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風(fēng)冷冰箱的化霜影響因素較多，蒸發(fā)器腔室溫度過低，正常制冷蒸發(fā)器腔室溫度可達(dá)-38℃，化霜時蒸發(fā)器腔室溫度可達(dá)12℃，此時冷凍室溫度仍在-15℃以下，受冷熱交互因素、風(fēng)口漏冷等多方面影響，風(fēng)冷冰箱化霜可靠性設(shè)計和化霜可靠性驗證尤為重要。

 

本文結(jié)合實際用戶使用環(huán)境條件對影響化霜失效的應(yīng)力進(jìn)行可靠性摸底分析確認(rèn)和可靠性強(qiáng)化實驗（RET）理論對失效應(yīng)力進(jìn)行強(qiáng)化設(shè)計驗證，加快產(chǎn)品失效暴露，提高風(fēng)冷冰箱的化霜可靠性。

 

理論分析

 

01可靠性實驗理論分析

 

風(fēng)冷冰箱是地面固定設(shè)備，其任務(wù)剖面的環(huán)境應(yīng)力因素有溫度應(yīng)力、濕度應(yīng)力、開關(guān)門應(yīng)力、電壓應(yīng)力、振動用力等多綜合應(yīng)力剖面，影響冰箱化霜的應(yīng)力條件主要有環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、開關(guān)門應(yīng)力電壓應(yīng)力等應(yīng)力條件。結(jié)合冰箱的環(huán)境應(yīng)力剖面和風(fēng)冷冰箱的實際用戶使用條件建立風(fēng)冷冰箱可靠性摸底驗證實驗剖面可以對風(fēng)冷冰箱的化霜可靠性失效進(jìn)行初步摸底驗證，并為可靠性強(qiáng)化實驗（RET）提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，對發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的早期設(shè)計失效起到關(guān)鍵作用。

 

可靠性強(qiáng)化試驗（RET）是指通過系統(tǒng)地施加逐步增大的環(huán)境應(yīng)力和工作應(yīng)力，激發(fā)和暴露產(chǎn)品設(shè)計中的薄弱環(huán)節(jié)，以便改進(jìn)設(shè)計和工藝，提高產(chǎn)品可靠性的試驗，目的是使產(chǎn)品的可靠性不斷提高，使產(chǎn)品耐環(huán)境能力也得到提高?？煽啃詮?qiáng)化實驗（RET）使用高環(huán)境應(yīng)力對產(chǎn)品早期設(shè)計缺陷進(jìn)行激發(fā)，并進(jìn)行故障分析和設(shè)計改進(jìn)，完善早期產(chǎn)品設(shè)計薄弱環(huán)節(jié)，提高產(chǎn)品的耐受極限，達(dá)到提高產(chǎn)品功能可靠性目的。

 

02故障樹（FTA）理論分析

 

故障樹分析以故障為分析源，從故障發(fā)生推導(dǎo)導(dǎo)致故障發(fā)生的因素，使用倒推法找到導(dǎo)致故障發(fā)生的不可分解因素，進(jìn)行故障原因的鎖定，進(jìn)而改善故障因子，避免故障的發(fā)生，故障樹（FTA）分析法從故障發(fā)生的頂事件向原因方面建立圖形分析，進(jìn)行樹形圖分解，故障樹的構(gòu)建是故障分析法的關(guān)鍵。結(jié)合可靠性實驗理論分析，對風(fēng)冷冰箱的化霜可靠性驗證分析，分析影響化霜的失效因素和產(chǎn)品的平均失效前時間（MTTF），確定實驗驗證剖面，分析故障機(jī)理，進(jìn)行可靠性提升和設(shè)計改進(jìn)，提高風(fēng)冷冰箱的化霜可靠性。

 

實驗設(shè)計及結(jié)果分析改進(jìn)

 

01.可靠性摸底實驗設(shè)計及結(jié)果分析

 

根據(jù)用戶家中冰箱實際使用工況條件，結(jié)合溫度、濕度、電壓、模擬用戶頻繁使用開關(guān)門的條件要求（見表1），選取36臺冰箱設(shè)置4組試驗條件，每項試驗單獨(dú)進(jìn)行，嚴(yán)格按照測試方案進(jìn)行檢測，記錄試驗數(shù)據(jù)。

 

表1 實驗應(yīng)力條件設(shè)置

 

 

使用可靠性摸底應(yīng)力實驗剖面圖（如圖1、圖2）測試結(jié)果如表2。風(fēng)口結(jié)冰圖如圖3。

 

 

圖1 溫度應(yīng)力、濕度應(yīng)力、開關(guān)門應(yīng)力交變應(yīng)力實驗剖面圖

 

 

圖2 電壓交變應(yīng)力實驗剖面圖

表2 可靠性摸底實驗結(jié)果

 

