張?jiān)?，周月飛，舒宏，張威

（空調(diào)設(shè)備及系統(tǒng)運(yùn)行節(jié)能國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，珠海 519070）

引言

風(fēng)冷冰箱的化霜影響因素較多，蒸發(fā)器腔室溫度過(guò)低，正常制冷蒸發(fā)器腔室溫度可達(dá)-38 ℃，化霜時(shí)蒸發(fā)器腔室溫度可達(dá)12 ℃，此時(shí)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(jì)和化霜可靠性驗(yàn)證尤為重要，胡湘洪[1]等對(duì)可靠性實(shí)驗(yàn)理論進(jìn)行詳細(xì)論述，楊學(xué)印[2]等對(duì)可靠性強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)的工程實(shí)踐進(jìn)行研究，基于上述可靠性理論進(jìn)行風(fēng)冷冰箱化霜可靠性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，分析故障機(jī)理進(jìn)而進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，提高風(fēng)冷冰箱的化霜可靠性。

1 理論分析

1.1 可靠性實(shí)驗(yàn)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(kāi)關(guān)門應(yīng)力、電壓應(yīng)力、振動(dòng)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(kāi)關(guān)門應(yīng)力電壓應(yīng)力等應(yīng)力條件[3]。結(jié)合冰箱的環(huán)境應(yīng)力剖面和風(fēng)冷冰箱的實(shí)際用戶使用條件建立風(fēng)冷冰箱可靠性摸底驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)剖面可以對(duì)風(fēng)冷冰箱的化霜可靠性失效進(jìn)行初步摸底驗(yàn)證，并為可靠性強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)（RET）提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，對(duì)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的早期設(shè)計(jì)失效起到關(guān)鍵作用。

可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)（RET）是指通過(guò)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(jì)中的薄弱環(huán)節(jié)，以便改進(jìn)設(shè)計(jì)和工藝，提高產(chǎn)品可靠性的試驗(yàn)，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[4]。可靠性強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)（RET）使用高環(huán)境應(yīng)力對(duì)產(chǎn)品早期設(shè)計(jì)缺陷進(jìn)行激發(fā)，并進(jìn)行故障分析和設(shè)計(jì)改進(jìn)，完善早期產(chǎn)品設(shè)計(jì)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。

1.2 故障樹(shù)（FTA）理論分析

故障樹(shù)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(shù)（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(shù)形圖分解，故障樹(shù)的構(gòu)建是故障分析法的關(guān)鍵[5]。結(jié)合可靠性實(shí)驗(yàn)理論分析，對(duì)風(fēng)冷冰箱的化霜可靠性驗(yàn)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(shí)間（MTTF），確定實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證剖面，分析故障機(jī)理，進(jìn)行可靠性提升和設(shè)計(jì)改進(jìn)，提高風(fēng)冷冰箱的化霜可靠性。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果分析改進(jìn)

2.1 可靠性摸底實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果分析

根據(jù)用戶家中冰箱實(shí)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(kāi)關(guān)門的條件要求（見(jiàn)表1），選取36臺(tái)冰箱設(shè)置4組試驗(yàn)條件，每項(xiàng)試驗(yàn)單獨(dú)進(jìn)行，嚴(yán)格按照測(cè)試方案進(jìn)行檢測(cè)，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表1 實(shí)驗(yàn)應(yīng)力條件設(shè)置

使用可靠性摸底應(yīng)力實(shí)驗(yàn)剖面圖（如圖1、圖2）測(cè)試結(jié)果如表2。風(fēng)口結(jié)冰圖如圖3。

圖3 風(fēng)口結(jié)冰圖

圖1 溫度應(yīng)力、濕度應(yīng)力、開(kāi)關(guān)門應(yīng)力交變應(yīng)力實(shí)驗(yàn)剖面圖

圖2 電壓交變應(yīng)力實(shí)驗(yàn)剖面圖

根據(jù)可靠性摸底試驗(yàn)結(jié)果，識(shí)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（187 V、220 V、242 V）對(duì)結(jié)果影響不顯著?？煽啃悦自囼?yàn)出現(xiàn)的制冷異常和風(fēng)口結(jié)冰問(wèn)題經(jīng)過(guò)識(shí)別判斷：高環(huán)溫、開(kāi)關(guān)門對(duì)激發(fā)故障作用關(guān)鍵且顯著，其他試驗(yàn)條件對(duì)故障的激發(fā)作用不顯著。

