空调室外机支架安全现状分析

董泽华 董中华 陈金刚

（1.郑州大学，河南郑州 450001；2.开封东方新异科技有限公司，河南开封 475000）

我国大部分地区季节特征明显，夏季炎热、冬季寒冷，空调作为环境温度调节设备被广泛应用，家用空调是我国空调消费的主要领域。根据国家统计局、中商产业研究院统计数据可知，2015—2020 年中国家用空调产销量如表1 所示，每年空调递增量巨大，5 年国内家庭空调增量达到47732.7 万台，近20 年来中国空调已经普及。空调室外机的安装有两种形式：一种是放置在建筑预留的空调安装平台上；另一种是固定在建筑外墙安装面上的空调支架上。由于部分建筑设计时没有预留空调室外机安装平台，空调外机需要使用空调支架安装，空调支架得到广泛应用。

表1 2015—2020 年中国空调产量及销量

1 空调室外机支架存在的安全风险

空调的使用寿命一般在15 年左右，一些质量好、使用频率低的空调使用寿命可达20 年，因此空调外机支架的使用寿命应不低于20 年。除满足空调使用寿命的周期以外，空调外机支架还应保证拆机时的安全。空调支架作为空调外机的支撑部件，其安全性能包括支架本身的使用寿命长短，固定膨胀螺丝的强度与抗腐蚀性能，安装面墙体材料的强度等。由于市场竞争激烈，支架生产企业追求利润最大化，空调经销商低成本采购，空调生产企业不提供随机支架配件，缺少市场监管和行业监管，导致空调支架整体质量下降，使用寿命短。空调支架的质量问题主要表现在使用材料厚度偏薄、强度不足、防腐质量不高、耐腐蚀性能差等。支架因过早腐蚀造成强度和承载力降低，支架使用寿命与空调使用寿命不匹配，存在支架安装缺陷，忽视支架维护，致使全国各地因空调支架脱落、断裂问题引发的空调室外机坠落的安全事件时有发生。通过对开封市一些小区在用空调外机支架现状的调查发现：安装的空调室外机支架普遍是喷涂防腐的三角板悬臂支架，大部分使用八年以上的空调支架都存在因不同程度锈蚀造成的承载力降低现象，此类空调室外机存在坠落的安全风险不容忽视。发现某小区一户的空调已经因空调支架三角板严重锈蚀坠机（如图1、2）所示，反映出早期一些空调室支架的质量低劣，使用寿命短等问题。

图1 坠落的空调室外机

图2 锈蚀的空调支架

2 空调室外机支架的种类

空调支架按照使用钢材的种类可分为碳钢支架和不锈钢支架；按照防腐方式可分为喷涂、镀锌、不锈钢支架；按照国内常用支架的形状可分为三角板悬臂支架（如图3 所示）和三角形支架（如图4 所示）。国内普遍安装使用最多的支架为碳钢镀锌或喷涂的三角板悬臂支架，不锈钢三角形空调支架使用范围有限。

图3 空调室外机三角板悬臂支架

图4 空调室外机三角形支架

3 空调室外机支架主要技术标准要求

空调支架是能可靠的安装在建筑物外墙安装面上的构件。空调支架的组成包括固定于安装面的垂直部分构件，用于支撑和固定空调室外机的水平部分构件，水平构件和垂直构件不得有锐角和锐边。制作支架构件的材料应选用不低于GB/T 700《碳素结构钢》中Q235A 性能要求的材质，整体承重能力符合GB 17790《家用和类似用途空调器安装规范》的相关要求；常用材料有角铁（热轧钢）、镀锌或镀铝锌钢板、不锈钢三种；支架的水平托架和安装面固定架的材料抗拉强度应不低于GB/T 700《碳素结构钢》中Q235A 要求；制冷量小于5000 W 时支架使用基材厚度应大于等于2.0 mm，制冷量大于等于5000 W 时支架使用基材厚度应大于等于2.2 mm；支架防锈涂（镀）层应牢固、均匀，按照GB/T 10125《人造气氛腐蚀试验 盐雾试验》进行72 小时中性盐雾实验合格。

