譚民杰 江先明 黃遜青

（廣東萬(wàn)和新電氣股份有限公司，廣東佛山 528305）

日常家用電器產(chǎn)品使用過(guò)程不可避免發(fā)熱問(wèn)題，器具部件在電流電壓作用下，內(nèi)部電阻熱損和機(jī)械磨損都將產(chǎn)生熱量，熱量與周圍環(huán)境溫度進(jìn)行交換后將趨于穩(wěn)態(tài)工作，溫升則是產(chǎn)品熱量交換趨于穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)平衡的指標(biāo)，溫升的大小一定程度反映著產(chǎn)品散熱系統(tǒng)的好壞，它也是產(chǎn)品發(fā)生熱失效和故障的主要原因[1]。在產(chǎn)品安全性和可靠性分析研究中，發(fā)熱試驗(yàn)作為產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)中溫升的主要驗(yàn)證手段，GB 4706.1-2005《家用和類似用途電器的安全 第1 部分：通用要求》第11 章明確要求產(chǎn)品在正常使用中，器具和其周圍環(huán)境之間的溫升不應(yīng)超過(guò)所規(guī)定限值[1]。

吸油煙機(jī)作為廚電電器產(chǎn)品被廣泛用到各個(gè)家庭，由于它工作環(huán)境的特殊，其熱設(shè)計(jì)的驗(yàn)證條件有別于其他家電產(chǎn)品。GB 4706.28-2008《家用和類似用途電器的安全 吸油煙機(jī)的特殊要求》標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了吸油煙機(jī)正下方需布置6 臺(tái)總電功率為10.5 kW 的加熱裝置，為其發(fā)熱試驗(yàn)過(guò)程持續(xù)提供恒定熱源，以驗(yàn)證吸油煙機(jī)最大負(fù)荷工作下各零部件的溫升是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求[2]。吸油煙機(jī)發(fā)熱試驗(yàn)中，需在溫度濕度受控的環(huán)境下進(jìn)行，電阻爐作為加熱裝置的使用，一般需要連續(xù)運(yùn)行3 h 以上，若試驗(yàn)過(guò)程有1 臺(tái)加熱裝置發(fā)生故障，試驗(yàn)需停止，待產(chǎn)品恢復(fù)至常溫之后重新開(kāi)始，不僅造成試驗(yàn)過(guò)程的運(yùn)行能耗和其他設(shè)備運(yùn)行損耗增加，而且延長(zhǎng)試驗(yàn)設(shè)備的占用時(shí)間，影響其他待檢樣品的試驗(yàn)安排。本文對(duì)吸油煙機(jī)發(fā)熱試驗(yàn)用加熱裝置在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)生故障的原因進(jìn)行分析，并討論利用可靠性原理改善試驗(yàn)過(guò)程中這些加熱裝置的可控性措施。

1 加熱裝置失效模式

1.1 失效數(shù)據(jù)

為了解加熱裝置的使用情況，本實(shí)驗(yàn)室收集了30 組加熱裝置從投入使用到發(fā)生失效的數(shù)據(jù)，經(jīng)整理，裝置故障前累計(jì)運(yùn)行時(shí)間t 服從正態(tài)分布，即t～N(182,1062)，壽命中位數(shù)在182 h（如圖1 所示）。在可靠性設(shè)計(jì)分析中，可靠度R(t)是一項(xiàng)重要研究指標(biāo)，它是產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成要求功能的概率[3]。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，電爐絲的產(chǎn)品壽命特征服從正態(tài)分布，有以下關(guān)系：

圖1 改進(jìn)前單臺(tái)加熱裝置的壽命分布

式中：

t—裝置的累計(jì)運(yùn)行時(shí)間；

μ—失效模型的時(shí)間均值；

δ—失效模型的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)差。

按實(shí)驗(yàn)室設(shè)備運(yùn)行情況，單個(gè)加熱裝置每月運(yùn)行時(shí)間約為80 h，則裝置累計(jì)運(yùn)行時(shí)間為一個(gè)月的可靠度：

對(duì)故障數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析，發(fā)現(xiàn)97%的故障為爐絲斷裂，而出現(xiàn)斷裂的位置主要有兩處：（1）爐絲連接螺釘緊固處，（2）爐絲與試驗(yàn)鍋底接觸處。因此，如何改善實(shí)驗(yàn)過(guò)程中加熱裝置爐絲斷裂，找出爐絲易損原因是本課題的重要方向。