此次驗(yàn)證共出現(xiàn)9臺(tái)故障樣機(jī)，根據(jù)測(cè)試結(jié)果和實(shí)驗(yàn)室曲線采集分析，經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)換算，9臺(tái)故障樣機(jī)的失效時(shí)間分別為47.5 h、48.3 h、47.5 h、47.7 h、48.0 h、48.3 h、48.5 h、47.9 h、47.7 h，產(chǎn)品經(jīng)過(guò)可靠性摸底驗(yàn)證平均失效前時(shí)間：

MTTF=（47.5+48.3+47.5+47.7+48.0+48.3+48.5+47.9+47.7）/3=47.9 h

MTTF—平均失效間隔時(shí)間，單位h。

2.2 可靠性強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果分析

2.2.1 可靠性強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)破壞極限確認(rèn)

根據(jù)可靠性摸底試驗(yàn)識(shí)別出的高環(huán)溫、開(kāi)關(guān)門兩個(gè)應(yīng)力條件，開(kāi)展可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)，逐步增強(qiáng)試驗(yàn)條件，不斷地加速激發(fā)產(chǎn)品的潛在缺陷，摸索出兩個(gè)應(yīng)力條件對(duì)故障的工作極限，從而實(shí)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(shí)間MTTF縮短至24 h以內(nèi)。根據(jù)識(shí)別出的溫度和開(kāi)關(guān)門兩個(gè)應(yīng)力條件，對(duì)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(kāi)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(kāi)關(guān)門次數(shù)為120次/日，穩(wěn)定后保溫300 min，觀察測(cè)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300 min，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(wú)法使用, 則此溫度為高溫破壞極限。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，確定開(kāi)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(kāi)門維持5 min，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(kāi)門次數(shù)增加40次，保持5 min，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(kāi)關(guān)門步進(jìn)應(yīng)力， 觀察狀態(tài)是否正常；若無(wú)異常， 將先前數(shù)值記為開(kāi)關(guān)門工作極限；再增加直至整機(jī)冰箱無(wú)法使用，則此次數(shù)為開(kāi)關(guān)門應(yīng)力的破壞極限。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，確定32 ℃溫度條件下，開(kāi)關(guān)門應(yīng)力的破壞（風(fēng)門結(jié)冰堵死）極限為240次/日。

2.2.2 可靠性強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)剖面設(shè)計(jì)

結(jié)合可靠性摸底實(shí)驗(yàn)結(jié)果和高環(huán)溫和開(kāi)關(guān)門工作極限試驗(yàn)條件分析，制定可靠性強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)剖面（如圖5、圖6）?？煽啃詮?qiáng)化實(shí)驗(yàn)方案工況設(shè)計(jì)見(jiàn)表3。

表3 可靠性強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)方案工況設(shè)計(jì)

圖5 溫度應(yīng)力與開(kāi)關(guān)門綜合應(yīng)力試驗(yàn)剖面A、B圖

圖6 溫度應(yīng)力與開(kāi)關(guān)門綜合應(yīng)力試驗(yàn)剖面C圖

通過(guò)設(shè)計(jì)的4組可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算其平均失效前時(shí)間MTTF：MTTF=（27.8+23.8+23.6+23.5+22.8+2 2.6+21.5+22.4+21.6+18.8+17.6）h/11=22.4 h。從試驗(yàn)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(wú)法正常制冷的情況，c組綜合應(yīng)力故障暴露綜合相對(duì)較快且便于識(shí)別故障，其MTTF =（23.5+22.8+22.6+21.5）/4=22.6 h。因此根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析情況綜合考慮選取38～41 ℃溫度應(yīng)力、240次/24 h開(kāi)關(guān)門應(yīng)力作為篩選故障的試驗(yàn)條件。

理論上，高環(huán)溫和開(kāi)關(guān)門工作極限試驗(yàn)條件配合會(huì)更快暴露故障，實(shí)際實(shí)驗(yàn)顯示這兩個(gè)試驗(yàn)應(yīng)力條件是存在耦合作用的。經(jīng)過(guò)多次驗(yàn)證和結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)高環(huán)溫的工作極限配合開(kāi)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(shuō)明在耦合作用條件下，選擇38～44 ℃高溫應(yīng)力、240次/日開(kāi)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(yàn)更加快速激發(fā)識(shí)別故障找到一條便捷之路。