 

圖3 風(fēng)口結(jié)冰圖

 

根據(jù)可靠性摸底試驗結(jié)果，識別出25℃、10℃未出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，綜合濕度應(yīng)力（75%、60%、45%）和電應(yīng)力（187V、220V、242V）對結(jié)果影響不顯著?？煽啃悦自囼灣霈F(xiàn)的制冷異常和風(fēng)口結(jié)冰問題經(jīng)過識別判斷：高環(huán)溫、開關(guān)門對激發(fā)故障作用關(guān)鍵且顯著，其他試驗條件對故障的激發(fā)作用不顯著。

 

此次驗證共出現(xiàn)9臺故障樣機(jī)，根據(jù)測試結(jié)果和實驗室曲線采集分析，經(jīng)過統(tǒng)計換算，9臺故障樣機(jī)的失效時間分別為47 .5h、48.3h、47.5h、47.7h、48.0h、48.3h、48.5h、47.9h、47.7h，產(chǎn)品經(jīng)過可靠性摸底驗證平均失效前時間：MTTF=（47.5+48.3+47.5+47.7+48.0+48.3+48.5+47.9+47.7）/3=47.9h

MTTF—平均失效間隔時間，單位h。

 

02.可靠性強(qiáng)化實驗設(shè)計及結(jié)果分析

 

2.1可靠性強(qiáng)化實驗破壞極限確認(rèn)

 

根據(jù)可靠性摸底試驗識別出的高環(huán)溫、開關(guān)門兩個應(yīng)力條件，開展可靠性強(qiáng)化試驗，逐步增強(qiáng)試驗條件，不斷地加速激發(fā)產(chǎn)品的潛在缺陷，摸索出兩個應(yīng)力條件對故障的工作極限，從而實現(xiàn)準(zhǔn)確地暴露產(chǎn)品可靠性故障的目標(biāo)，將平均失效前時間MTTF縮短至24h以內(nèi)。根據(jù)識別出的溫度和開關(guān)門兩個應(yīng)力條件，對此進(jìn)行逐步強(qiáng)化，確定強(qiáng)化條件（如圖4）。

 

 

圖4 高溫步進(jìn)應(yīng)力、開關(guān)門應(yīng)力步進(jìn)剖面圖

 

設(shè)定起始溫度為32℃，基準(zhǔn)開關(guān)門次數(shù)為120次/日，穩(wěn)定后保溫300min，觀察測試曲線運(yùn)行狀態(tài)，記錄冰箱制冷運(yùn)行和風(fēng)門結(jié)冰情況。正常則將溫度再升4℃，穩(wěn)定后保溫300min，記錄具體情況，直至冰箱制冷運(yùn)行異常、風(fēng)門出現(xiàn)結(jié)冰，此為高溫應(yīng)力的工作極限。再將溫度逐漸上升直到冰箱無法使用, 則此溫度為高溫破壞極限。根據(jù)試驗結(jié)果，確定開關(guān)門次數(shù)為120次/日的條件下，溫度應(yīng)力的破壞極限為48 ℃。

 

初始次數(shù)設(shè)置為120次，環(huán)溫為32℃，初始開門維持5min，完成后檢查冰箱制冷運(yùn)行和風(fēng)門結(jié)冰情況。正常則將開門次數(shù)增加40次，保持5min，記錄具體情況，直至冰箱制冷運(yùn)行異常、風(fēng)門出現(xiàn)結(jié)冰，將冰箱狀態(tài)恢復(fù)施加開關(guān)門步進(jìn)應(yīng)力, 觀察狀態(tài)是否正常；若無異常，將先前數(shù)值記為開關(guān)門工作極限; 再增加直至整機(jī)冰箱無法使用, 則此次數(shù)為開關(guān)門應(yīng)力的破壞極限。根據(jù)試驗結(jié)果，確定32℃溫度條件下，開關(guān)門應(yīng)力的破壞（風(fēng)門結(jié)冰堵死）極限為240次/日。

 

2.2可靠性強(qiáng)化實驗剖面設(shè)計

 

結(jié)合可靠性摸底實驗結(jié)果和高環(huán)溫和開關(guān)門工作極限試驗條件分析，制定可靠性強(qiáng)化實驗剖面（如圖5、圖6）?？煽啃詮?qiáng)化實驗方案工況設(shè)計見表3。

 

 

圖5 溫度應(yīng)力與開關(guān)門綜合應(yīng)力試驗剖面A、B圖

 

 

圖6 溫度應(yīng)力與開關(guān)門綜合應(yīng)力試驗剖面C圖

 

 

表3 可靠性強(qiáng)化實驗方案工況設(shè)計

 