1.2 失效機(jī)理

一般的電熱裝置采用鎳鉻合金為電熱絲，利用金屬材料通電導(dǎo)熱的特性，讓電能轉(zhuǎn)化為熱能，鎳鉻合金具有電阻率高、熔點(diǎn)高的特點(diǎn)，最高工作溫度可達(dá)1 400℃[4]。電熱絲的實(shí)際應(yīng)用時(shí)，為提高單位面積的熱量，電熱絲都將制成螺旋狀，兩端使用螺絲、墊片和螺帽緊固的方式連接，盤繞在絕緣且耐高溫的爐架上。所有發(fā)熱元器件的失效離不開(kāi)溫度的影響，溫度的上升，一方面加速材料氧化，加速材料脆化而斷裂；在散熱條件不變的情況下，若熱量無(wú)法釋放，超越材料本身承受的溫度限值，容易出現(xiàn)熔斷失效。

（1）電爐絲螺絲緊固處斷裂[4]

爐絲與螺釘?shù)倪B接（如圖2 所示），屬于兩種不同金屬的連接，連接位置存在接觸電阻，該電阻的大小取決于連接的質(zhì)量，接觸間材料的差異，接觸處緊固力大小，接觸形式和表面狀態(tài)等方面都是影響阻值大小的重要因素。以上列舉的因素若不能進(jìn)行有效的管控，阻值一旦變大，爐絲通電運(yùn)行時(shí)，接觸電阻上的壓降增大，通過(guò)的電流變大，產(chǎn)生的熱量更多，長(zhǎng)時(shí)間的高溫工作加速它的失效。

圖2 電爐絲緊固結(jié)構(gòu)圖

（2）電爐絲觸碰鍋底處斷裂

金屬材料在長(zhǎng)時(shí)間高溫載荷下都將影響材料本身的機(jī)械性能，同理電爐絲經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間工作，固定在盤繞拐角處的電爐絲容易發(fā)生向上位移的形變，當(dāng)形變位置觸碰到試驗(yàn)鍋底（如圖3所示），異常的接觸電阻使觸點(diǎn)位置溫度升高而加速斷裂。該位置與螺絲緊固位置的失效，都需要經(jīng)過(guò)時(shí)間累積，單次試驗(yàn)累積的熱量不足以將其發(fā)生快速失效。然而，兩個(gè)觸點(diǎn)的失效又有別于單個(gè)觸點(diǎn)，由于兩觸點(diǎn)間產(chǎn)生更大的壓降，產(chǎn)生的大電流疊加在觸點(diǎn)上更容易使?fàn)t絲發(fā)生斷裂。為驗(yàn)證該失效模型，本實(shí)驗(yàn)室模擬電爐絲兩處形變位置觸碰試驗(yàn)鍋底，此時(shí)通過(guò)熱成像測(cè)試儀觀察觸點(diǎn)的溫度可高達(dá)1 350℃，結(jié)果電爐絲工作不到十分鐘便發(fā)生斷裂。

圖3 電爐絲形變示意圖

1.3 結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施

（1）電爐絲緊固方式

對(duì)于電爐絲緊固方式的改進(jìn)，采取了兩項(xiàng)措施：第一，緊固位置保證一定的接觸面積，采取彈介墊片固定方式，電爐絲兩端制成環(huán)形與墊片相壓制，墊片大小覆蓋環(huán)形接線端，避免電爐絲與緊固螺釘直接壓緊；第二，施加一定緊固扭力保證有效連接，根據(jù)材料特性規(guī)定合適的安裝扭力，避免因壓力不足使接觸端不能有效貼合或壓緊處受力不均，同時(shí)施加彈簧墊片安裝也可以起到防松脫的作用，防止加熱冷卻過(guò)程中材料收縮引起的壓緊力發(fā)生變化導(dǎo)致松動(dòng)。

（2）電爐絲與試驗(yàn)鍋間隙

市場(chǎng)上灶具產(chǎn)品一般配套金屬爐架以避免爐面與鍋底直接接觸，然而電爐產(chǎn)品有別于此，金屬爐架屬導(dǎo)電材料不利于解決絕緣問(wèn)題。經(jīng)市場(chǎng)調(diào)研建議選擇氧化鋁陶瓷材料，其具有耐磨、耐沖擊、耐腐蝕、耐高溫且絕緣的特性，經(jīng)簡(jiǎn)單加工固定在爐面上方可使用。由于電爐絲形變產(chǎn)生的向上位移一般不超過(guò)10 mm，所以爐墊高度在10 mm～15 mm 方可，避免試驗(yàn)鍋放置過(guò)高影響熱量的獲得。