2.3 故障樹(shù)分析

經(jīng)可靠性摸底試驗(yàn)、可靠性強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)分析得出對(duì)開(kāi)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(shí)驗(yàn)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(wèn)題。

經(jīng)可靠性摸底實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(wèn)題，開(kāi)關(guān)門對(duì)化霜系統(tǒng)直接施加應(yīng)力，在門開(kāi)合過(guò)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(shí)驗(yàn)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(yàn)條件）、240次/日開(kāi)關(guān)門條件下，冰箱工作運(yùn)行21.5 h風(fēng)口即出現(xiàn)結(jié)冰故障，冰箱制冷也出現(xiàn)異常。

對(duì)化霜引起的風(fēng)口結(jié)冰問(wèn)題從設(shè)計(jì)、物料、裝配等流程環(huán)節(jié)進(jìn)行分析，對(duì)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(jì)，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(duì)此進(jìn)行分析，對(duì)風(fēng)口進(jìn)行分析，存在兩種情況：風(fēng)口設(shè)計(jì)尺寸偏小和發(fā)泡尺寸變形。風(fēng)口設(shè)計(jì)尺寸偏小會(huì)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(huì)導(dǎo)致化霜水堆積引起結(jié)冰。對(duì)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(wú)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(zhǎng)時(shí)間抵抗溫度和開(kāi)關(guān)門應(yīng)力。得出風(fēng)口結(jié)冰的故障樹(shù)分析圖如圖7。

圖7 故障樹(shù)分析圖

對(duì)故障樹(shù)使用下行法計(jì)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(shù)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(yàn)條件，且在實(shí)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(duì)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(shí)際情況分析，X3事件，風(fēng)口設(shè)計(jì)尺寸有統(tǒng)一規(guī)范要求，符合設(shè)計(jì)規(guī)范，排除這個(gè)底事件造成的化霜失效；X6和X8事件，有合格檢驗(yàn)報(bào)告，排除這兩個(gè)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(gè)底事件；綜合上述分析底事件為X7 （化霜加熱器設(shè)計(jì)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(jì)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(duì)這兩個(gè)因素進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)規(guī)范化霜加熱器設(shè)計(jì)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。

2.4 可靠性提升

前述可靠性強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)測(cè)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(yàn)條件）、240次/天開(kāi)關(guān)門條件，現(xiàn)按照設(shè)計(jì)改進(jìn)方案再次進(jìn)行可靠性強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)，以測(cè)得新?tīng)顟B(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(kāi)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(shí)驗(yàn)，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(guò)設(shè)計(jì)方案改進(jìn)后，新?tīng)顟B(tài)產(chǎn)品化霜性能可靠性得到顯著提升，相同試驗(yàn)條件下，平均失效前時(shí)間MTTF提升至60 h，遠(yuǎn)高于原狀態(tài)的21.5 h。

3 結(jié)論

1）可靠性實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)理論結(jié)合實(shí)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(shí)驗(yàn)剖面，通過(guò)實(shí)驗(yàn)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(shí)間（MTTF），提高產(chǎn)品的使用可靠性，提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。

2）可靠性實(shí)驗(yàn)實(shí)際工程應(yīng)用從確定產(chǎn)品的現(xiàn)場(chǎng)使用環(huán)境開(kāi)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(shí)驗(yàn)剖面，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行可靠性摸底實(shí)驗(yàn)、可靠性強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)、故障機(jī)理分析、可靠性提升設(shè)計(jì)，可靠性再驗(yàn)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(jì)可靠性和使用可靠性。

3）通過(guò)可靠性試驗(yàn)設(shè)計(jì)驗(yàn)證分析改進(jìn)，提高了風(fēng)冷冰箱的平均失效前時(shí)間（MTTF），提高了風(fēng)冷冰箱的耐受極限，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的早期對(duì)風(fēng)冷冰箱的設(shè)計(jì)缺陷進(jìn)行驗(yàn)證分析改進(jìn)，提高產(chǎn)品的可靠性，此方法對(duì)制冷設(shè)備的化霜可靠性分析改進(jìn)提供方法借鑒。