通過設(shè)計的4組可靠性強(qiáng)化試驗結(jié)果，計算其平均失效前時間MTTF：MTTF=（27.8+23.8+23.6+23.5+22.8+22.6+21.5+22.4+21.6+18.8+17.6）h/11=22.4h。從試驗結(jié)果中可以看出D組由于施加應(yīng)力較為嚴(yán)苛導(dǎo)致產(chǎn)品出現(xiàn)無法正常制冷的情況，C組綜合應(yīng)力故障暴露綜合相對較快且便于識別故障，其MTTF =（23.5+22.8+22.6+21.5）/4=22.6h。因此根據(jù)實驗結(jié)果分析情況綜合考慮選取38-41℃溫度應(yīng)力、240次/24h開關(guān)門應(yīng)力作為篩選故障的試驗條件。

 

理論上，高環(huán)溫和開關(guān)門工作極限試驗條件配合會更快暴露故障，實際實驗顯示這兩個試驗應(yīng)力條件是存在耦合作用的。經(jīng)過多次驗證和結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)高環(huán)溫的工作極限配合開關(guān)門的破壞極限這兩種條件，可以更加高效的激發(fā)故障，說明在耦合作用條件下，選擇38℃~44℃高溫應(yīng)力、240次/日開關(guān)門應(yīng)力作為故障篩選的條件較為合理且高效，也為后續(xù)強(qiáng)化試驗更加快速激發(fā)識別故障找到一條便捷之路。

 

03.故障樹分析

 

經(jīng)可靠性摸底試驗、可靠性強(qiáng)化實驗分析得出對開三門風(fēng)冷冰箱化霜性能故障模式（現(xiàn)象）主要是間室制冷異常、風(fēng)口結(jié)冰，且制冷異常與風(fēng)口結(jié)冰為關(guān)聯(lián)故障，制冷異常由風(fēng)口結(jié)冰導(dǎo)致。根據(jù)實驗結(jié)果，化霜可靠性強(qiáng)化提升的FTA頂事件為風(fēng)口結(jié)冰問題。

 

經(jīng)可靠性摸底實驗驗證，高溫高濕可加速冷熱交替導(dǎo)致蒸發(fā)器、風(fēng)口等部件結(jié)冰嚴(yán)重從而引起化霜不干凈出現(xiàn)風(fēng)口結(jié)冰的問題，開關(guān)門對化霜系統(tǒng)直接施加應(yīng)力，在門開合過程中，熱量直接進(jìn)入到冰箱產(chǎn)生冷熱交替，受此交變應(yīng)力，更易故障。經(jīng)可靠性強(qiáng)化實驗確認(rèn)風(fēng)口結(jié)冰的工作極限應(yīng)力為38℃~44℃高溫應(yīng)力、濕度75%（濕度影響較小，作為恒定試驗條件）、240次/日開關(guān)門條件下，冰箱工作運(yùn)行21.5h風(fēng)口即出現(xiàn)結(jié)冰故障，冰箱制冷也出現(xiàn)異常。

 

對化霜引起的風(fēng)口結(jié)冰問題從設(shè)計、物料、裝配等流程環(huán)節(jié)進(jìn)行分析，對可能造成的風(fēng)口結(jié)冰的各種進(jìn)行進(jìn)行FTA。根據(jù)冰箱化霜結(jié)構(gòu)設(shè)計，與風(fēng)口結(jié)冰現(xiàn)象的關(guān)聯(lián)部件為風(fēng)口本身和化霜加熱器，對此進(jìn)行分析，對風(fēng)口進(jìn)行分析，存在兩種情況：風(fēng)口設(shè)計尺寸偏小和發(fā)泡尺寸變形。風(fēng)口設(shè)計尺寸偏小會導(dǎo)致冷熱交替點(diǎn)集中且熱量難以輻射，風(fēng)口發(fā)泡尺寸變形會導(dǎo)致化霜水堆積引起結(jié)冰。對化霜加熱器進(jìn)行分析，存在兩種情況：化霜加熱器功率偏小和安裝尺寸偏離?；訜崞鞴β势?dǎo)致熱量無法輻射到風(fēng)口位置，化霜加熱器安裝位置偏離導(dǎo)致熱量輻射不均勻，從而導(dǎo)致不能長時間抵抗溫度和開關(guān)門應(yīng)力。得出風(fēng)口結(jié)冰的故障樹分析圖如圖7。

 

 

圖7  故障樹分析圖

 

對故障樹使用下行法計算最小割集為{X1，X2，X3}、{X1，X2，X4}、{X1，X2，X5}、{X1，X2，X6}、{X1，X2，X7}、{X1，X2，X8}、{X1，X2，X9}，結(jié)合故障樹分析確認(rèn)最小割集，底事件中X1,X2在最小割集中出現(xiàn)頻次均為7次，其他各底事件各出現(xiàn)1次，X1,X2均為最重要底事件。但事件X1,X2均為試驗條件，且在實際情況中均為不可控條件，故需要從其他底事件中進(jìn)行篩選，對篩選出的底事件進(jìn)行改進(jìn)，以提升其可靠性。

