了低温环境的使用工况，因此才导致油烟机在低温环境下的开闭故障。
通过冷冻实验、故障复现、开合过程分析、受力分析、拆机分析以及理论计算等手段深入剖析了低温环境下导烟板开闭的故障，发现了不同材料的冷缩变形以及润滑油、传动间隙中水分的凝结，会导致丝杆与螺套传动副的运动间隙减小，从而产生传动卡滞现象。根据故障产生的机理，提出了增加传动副的设计间隙，以及通过更改软件逻辑增加推杆的负载能力的解决方案，经过实际验证，方案改善有效。
参考文献
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