1.4 結(jié)構(gòu)改進(jìn)效果

通過(guò)電爐絲緊固方式的改進(jìn)以及增大電爐絲與試驗(yàn)鍋間隙兩項(xiàng)結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施的實(shí)施，加熱裝置的壽命顯著延長(zhǎng)，從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以了解，改進(jìn)后電爐絲的平均使用壽命達(dá)到445 h，比改進(jìn)前的182 h 大幅度延長(zhǎng)，由于加熱裝置故障導(dǎo)致試驗(yàn)中斷的情況因此而大幅度減少，如圖4 所示。

圖4 改進(jìn)后單臺(tái)加熱裝置的壽命分布

2 預(yù)防性維修管理

2.1 預(yù)防性維修原理

為進(jìn)一步減少加熱裝置故障對(duì)試驗(yàn)計(jì)劃的影響，項(xiàng)目組成員考慮嘗試采用預(yù)防性維修方法，以加熱裝置的可靠性作為控制指標(biāo)，以便能夠盡量減少加熱裝置故障導(dǎo)致試驗(yàn)中斷的機(jī)會(huì)?？傮w的思路就是通過(guò)預(yù)計(jì)電爐絲的故障時(shí)間，在其發(fā)生故障之前就將其更換下來(lái)，避免其在工作過(guò)程中發(fā)生故障。

采用預(yù)防性維修方法首先要解決的是觀念轉(zhuǎn)變的問(wèn)題：

（1）電爐絲的故障時(shí)間是可以預(yù)計(jì)的，對(duì)電爐絲故障的預(yù)計(jì)主要通過(guò)兩個(gè)手段實(shí)現(xiàn)：

①檢查，外觀檢查和電阻檢測(cè)，如果外觀出現(xiàn)局部變色，通常是局部出現(xiàn)過(guò)熱，意味電爐絲即將發(fā)生故障；電爐絲加熱是表面發(fā)光亮度也是判斷其狀態(tài)的重要特征；電爐絲冷態(tài)電阻增大，通常意味電爐絲已經(jīng)出現(xiàn)異常，也是意味電爐絲即將發(fā)生故障。

②時(shí)間，電爐絲發(fā)生故障的機(jī)會(huì)隨使用時(shí)間增加，提前更換已經(jīng)達(dá)到預(yù)期更換時(shí)間的電爐絲，顯然就可以避免在工作時(shí)發(fā)生故障。可靠性技術(shù)可以提供成熟的方法。

（2）電爐絲在未發(fā)生故障時(shí)就主動(dòng)將其報(bào)廢，表明上看似有些浪費(fèi)，但是，電爐絲的價(jià)格較低，在預(yù)期更換時(shí)間繼續(xù)使用，能夠節(jié)省的費(fèi)用遠(yuǎn)小于中斷試驗(yàn)造成的損失。

2.2 加熱系統(tǒng)的可靠性

由6 個(gè)加熱裝置并聯(lián)構(gòu)成的加熱系統(tǒng)是可靠性分析的對(duì)象，由于任何1 個(gè)加熱裝置故障都意味著加熱系統(tǒng)故障，從而導(dǎo)致試驗(yàn)中斷，所以，在可靠性分析過(guò)程中，加熱系統(tǒng)視為邏輯上是由6 個(gè)加熱裝置組成的串聯(lián)系統(tǒng)，加熱系統(tǒng)的可靠度為：

式中：

R—單次試驗(yàn)加熱系統(tǒng)的可靠度；

R1～R6—單個(gè)加熱裝置的可靠度。

若取Rm為加熱裝置的可靠度均值，則有：

令RU和RL為加熱裝置可靠度的上限和下限，則加熱裝置的可靠度均值可以表達(dá)為：

令RU=1，則有：

對(duì)于由6 個(gè)加熱裝置串聯(lián)組成的加熱系統(tǒng)，有：

按一般經(jīng)驗(yàn)取R=0.90，代入式（5）、（6），有：

根據(jù)式（1）和改進(jìn)后單臺(tái)加熱裝置的壽命分布t～N(445,1002)，有：

解方程，得：

tL=393 h

為便于維修操作，規(guī)定電爐絲更換時(shí)間為380 h～400 h。

2.3 管理措施

（1）每個(gè)加熱裝置建立管理臺(tái)賬，記錄每次檢察的情況和累計(jì)運(yùn)行時(shí)數(shù)；

（2）每次試驗(yàn)前目視檢查電爐絲，以及電爐絲運(yùn)行時(shí)數(shù)，試驗(yàn)結(jié)束登記實(shí)際運(yùn)行時(shí)數(shù)；