空调支架的安装面应坚固结实具有足够的承载能力。安装面必须是实心砖、混凝土或与其强度等效的安装面。安装面为木质、空心砖、金属、非金属等结构或安装面装饰层过厚其强度明显不足时应采取相应的加固、支撑和减震措施。安装支架的膨胀螺丝采用直径不小于M10 的镀锌或不锈钢膨胀螺丝，长度不得小于100 mm（若外墙墙面有保温层，应增加膨胀螺丝的长度大于保温层厚度），且符合GB/T 3098.1-2010《紧固件机械性能 螺栓、螺钉和螺柱》的要求。安装的空调器支架应在4 倍空调器机组重量（最少不低于200 kg）的作用下，保持48 小时以上不得发生明显或影响安全的永久性变形和裂纹[1]。

4 空调室外机支架产品现状

由于当今社会是网络时代，产品基本上都在网络上宣传和销售，购物平台的众多产品质量代表着一个时期内市场流通产品的质量趋势。通过京东、淘宝等购物平台搜索空调支架，出售支架的商家很多，支架种类有喷涂支架、镀锌支架、不锈钢支架、不锈钢三角折叠支架等。这些商家对产品的描述主要有：材料厚度、喷涂支架、热镀锌支架、不锈钢支架、201不锈钢支架、304 不锈钢支架等。表面喷涂和镀锌的三角板悬臂支架是市场主流产品，不锈钢三角板悬臂支架由于价格高其市场受到限制，不锈钢三角形支架成为平台新秀，占据了购物平台空调支架卖场的大部分展位，由于价格贵且应用较少，就开封市而言，空调支架普遍使用的是喷涂三角板悬臂支架，部分有镀锌三角板悬臂支架，不锈钢三角形支架极少。支架的来源主要是空调销售商安装空调时随机安装。

目前市面上的空调支架质量良莠不齐，主要表现在与国家标准和行业规范对照支架制造使用材料的厚度不足，支架尺寸偏小，配套的膨胀螺丝（M8×80）规格偏小，空调寿命周期内支架安全承载不能保证。对市场上空调三角形支架和三角板悬臂支架的主要规格参数统计如表2、表3 所示。一些商家对支架材料厚度的描述为“约”多少mm，“以上数据均为手工测量存在些许偏差，请以实物为准”，一般三角形支架产品的斜撑厚度小于标注厚度。这说明一些支架标注尺寸参数偏高。

表2 不锈钢三角形空调室外机支架产品规格型号标注参数统计表

表3 三角板空调室外机支架产品规格型号标注参数统计表

与国标相比从以上数据可以看出，一些商家为了降低材料成本，支架边宽一般采用30 mm×30 mm。不锈钢三角形支架和1 P～1.5 P 的三角板悬臂支架使用材料厚度较薄，支架的尺寸偏小，一些支架三角板材料厚度小于竖梁材料厚度0.25 mm左右。低于国标规定板厚不低于2.0 mm（CC ≥5000 W 应大于等于2.2 mm）的要求，更达不到中国家电服务维修协会发布的《空调器室外机安装用支架规范》材料厚度不低于3.0 mm的要求[2]；大部分支架长度尺寸分别低于国标支架1 P～1.5 P、2 P、3 P 支架45 cm×42.5 cm、45 cm×46 cm、60 cm×55 cm 的要求；有一些空调支架材料的厚度是2.0 mm，竖架宽40 mm×40 mm 的喷涂三角板悬臂支架。喷涂支架和镀锌支架防腐层在空调寿命周期内过早脱落造成支架腐蚀是普遍存在的现象，是导致支架承载能力下降或失效的主要因素。

