舒宏，張詠，張威

（空調(diào)設(shè)備及系統(tǒng)運行節(jié)能國家重點實驗室，珠海 519070）

引言

常規(guī)風冷冰箱的壽命試驗需要的樣機多且測試周期長，使用加速壽命試驗?zāi)軌虼蟠鬁p少壽命試驗的時間[2]，減少風冷冰箱的研發(fā)成本，加快產(chǎn)品上市時間。楊玉齋[3]對以溫度作為加速應(yīng)力對相關(guān)可靠性指標進行測定，并未對考慮電應(yīng)力對冰箱可靠性的影響；潘勇[4]等對加速應(yīng)力組合在壽命試驗驗證提供了理論基礎(chǔ)；李良巧[5]等對加速壽命試驗設(shè)計方法進行詳細論述。

以上參考文獻對加速壽命實驗設(shè)計、過程驗證、數(shù)據(jù)分析等提供了理論基礎(chǔ)，筆者結(jié)合風冷冰箱的任務(wù)剖面、環(huán)境剖面設(shè)計加速壽命（ALT）試驗的壽命應(yīng)力剖面，進行風冷冰箱加速壽命（ALT）實驗設(shè)計，驗證產(chǎn)品的壽命可靠性參數(shù)，通過相關(guān)壽命可靠性參數(shù)確定產(chǎn)品的壽命可靠性達到設(shè)計指標。

1 理論分析

1.1 實驗剖面確定

根據(jù)施加不同應(yīng)力水平，可將加速壽命試驗（ALT）歸類為恒定應(yīng)力試驗（CSALT）、步進應(yīng)力試驗（SSALT）和序進應(yīng)力試驗（PSALT）[6]。確定壽命實驗的試驗剖面，先根據(jù)產(chǎn)品全壽命周期內(nèi)使用特點分析產(chǎn)品預(yù)期使用經(jīng)歷的事件及其狀態(tài)的總和，其次根據(jù)安裝產(chǎn)品的平臺特性分析壽命剖面內(nèi)產(chǎn)品預(yù)期承受的自然環(huán)境特性和平臺誘發(fā)環(huán)境的環(huán)境特性，明確產(chǎn)品在壽命周期內(nèi)承受的應(yīng)力總和，最后綜合分析產(chǎn)品的薄弱環(huán)節(jié)和應(yīng)力影響因子[7]。

風冷冰箱的使用環(huán)境是室內(nèi)地面固定使用環(huán)境，主要影響應(yīng)力為溫度應(yīng)力、濕度應(yīng)力、電應(yīng)力、開關(guān)門應(yīng)力，根據(jù)GB/T 22759-2008和GJB 899A-2009[8]確定加速應(yīng)力為溫濕度、電壓恒定應(yīng)力加速綜合應(yīng)力剖面。為確定加速應(yīng)力環(huán)境，選取10臺樣機各取一半，分別對溫度應(yīng)力強度、電應(yīng)力強度以階梯形式逐步向上提升，直至某個強度下樣本在短時間內(nèi)失效，確定工作樣本的工作極限，加速應(yīng)力需低于樣本工作極限[9]，根據(jù)樣本工作極限值確定溫度應(yīng)力使用恒定高溫應(yīng)力43 ℃，濕度應(yīng)力使用85 %濕度，電壓應(yīng)力使用50 %設(shè)計電壓、25 %1.1倍設(shè)計電壓、25 %0.9倍設(shè)計電壓，開關(guān)門應(yīng)力模擬用戶實際使用情況，以24 h為一個周期，12 h每隔30 min開關(guān)門1次，每次開門60 s，另12 h為穩(wěn)定運行狀態(tài)，不進行開關(guān)門操作，實驗剖面如圖1。

圖1 加速應(yīng)力實驗剖面圖

1.2 加速因子確定

根據(jù)壽命實驗綜合應(yīng)力剖面確定溫濕度應(yīng)力、電應(yīng)力的加速因子，開關(guān)門應(yīng)力為模擬用戶使用條件，不參與加速因子計算，溫度加速應(yīng)力為43 ℃恒定應(yīng)力，濕度應(yīng)力為85 %相對濕度恒定濕度應(yīng)力，依據(jù)壽命剖面應(yīng)力的加載方式，根據(jù)阿倫尼斯（Arrhenius）壽命模型推導(dǎo)確定溫濕度應(yīng)力的加速因子，阿倫尼斯（Arrhenius）壽命模型隨著溫度上升，壽命特征按照指數(shù)函數(shù)變化，電壓應(yīng)力為50 %設(shè)計電壓、25 %1.1倍設(shè)計電壓、25 %0.9倍設(shè)計電壓，逆冪律方程確定電應(yīng)力加速因子，逆冪率壽命模型隨著電應(yīng)力的偏移壽命特征按照負的冪函數(shù)下降，電應(yīng)力、溫濕度應(yīng)力的綜合應(yīng)力加速因子為溫濕度加速因子與電應(yīng)力加速因子乘積。

1）根據(jù)阿倫尼斯（Arrhenius）方程推導(dǎo)確定溫濕度加速系數(shù)

式中：

TS—加速溫度（43+273.15）K；

T0—正常冰箱使用溫度（25+273.15）K；

E—激活能，由貝爾實驗室資料知取1.4 eV；

k—波茲曼常數(shù)，8.6×10-5eV/K；

RH0—正常冰箱使用濕度取50 %；

RHS—正常冰箱加速濕度取85 %；

n—濕度加速常數(shù)取2。

2）根據(jù)逆冪律方程推導(dǎo)確定電應(yīng)力加速系數(shù)