（3）定期檢查電爐絲電阻值并記錄；

（4）電爐絲達(dá)到預(yù)期累計(jì)工作時(shí)數(shù)，按計(jì)劃更換，如果目視檢查或電阻檢查發(fā)現(xiàn)異常則隨時(shí)更換。

3 效果驗(yàn)證

3.1 可靠性改進(jìn)方案

通過(guò)上述的分析，本實(shí)驗(yàn)室提出以下吸油煙機(jī)發(fā)熱試驗(yàn)用加熱裝置的可靠性改進(jìn)方案：

（1）完善裝置點(diǎn)檢工作，通電前，檢查電爐絲連接是否可靠，接線柱是否有碳化嚴(yán)重、接觸不良等現(xiàn)象；通電后，檢查爐絲表面發(fā)光亮度是否均勻，接線柱無(wú)異常發(fā)光。

（2）定期組織核查電爐絲兩端阻值，阻值不滿足使用要求應(yīng)及時(shí)進(jìn)行更換。

（3）更換維修時(shí)明確電爐絲與螺絲緊固方式，連接柱采用墊片加彈介固定方式，并根據(jù)螺釘規(guī)格施加一定的扭力進(jìn)行固定。

（4）加熱裝置與試驗(yàn)鍋底保持一定距離間隙，推薦選用氧化鋁陶瓷材料作為爐墊固定于爐面上，垂直方向上的距離在10 mm～15 mm 方可。

（5）為電爐絲等易損件制定更換計(jì)劃表，根據(jù)加熱裝置壽命特征和可靠度計(jì)算，要求電爐絲的累計(jì)工作時(shí)長(zhǎng)不應(yīng)大于400 h，并做好更換記錄。

3.2 效果驗(yàn)證

方案（1）～（4）的改善，實(shí)驗(yàn)室跟蹤了30 組加熱裝置的故障數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)裝置累計(jì)運(yùn)行時(shí)間得到有效延長(zhǎng)，其正態(tài)分布為t～N(445,1002)，壽命中位數(shù)為445 h，單個(gè)裝置累計(jì)運(yùn)行時(shí)間為一個(gè)月的可靠度提升至99.7%，比改進(jìn)前提升77.1%。此外，隨即進(jìn)行方案（5）的實(shí)施，對(duì)累計(jì)運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)達(dá)380 h 以上的電爐絲進(jìn)行強(qiáng)制更換。近100 次試驗(yàn)中，因加熱裝置故障導(dǎo)致試驗(yàn)中止1 次，故障現(xiàn)象為主控板燒壞，而電爐絲斷裂情況未曾出現(xiàn)，可見(jiàn)順利地解決了吸油煙機(jī)發(fā)熱試驗(yàn)加熱裝置故障率高的問(wèn)題。

4 結(jié)束語(yǔ)

直接影響吸油煙機(jī)試驗(yàn)工作效率的因素是發(fā)熱裝置的故障，通過(guò)對(duì)故障機(jī)理的分析和故障數(shù)據(jù)的分析，對(duì)主要影響加熱裝置正常運(yùn)行的電爐絲采取了結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施，一方面改進(jìn)電爐絲的緊固結(jié)構(gòu)，另一方面合理設(shè)置了電爐絲與試驗(yàn)鍋之間的間隙，從而大幅度延長(zhǎng)了電爐絲的使用壽命，有效降低了加熱裝置的故障率。在此基礎(chǔ)上，利用可靠性分析方法，確定合理的預(yù)防性更換時(shí)間，取得故障可控的效果。從措施落實(shí)之后的約100 次試驗(yàn)結(jié)果可以了解，這些措施基本上實(shí)現(xiàn)了在試驗(yàn)過(guò)程中不發(fā)生加熱裝置故障的水平。在這項(xiàng)改進(jìn)活動(dòng)中顯示，對(duì)于一些看似具有不確定性的故障，只要認(rèn)真分析，結(jié)合可靠性的工具，就能夠有效提高對(duì)故障的控制能力。這項(xiàng)成功的改進(jìn)活動(dòng)，在可靠性分析工具方面的運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)可以為其他試驗(yàn)項(xiàng)目工作效率的提高，提供可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。設(shè)備可靠性分析和預(yù)防性維修管理方案可推廣至其他領(lǐng)域，幫助企業(yè)和實(shí)驗(yàn)室通過(guò)運(yùn)用科學(xué)手段分析解決設(shè)備不良帶來(lái)的影響，提升設(shè)備的管理水平和工作效率。