滿長才，趙 鑫，郭良珠,2，王 波,2，寇翠翠,2，張 銀,2

（1.中國電子科技集團(tuán)公司第十六研究所，合肥 230088；2.低溫技術(shù)安徽省重點實驗室，合肥 230088）

0 引言

斯特林制冷機(jī)作為一種在30～200 K溫區(qū)獲取低溫環(huán)境的小型制冷裝備，是一種涉及材料、機(jī)械、電磁、熱力學(xué)、傳熱學(xué)、電子和控制等各種學(xué)科的小型系統(tǒng)。隨著中國斯特林制冷機(jī)和斯特林脈管制冷機(jī)的發(fā)展，其可靠性越來越受到重視。

目前，對于長壽命斯特林制冷機(jī)的壽命和可靠性研究主要涉及到制冷機(jī)的壽命和可靠性測試、可靠性加速和可靠性篩選。Sato Yoichi 等[1]對制冷機(jī)可靠性進(jìn)行測試，并分析了制冷機(jī)中的污染氣體；Narasaki Katsuhiro[2]對空間用制冷機(jī)進(jìn)行了10 年以上的地面壽命測試；Ramsey Perry G 等[3]對制冷機(jī)2年時間的性能下降情況進(jìn)行了測試，并將測試到2020 年；Nachman Ilan[4]、Eremenko VV[5]利用加速測試來研究制冷機(jī)的壽命；吳亦農(nóng)等[6]研究了空間斯特林制冷機(jī)的早期失效模式及其對應(yīng)的篩選試驗方法，研究了長壽命制冷機(jī)的壽命篩選方法。

目前，制冷機(jī)的可靠性預(yù)測主要通過其主要失效模式如氣體污染、磨損、疲勞和泄漏[7-8]進(jìn)行壽命分析和預(yù)測。由于氣體污染是影響制冷機(jī)壽命的主要因素，Wang F等[8]通過氣體污染物加速退化測試來評估斯特林脈管制冷機(jī)的壽命和可靠性。此外，Cauquil JM[9]和羅高喬[10]利用威布爾分布對整體旋轉(zhuǎn)式斯特林制冷機(jī)進(jìn)行可靠性計算和預(yù)測。

綜上所述，目前在斯特林制冷機(jī)的可靠性預(yù)測方面研究不多，且主要對制冷機(jī)的機(jī)械部分（制冷機(jī)還有一個重要部件是控制器）通過主要失效模式（氣體污染、磨損、疲勞和泄漏）分析并結(jié)合實驗測試的手段進(jìn)行壽命和可靠性預(yù)測。這些預(yù)測方法的通用性不高且不全面，一旦某些部件的技術(shù)獲得突破（即故障率發(fā)生變化），這些預(yù)測手段便不再適用，并且控制器的可靠性一般沒有涉及。因此，找到一種通用的、全面的（包含制冷機(jī)和控制器）可靠性預(yù)測方法，有利于更加準(zhǔn)確地預(yù)測制冷機(jī)的壽命和可靠性。

本文基于RAM Commander軟件，以長壽命的氣體軸承斯特林制冷機(jī)為例，把斯特林制冷機(jī)分解至每一個部件、再分解至每一個零件和元器件，引用國內(nèi)外數(shù)據(jù)庫中的電子、機(jī)械、機(jī)電產(chǎn)品中的可靠性數(shù)據(jù)，建立斯特林制冷機(jī)的一種通用、全面的可靠性預(yù)計方法進(jìn)行可靠性預(yù)計，并對預(yù)計結(jié)果進(jìn)行分析。

1 斯特林制冷機(jī)可靠性模型建立

RAM Commander 可靠性軟件可實現(xiàn)可靠性設(shè)計、失效分析以及建立失效模型和失效數(shù)據(jù)庫。利用RAM Commander軟件進(jìn)行可靠性設(shè)計時，其工作過程如下。