5 空调室外机支架材料的力学性能

空调支架使用的材料有碳钢（不低于Q235A）、201 不锈钢、304 不锈钢。材料的力学性能用屈服强度和抗拉强度评价[5]。三种材料的耐腐蚀性与力学性能如表4 所示。从表4可以看出Q235A 的抗拉强度低于201 和304 不锈钢，屈服强度在304 号201 不锈钢之间，抗腐蚀性能最低，易锈蚀。所以碳钢支架必须保证材料的厚度不低于3.0 mm 和有效的防腐涂（镀）层，这两个方面是决定空调支架在空调寿命期安全承载能力的保证。不锈钢支架虽说抗拉强度高，耐腐蚀性能好，腐蚀速度慢，但是由于受风载荷作用、风震影响、空调室外机运行震动等因素的影响，材料厚度较薄的支架在这些载荷的常年作用下会出现疲劳裂纹，造成支架失效。由于这种空调支架使用较少，存在的坠机的安全风险并不突出，为确保支架安全，不锈钢支架材料厚度应该不小于2.0 mm。

表4 空调支架材料耐腐蚀性与力学性能

6 空调室外机支架的受力

空调支架用膨胀螺丝固定在建筑安装面上，空调室外机用螺丝安装在支架上，由于支架是对称分布，其结构形式相同，受力相同，空调室外机作用在单个支架上的力为空调外机重力的一半。不同品牌，不同型号的空调室外机重量不同，某品牌一款室外机在32 kg 左右，安装维修时会承受人体重量，单只空调支架最大载荷在100 kg 左右。支架受两个力矩的作用保持平衡[4]，一个为倾覆力矩，是作用在三角板横梁上的空调重力和外力之和与力臂的乘积；一个为平衡力矩，是膨胀螺丝作用在竖梁上的拉力与力臂的乘积。力臂是固定不变的，膨胀螺丝拉力的大小由作用在三角板横梁上的载荷大小决定。其力学模型是横梁以竖梁下部为固定端的悬臂梁（如图5 所示），矩心在横梁与竖梁的连接位置。

图5 空调支架受力图

通过实例计算膨胀螺丝承受的拉力：上述某品牌空调重量为32 kg，支架竖梁长度41 cm、横梁长度46 cm，空调两地脚与支架锁紧位置分别距离竖架为44 cm 和20 cm，两只膨胀螺丝固定竖架的位置分别距离支架底部矩心为36 cm 和23 cm。假设两只膨胀螺丝受到的拉力F 相等；空调重量平均作用在两支架空调固定螺丝处。根据力矩公式M=FL，在空调重力载荷作用下支架处于平衡状态，单只膨胀螺丝的拉力F(0.36+0.23)=32/2×9.8×(0.44+0.2)，F=170 N，假设单支架最大作用载荷为100 kg，受力侧支架单个膨胀螺丝承受的拉力为：FMax=100×9.8×(0.44+0.2)/(0.36+0.23)=1063 N。与表5数据对比可知，用M8 膨胀螺丝在实心砖墙或混凝土墙安装空调支架的允许拉力是计算最大拉力的两倍和五倍，在膨胀螺栓不发生锈蚀的情况下有足够大的安全系数。膨胀螺栓在加气块砖或空心砖墙体内的容许拉力要小很多，需要采用加固措施。但是考虑膨胀螺栓常年锈蚀的原因，选择膨胀螺丝不应低于国标M10×100，一些空调支架销售商提供的膨胀螺丝配件为M8×80，规格型号偏低。

膨胀螺丝是利用楔形块楔紧的固定原理使胀管膨胀产生摩擦握裹力达到锚固作用，埋入深度越深承受的拉力和剪力越大。空调支架安装施工中常用的膨胀螺丝规格型号有M8×80、M10×100、M12×100，这些膨胀螺丝在不同材料砌筑建筑安装面内承受的极限拉力和剪力不同，其承受的拉力由大到小依次为混凝土墙体、实心砖墙体、加气块砖墙体、空心砖墙体。膨胀螺丝在实心砖墙和混凝土墙体内能受的拉力和剪力如表5 所示。但是支架膨胀螺丝能承受的极限拉力受安装面墙体砌筑材料的差异、钻孔尺寸、安装方法、膨胀螺丝质量、膨胀螺丝规格差异的影响一般会低于表5 中的值。安装工安装支架时经常会出现膨胀螺丝在锁紧过程中螺栓被拉出很多仍然不能拧紧的现象，说明该安装面或钻孔存在问题，膨胀螺丝没有楔紧墙体，有被拔出的风险，会造成空调支架膨胀螺丝被拔出的外机跌落的安全风险。