式中：

VS—加速電應(yīng)力，單位V；

V0—正常電應(yīng)力，取220 V；

α—次冪律關(guān)系，取5。

3）溫濕度和電應(yīng)力作為加速應(yīng)力的綜合加速系數(shù)

根據(jù)上式求得電壓220 V溫度為43 ℃相對濕度85 %時AFTSV=13.96；電壓為242 V溫度為43 ℃ AFTSV=22.48；電壓198 V時溫度為43 ℃時為電壓負偏差加速因數(shù)，根據(jù)電壓偏差值為10 %計算AFTV=22.48，平均加速系數(shù)AFTSV為18.22。

1.3 壽命測試時間和樣機確認

產(chǎn)品設(shè)計壽命可靠性參數(shù)是在90 %置信度下MTBF達到87600 h，達到產(chǎn)品10年壽命可靠性要求，考慮成本問題，使用6臺樣機進行壽命試驗[10]。根據(jù)壽命可靠性設(shè)計參數(shù)，若允許1次失效在90 %的置信度下，計算需要測試的時間；若允許2次失效在90 %的置信度下，計算需要測試的時間；若出現(xiàn)3次失效，記為壽命試驗不合格。

1）壽命測試時間

A—壽命試驗系數(shù)。

2）2χ分布函數(shù)

3）A值計算

r—失效數(shù)量；

MTBF—平均故障間隔時間，單位h。

式中：

1-α—要求的置信度。

當r為1時A1=0.5CHIINV（1-0.9,2×2）=3.89；當r為2時A2=0.5CHIINV（1-0.9，2×3）=5.32；當r=1，Ttest=340764 h，6臺樣機進行測試3117 h內(nèi)出現(xiàn)1次故障或0次故障，壽命驗證合格。當6臺樣機測試3117 h內(nèi)出現(xiàn) 2次失效，延長時間至4263 h，若試驗至4263 h仍只有2次失效，壽命試驗合格，否則壽命試驗不合格。

2 試驗條件和結(jié)果分析

2.1 實驗樣品和方法

使用自動監(jiān)測多應(yīng)力綜合調(diào)節(jié)壽命測試試驗室1套，某型號421 L十字對開冰箱6臺，編號為1#、2#、3#、4#、5#、6#，其中壽命試驗室溫度控制區(qū)間為-20～50 ℃（實驗室溫度精度控制±0.5 ℃），其中電壓使用變頻電源控制110～380 V（電壓控制精度±1 %），搭配全自動智能氣動開關(guān)門工裝6個，滿足壽命試驗剖面工況條件，實驗過程主控臺自動記錄測試狀態(tài)，對測試信息進行分析處理，出現(xiàn)故障使用視覺、聽覺報警，并對故障進行自動化分析記錄，供測試工程師分析數(shù)據(jù)使用。壽命試驗安裝圖如圖2。

圖2 壽命試驗安裝圖

2.2 實驗結(jié)果分析

6臺樣機按照壽命試驗剖面進行試驗，實驗進行到2436 h 5#出現(xiàn)通訊故障，分析故障原因為芯片引腳接地短路，導(dǎo)致電路保護電阻燒毀，問題原因為芯片引腳焊接工藝不良和加速壽命試驗激勵下導(dǎo)致引腳短路，引腳短路導(dǎo)致保護電阻燒毀。優(yōu)化芯片引腳焊接工藝后此問題得到解決。試驗在3117 h內(nèi)出現(xiàn)1次失效，加速應(yīng)力壽命實驗驗證合格，滿足在90 %置信度下MTBF達到87600 h，達到產(chǎn)品10年壽命可靠性指標。實驗失效數(shù)據(jù)見表1。

表1 實驗失效數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

1）加速壽命試驗?zāi)壳爸饕獞?yīng)用在軍工產(chǎn)品和元器件產(chǎn)品，目前在家用電器行業(yè)運用較少。加速壽命試驗在有限的時間、成本條件下通過合理加速應(yīng)力選取[11]，加速產(chǎn)品問題暴露，可在較短的時間里驗證出產(chǎn)品的長期運行壽命可靠性指標，在設(shè)計階段合理使用加速壽命試驗對企業(yè)的設(shè)計研發(fā)能力的提高、檢測能力提高、產(chǎn)品質(zhì)量的提高都起到關(guān)鍵作用，隨著加速壽命試驗理論不斷完善，加速壽命試驗將會越來越多的應(yīng)用在家電行業(yè)當中。

2）產(chǎn)品的加速壽命試驗設(shè)計，從壽命設(shè)計參數(shù)出發(fā)，分析產(chǎn)品的任務(wù)剖面、環(huán)境剖面結(jié)合可靠性理論確定壽命試驗驗證剖面，根據(jù)產(chǎn)品的壽命剖面計算加速應(yīng)力以及綜合加速應(yīng)力的加速因子進行加速壽命試驗，結(jié)合實驗結(jié)果，驗證產(chǎn)品的壽命參數(shù)設(shè)計是否達到設(shè)計指標要求，加速壽命試驗的實施可以在廠內(nèi)確定產(chǎn)品的壽命指標參數(shù)，為產(chǎn)品的可靠性壽命提供強有力的保障。

3）通過上述加速壽命試驗設(shè)計驗證，實驗結(jié)果分析，驗證了此型號風冷冰箱在90 %置信度下10年可靠性壽命達到了產(chǎn)品設(shè)計要求，產(chǎn)品設(shè)計的壽命可靠性指標達到了設(shè)計目標。加速壽命（ALT）試驗?zāi)馨l(fā)現(xiàn)產(chǎn)品在長時間運行后的老化、腐蝕、電應(yīng)力熔斷等失效方式，在產(chǎn)品可靠性設(shè)計，產(chǎn)品可靠性提升方面都起到關(guān)鍵作用。