（1）建模。根據(jù)部件進(jìn)行模型建立。以某公司研制的氣體軸承斯特林制冷機(jī)為例，建立可靠性模型。根據(jù)影響可靠性的因素進(jìn)行可靠性模塊的分層細(xì)分。制冷機(jī)包含制冷機(jī)和控制器；其中制冷機(jī)包含壓縮機(jī)和膨脹機(jī)模塊，控制器包含供電模塊、控制模塊以及功率輸出模塊等；壓縮機(jī)包含活塞組件、壓縮機(jī)氣缸、永磁組件、磁極組件、線圈組件、彈簧組件；活塞組件包含活塞噴涂層、活塞體和活塞支架；膨脹機(jī)和控制器的詳細(xì)分層結(jié)構(gòu)以此類推。斯特林制冷機(jī)的整機(jī)分層結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 斯特林制冷機(jī)的可靠性建模

（2）確定零部件故障率。機(jī)械部件的故障率數(shù)據(jù)較難獲得，但是在軟件中，大部分機(jī)械零部件的故障率可直接引用軟件中的NPRD-2011 標(biāo)準(zhǔn)（或者NPRD-2009 標(biāo)準(zhǔn)），通過軟件直接引用并設(shè)置數(shù)值。電子器件的故障率可引用的標(biāo)準(zhǔn)較多，且數(shù)據(jù)較多，可在軟件中直接引用。如標(biāo)準(zhǔn)中無相關(guān)部分的失效率，則需要根據(jù)實驗確定故障率數(shù)值。

2 可靠性計算和分析

通過建模以及輸入各個部件或器件的故障率，通過軟件可計算出制冷機(jī)的整機(jī)故障率，其可靠性為故障率的倒數(shù)。根據(jù)設(shè)計結(jié)果找出故障率較高的環(huán)節(jié)，即影響可靠性的薄弱環(huán)節(jié)。

通過軟件可計算出氣體軸承斯特林制冷機(jī)（包含制冷機(jī)和控制器）的整機(jī)故障率為7.39×10-6，其可靠性為故障率的倒數(shù)，可靠性數(shù)值為135 248.12 h。通過調(diào)用軟件輸出模板，可生成可靠性詳細(xì)設(shè)計報告，如下所示。

項目名稱：STIRLING_CETC16

Operating conditions：Environment：GF1,Temperature：25.00

電流模式：工作狀態(tài)

故障率單位：10-6

缺省預(yù)計方法：GJB 299C P.stress

如表1 所示，制冷機(jī)（包含控制器本體和控制器）的可靠性（設(shè)計）為13.52 萬h。其中控制器的故障率占比為50.70%，制冷機(jī)本體總結(jié)為49.3%，二者基本平分。制冷機(jī)本體部分中，故障率較高的部件為膨脹機(jī)，達(dá)23.45%。

表1 斯特林制冷機(jī)可靠性報告，ID: 1，故障率（10-6）：7.39，MTTF（h）：135 248.12

工質(zhì)的故障率為1.00×10-6，其對斯特林制冷機(jī)的可靠性影響占比為13.52%，主要是工質(zhì)污染和工質(zhì)泄漏兩個因素。工質(zhì)污染主要來自于制冷機(jī)內(nèi)部材料的放氣，主要放氣源為繞組線圈漆包線、非金屬（排出器外殼）材料放氣、黏接過程中使用的膠、活塞表面材料放氣。通過各種預(yù)處理措施，整機(jī)封機(jī)前對零部件以及整機(jī)進(jìn)行長時間的高溫、高真空的除氣處理，以加快各種污染氣體在封機(jī)前排出。工質(zhì)泄漏主要發(fā)生在金屬材料表面和焊縫處。計算表明，制冷機(jī)的泄漏率保證為5×10-10Pa·m3/s；制冷機(jī)的有效工作壽命t＝1.1×107h。結(jié)合制冷機(jī)生產(chǎn)和質(zhì)量控制手段，工質(zhì)污染和工質(zhì)的故障率可保證為1.00×10-6。