表5 空调支架膨胀螺丝承载允许值和极限值

7 锈蚀对空调支架承载力的影响

以竖架采用等边角钢50×5，横架采用等边角钢40×4，斜撑采用等边角钢30×3 的三角形碳钢空调支架为例分析锈蚀对支架承载力的影响。弹性模量取2.1×105 N/mm2，泊松比取0.3，强度设计值取215 N/mm2，通过软件计算各截面叠加应力与该处截面承载力比值得出横梁的效应/抗力比在0.50～0.70 之间，斜撑的效应/抗力比小于0.50，说明该空调支架承载力满足要求。

空调支架发生锈蚀时用锈蚀率评价锈蚀的程度，构件锈蚀率是用锈蚀后的构件材料厚度与构件原始材料厚度比值的百分比表示。对横架发生锈蚀锈蚀率达到20%、25%、30%的情况下进行模型分析计算，锈蚀率为20%时的效应/抗力比在0.70～0.90 之间，锈蚀率为25%时的效应/抗力比在0.90～1.00 之间，锈蚀率为30%时的效应/抗力比大于1.00。一般要求构件的效应/抗力比小于1.00，横架锈蚀率达到30%后承载力不足，锈蚀率不超过25%才能保证安全可靠[6]。所以《空调器室外机安装用支架规范》规定材料厚度不低于3.0 mm，支架表面采用有效的涂（镀）方法保证支架免受腐蚀，是保证空调支架安全的底线。

8 空调支架安全风险防范措施

消除空调支架安全风险的措施应从源头治理，安全主体责任划分，标准修订与落地实施，强化市场监管等方面入手，做好以下几个方面：

（1）由区政府定期组织社区对辖区存在安全隐患的空调支架进行排查，对排查出来的隐患作为一项惠民工程进行统一更换；

（2）市场监督管理局对市场上不符合国家标准、行业标准的支架进行下架销毁，防止流入市场造成新的隐患；

（3）空调支架作为空调实现功能的必要配件，支架应该作为随机配件由空调生产厂家提供，空调安装是空调生产厂家授权的单位或个人，空调支架的质量和安全主体责任应该由空调生产厂家负责，这样有助于整合、规范小而乱的空调支架生产现状，提升支架质量和安装质量；

（4）空调支架不管使用碳钢或不锈钢材质，应该保证足够的材料厚度抵抗腐蚀减薄造成的强度降低，支架的使用寿命应该不低于20 年。支架标准应按照使用寿命大于空调使用寿命的条件，对不同材质支架的竖梁、横梁、支撑的材料厚度和尺寸做出明确规定，规定连接螺栓和膨胀螺丝使用不锈钢材质，对碳钢支架防腐性能标准严格要求；

（5）修订国家标准和行业标准，根据区域气候特征差异制定地方标准，生产厂家完善企业标准，让标准化管理体系发挥作用；

（6）鼓励企业采用新材料、新技术，加大技术研发投入，开发力学性能好、承载能力强、抗腐蚀的复合材料支架。

总之，不管是从行业的长远发展，公共安全，还是从消费者的利益出发，行业协会和空调生产企业都有责任规范空调支架市场的服务、质量，切实做好空调支架安全风险防范工作。

9 结论

通过以上分析认为空调室外机支架的安全风险存在以下几个方面：（1）空调支架没有作为空调必备的随机配件提供给用户，造成支架的质量保证，售后服务和安全责任无承担主体，导致空调室外机支架行业混乱；（2）支架使用材料厚度不足，锈蚀后承载力不足；（3）支架防腐质量差，容易腐蚀，缩短了支架的使用寿命；（4）标准没有明确支架满足空调寿命的安全寿命周期；（5）支架安装不规范造成的承载、抗风能力差，产生支架松动、膨胀螺丝拔出等风险。其中，最为普遍的安全风险为空调支架过早锈蚀，承载力降低造成支架使用寿命低于空调使用寿命而引发坠机的安全风险。