 

底事件X3—X10中，根據(jù)實際情況分析，X3事件，風(fēng)口設(shè)計尺寸有統(tǒng)一規(guī)范要求，符合設(shè)計規(guī)范，排除這個底事件造成的化霜失效；X6和X8事件，有合格檢驗報告，排除這兩個底事件；X4和X5事件，發(fā)泡機(jī)和操作工均有合格的上崗證和維護(hù)保養(yǎng)記錄和使用操作記錄，排除這兩個底事件；綜合上述分析底事件為X7 （化霜加熱器設(shè)計功率偏小不符合規(guī)范）和X9（化霜加熱器安裝尺寸偏離不符合工藝規(guī)范）。經(jīng)FTA分析可知影響化霜性能風(fēng)口結(jié)冰的的主要因素為化霜加熱器設(shè)計功率偏小不符合規(guī)范和化霜加熱器安裝尺寸偏離不符合工藝規(guī)范，對這兩個因素進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計規(guī)范化霜加熱器設(shè)計功率和提高化霜加熱器的安裝尺寸規(guī)范可有效提高化霜可靠性。

 

04.可靠性提升

 

前述可靠性強(qiáng)化實驗測得化霜性能工作極限為環(huán)溫38℃~41℃，濕度75%（濕度影響較小，作為恒定試驗條件）、240次/天開關(guān)門條件，現(xiàn)按照設(shè)計改進(jìn)方案再次進(jìn)行可靠性強(qiáng)化實驗，以測得新狀態(tài)下的化霜性能工作極限。因消費(fèi)者家中38℃~41℃已可代表正常生活狀態(tài)下的環(huán)境溫度極限，同理75%濕度亦可代表正常生活狀態(tài)下的環(huán)境濕度，故將開關(guān)門次數(shù)作為強(qiáng)化因子，其他因素保持不變。

 

按改進(jìn)結(jié)果進(jìn)行3次實驗，冰箱化霜較為干凈，制冷運(yùn)行正常未出現(xiàn)風(fēng)口結(jié)冰現(xiàn)象。經(jīng)過設(shè)計方案改進(jìn)后，新狀態(tài)產(chǎn)品化霜性能可靠性得到顯著提升，相同試驗條件下，平均失效前時間MTTF提升至60h，遠(yuǎn)高于原狀態(tài)的21.5h。

 

結(jié)論

 

1）可靠性實驗理論應(yīng)用目前主要在軍工產(chǎn)品和元器件產(chǎn)品，在家用電器行業(yè)應(yīng)用較少，使用可靠性實驗理論結(jié)合實際產(chǎn)品的使用環(huán)境進(jìn)而可以確定產(chǎn)品的任務(wù)剖面，確定產(chǎn)品的可靠性摸底、可靠性強(qiáng)化的實驗剖面，通過實驗結(jié)果分析、故障分析確定影響因素、可靠性提升改進(jìn)，進(jìn)而提高產(chǎn)品的平均失效前時間（MTTF），提高產(chǎn)品的使用可靠性，提高產(chǎn)品的競爭力。

 

2）可靠性實驗實際工程應(yīng)用從確定產(chǎn)品的現(xiàn)場使用環(huán)境開始，分析產(chǎn)品的受試應(yīng)力、環(huán)境應(yīng)力、操作使用習(xí)慣，確定產(chǎn)品的任務(wù)剖面、實驗剖面，對產(chǎn)品進(jìn)行可靠性摸底實驗、可靠性強(qiáng)化實驗、故障機(jī)理分析、可靠性提升設(shè)計，可靠性再驗證等一整套可靠性理論分析研究，是基于故障物理的可靠性技術(shù)研究[6]，進(jìn)而提高產(chǎn)品的設(shè)計可靠性和使用可靠性。

 

3）通過可靠性試驗設(shè)計驗證分析改進(jìn)，提高了風(fēng)冷冰箱的平均失效前時間（MTTF），提高了風(fēng)冷冰箱的耐受極限，在產(chǎn)品設(shè)計的早期對風(fēng)冷冰箱的設(shè)計缺陷進(jìn)行驗證分析改進(jìn)，提高產(chǎn)品的可靠性，此方法對制冷設(shè)備的化霜可靠性分析改進(jìn)提供方法借鑒。

 

引用本文：

 

張詠，周月飛，舒宏，張威.基于可靠性理論風(fēng)冷冰箱化霜可靠性研究與應(yīng)用[J].環(huán)境技術(shù),2022,40(01):80-86+113.