如表2 所示，壓縮機(jī)中，故障率較高的部件為活塞組件，占比高達(dá)61.62%。這是由于活塞中存在壓縮活塞噴涂層，其故障率為0.5×10-6（MTTF 為2×106h），占活塞組件故障率的99.44%，如表3 所示。壓縮活塞噴涂層高達(dá)2×107h 的可靠性表明，在氣體軸承斯特林制冷機(jī)中，活塞噴涂層的可靠性達(dá)到了非常高的水平，其失效模式包含了磨損、噴涂層老化脫落等，且磨損已經(jīng)不是主要的失效模式（否則不會有如此高的可靠性）。這主要是由于氣體軸承基本上消除了活塞噴涂層的磨損。

表2 壓縮機(jī)可靠性報告, ID: 1.1，故障率（10-6）：0.816,MTTF（h）：1 225 514.21

表3 活塞組件可靠性報告，ID: 1.1.1，故障率（10-6）：0.502 8， MTTF（h）：1 988 862.42

壓縮機(jī)氣缸、永磁組件、磁極組件、線圈組件可靠性報告分別如表4～7所示。

表4 壓縮機(jī)氣缸可靠性報告， ID：1.1.2， 故障率（10-6）：0.053， MTTF（h）：18 867 924.75

表5 永磁組件可靠性報告, ID: 1.1.3, 故障率（10-6）：0.024 9,MTTF（h）:40 160 641.7

表6 磁極組件可靠性報告， ID：1.1.4，故障率（10-6）：0.022 3 ， MTTF（h）：44 843 050.6

表7 線圈組件可靠性報告， ID：1.1.5， 故障率（10-6）：0.160 7， MTTF（h）：6 222 078.66

如表8 所示，壓縮機(jī)中彈簧組件的故障率較低，僅為0.052 3×10-6，這是因為活塞采用氣體軸承支承，取消了板簧的支承，唯一采用的彈簧部件為氣體軸承中的單向閥，其剛度較小、位移較小，具有較高的可靠性（根據(jù)NPRD-2011標(biāo)準(zhǔn)中引用的數(shù)據(jù)，故障率為0.050 47×10-6，可靠性為1.98×107h）。

表8 彈簧組件可靠性報告, ID: 1.1.6, 故障率（10-6）：0.052 27,MTTF（h）：19 132 896.5

如表9 所示，膨脹機(jī)的可靠性故障率較高的部件為排出器，故障率為1.49×10-6，占膨脹機(jī)故障率的85.69%。板簧組件所占的比例不高，為11.25%，故障率僅為0.195 1×10-6。

表9 膨脹機(jī)可靠性報告，ID：1.2，故障率（10-6）：1.73，MTTF（h）： 576 807.08

影響排出器可靠性的因素為回?zé)崞鹘M件失效和排出器桿失效?；?zé)崞鹘M件失效達(dá)到9.846×10-7，如表10 所示，占比66.28%，主要原因是回?zé)崞鹘M件中采用了高孔隙率的網(wǎng)片（故障率相對較高，為0.904 2×10-6），該網(wǎng)片裝填較為疏松，容易出現(xiàn)被交變氣流沖刷變形、串氣等失效。

表10 排出器可靠性報告，ID：1.2.1，故障率（10-6）：1.49， MTTF（h）：673 144.59

排出器桿、回?zé)崞鹘M件、排出器氣缸可靠性報告分別如表11～13所示。

表11 排出器桿可靠性報告，ID：1.2.1.1， 故障率（10-6）：0.501， MTTF（h）：1 996 008.04

表12 回?zé)崞鹘M件可靠性報告，ID：1.2.1.2， 故障率（10-6）：0.984 6，MTTF（h）：1 015 677.02

表13 排出器氣缸可靠性報告， ID：1.2.2， 故障率（10-6）：0.053， MTTF（h）：18 867 924.75

由于膨脹機(jī)板簧的行程較小，位移不超過3.5 mm，因此其可靠性容易保證，失效率僅為0.145 4×10-6，如表14所示。

表14 膨脹機(jī)板簧組件可靠性報告，ID：1.2.3，故障率（10-6）：0.195 1， MTTF（h）： 5 125 130.14

連接組件的故障率較低，基本不影響制冷機(jī)的可靠性，故障率僅占制冷機(jī)的1.3%，如表15所示。

表15 連接組件可靠性報告， ID：1.3， 故障率（10-6）：0.095 77 ， MTTF（h）： 10 441 246.8

控制器的可靠性預(yù)計較為容易，因為電子元器件的故障率標(biāo)準(zhǔn)較多，較容易查到相關(guān)元器件的數(shù)據(jù)。如表16 所示，控制器的故障率占比較高的模塊為信號采集模塊（故障率1.71×10-6，占比45.67%）、功率輸出模塊（故障率0.855 4×10-6，占比22.82%）。供電模塊、控制模塊可靠性報告如表17～18 所示。信號采集模塊故障率較高的有4 個模塊，即運(yùn)放、輸入電流采集模塊、AC-DC轉(zhuǎn)換模塊、輸出電流采集模塊，故障率較為接近，如表19所示。功率輸出模塊中，主要影響因素為開關(guān)管驅(qū)動模塊，其故障率為0.622 6×10-6，高達(dá)72.78%，如表20所示。外圍電路可靠性報告如表21所示。

表16 控制器可靠性報告，ID：1.5，故障率（10-6）：3.75， MTTF（h）： 266 782.07

表17 供電模塊可靠性報告， ID：1.5.1， 故障率（10-6）：0.584 8 ， MTTF（h）： 1 709 911.71

表18 控制模塊可靠性報告， ID：1.5.2，故障率（10-6）：0.170 8 ， MTTF（h）： 5 854 362.18

表19 信號采集模塊可靠性報告，ID：1.5.4，故障率（10-6）：1.71 ， MTTF（h）： 584 102.91

表20 功率輸出模塊可靠性報告，ID：1.5.3，故障率（10-6）：0.855 4，MTTF（h）： 1 168 979.91

表21 外圍電路可靠性報告， ID： 1.5.9，故障率（10-6）：0.425 3， MTTF（h）： 2 351 470.44

根據(jù)可靠性計算結(jié)果可知，需要重點關(guān)注的元器件（或者故障元素）有：（1）工質(zhì)，故障率1.006×10-6；（2）活塞噴涂層，故障率0.56×10-6；（3）排出器噴涂層，故障率0.56× 10-6；（4）網(wǎng)片，故障率0.904 26× 10-6；（5）IC1，故障率0.501 96 × 10-6；（6） 開關(guān)管驅(qū)動模塊，故障率 0.622 66 ×10-6；（7）運(yùn)放，故障率0.488 26×10-6；（8）輸入電流采集模塊，故障率0.488 26×10-6。這些元器件或者元素的故障率接近或者超過了0.5×10-6，是制冷機(jī)可靠性的薄弱環(huán)節(jié)。通過降低這些元器件或者元素的故障率，可明顯提升制冷機(jī)可靠性。

3 結(jié)束語

本文基于RAM Commander軟件，通過引用軟件中較為全面的數(shù)據(jù)庫，建立了包括制冷機(jī)機(jī)械本體和控制器的可靠性模型，且分解至每一個組件、再分解至每一個零件和元器件，建立斯特林制冷機(jī)的一種通用的、全面的可靠性預(yù)計方法。

以長壽命的氣體軸承斯特林制冷機(jī)為例進(jìn)行可靠性預(yù)計，預(yù)計結(jié)果表明：（1）從部件的角度分析，控制器的故障率占比較高，主要因素為信號采集模塊和功率輸出模塊；（2）從細(xì)化到基本因素的元器件角度分析，可靠性的薄弱環(huán)節(jié)有工質(zhì)、活塞噴涂層、排出器噴涂層、網(wǎng)片、IC1、開關(guān)管驅(qū)動模塊，故障率、運(yùn)放和輸入電流采集模塊，通過降低這些元器件或者元素的故障率，可明顯提升制冷機(jī)可靠性。

該可靠性建模和預(yù)計方法可以全面系統(tǒng)地對制冷機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)分析，但是可靠性預(yù)計是一項長期和反復(fù)迭代的過程，需要實驗數(shù)據(jù)對各種元器件的故障率進(jìn)行校核和優(yōu)選，以便更加準(zhǔn)確地預(yù)測制冷機(jī)的可靠性。