吳英明,張威,盧葦,鐘綠草
(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)
熱泵烘干系統(tǒng)由于烘干溫度低、控溫準(zhǔn)確、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn),已逐步推廣應(yīng)用在家用洗護(hù)機(jī)產(chǎn)品,但由于衣物洗滌、烘干過程中會(huì)對(duì)衣物磨損產(chǎn)生毛屑,解決毛屑清洗問題尤為重要。徐加信[1]等人對(duì)洗烘一體機(jī)冷凝器毛屑自清潔功能進(jìn)行研究;秦瓊[2]對(duì)熱泵技術(shù)在家用干衣機(jī)上的應(yīng)用進(jìn)行研究,從熱泵的特性、家用干衣機(jī)的節(jié)能需求分析入手, 闡述了熱泵技術(shù)在家用干衣機(jī)上應(yīng)用的可行性、可靠性。但由于熱泵洗護(hù)機(jī)內(nèi)部烘干系統(tǒng)工作環(huán)境復(fù)雜惡劣,容易因其烘干毛屑過濾網(wǎng)自清潔失效而引起整機(jī)烘干失效問題。因此,熱泵洗護(hù)機(jī)濾網(wǎng)自清潔功能可靠性是目前亟待解決的問題。米廷燦[3]對(duì)熱泵干衣機(jī)專用壓縮機(jī)進(jìn)行研究,制定了適合熱泵干衣機(jī)的可靠性考核方案,并執(zhí)行壽命考核。李良巧[4]等對(duì)可靠性設(shè)計(jì)方法進(jìn)行詳細(xì)論述,胡湘洪[5]等對(duì)可靠性實(shí)驗(yàn)理論進(jìn)行詳細(xì)論述。通過以上文獻(xiàn)研究,本文提出應(yīng)用可靠性摸底實(shí)驗(yàn)分析確認(rèn),并結(jié)合可靠性強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)(RET)和故障樹分析(FTA)對(duì)其濾網(wǎng)自清潔功能失效機(jī)理進(jìn)行分析,確認(rèn)故障原因,進(jìn)而進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。
熱泵洗護(hù)機(jī)是一種滾筒式洗護(hù)一體機(jī),一般由滾筒洗衣機(jī)系統(tǒng)、熱泵烘干系統(tǒng)及蒸汽發(fā)生裝置組成,滾筒洗衣機(jī)外筒與熱泵烘干系統(tǒng)通過橡膠軟管進(jìn)行連接如圖1所示。利用熱泵除濕原理實(shí)現(xiàn)對(duì)潮濕衣物的烘干,但熱泵烘干過程中無法規(guī)避衣物磨損產(chǎn)生的毛屑在空氣循環(huán)作用下對(duì)兩器堆積的問題。因此,需要在熱泵烘干系統(tǒng)與橡膠軟管連接處設(shè)有線屑過濾網(wǎng),以隔絕毛屑對(duì)烘干系統(tǒng)臟堵的影響。
圖1 熱泵洗護(hù)機(jī)系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)
熱泵洗護(hù)機(jī)是駐立式家電機(jī)器,其過濾網(wǎng)為內(nèi)置于封閉式系統(tǒng)中,任務(wù)剖面的環(huán)境應(yīng)力因素有溫度應(yīng)力、電壓應(yīng)力、水壓應(yīng)力等多綜合應(yīng)力剖面,因?yàn)V網(wǎng)內(nèi)置于熱泵系統(tǒng)中,與外部隔絕,影響濾網(wǎng)自清潔功能可靠性的應(yīng)力條件主要有電壓應(yīng)力、水壓應(yīng)力等應(yīng)力條件。結(jié)合洗護(hù)機(jī)的使用環(huán)境應(yīng)力和用戶實(shí)際使用條件建立濾網(wǎng)自清潔功能可靠性摸底實(shí)驗(yàn)剖面,并為可靠性強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)(RET)提供數(shù)據(jù)依據(jù)。
可靠性強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)(RET)是指為暴露產(chǎn)品薄弱環(huán)節(jié),有計(jì)劃、有目標(biāo)地對(duì)產(chǎn)品施加模擬實(shí)際環(huán)境的綜合環(huán)境應(yīng)力及工作應(yīng)力,以激發(fā)故障,分析故障和改進(jìn)設(shè)計(jì)與工藝,并驗(yàn)證改進(jìn)措施有效性的而進(jìn)行的試驗(yàn)[6]。
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[7]。結(jié)合濾網(wǎng)自清潔功能可靠性理論分析,對(duì)熱泵洗護(hù)機(jī)的濾網(wǎng)自清潔功能可靠性進(jìn)行驗(yàn)證分析,分析影響濾網(wǎng)自清潔功能的失效因素和故障機(jī)理,進(jìn)行可靠性提升和優(yōu)化設(shè)計(jì),提升熱泵洗護(hù)機(jī)的濾網(wǎng)自清潔功能可靠性。
根據(jù)用戶家中洗護(hù)機(jī)實(shí)際使用環(huán)境條件,結(jié)合溫度應(yīng)力、電壓應(yīng)力、水壓應(yīng)力,模擬用戶日常使用烘干功能的情況,選取27臺(tái)熱泵洗護(hù)機(jī)設(shè)置5組試驗(yàn)條件,每項(xiàng)試驗(yàn)單獨(dú)進(jìn)行,記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。依據(jù)GB/T 4288-2018家用和類似用途電動(dòng)洗衣機(jī)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,洗衣機(jī)的工作條件要求:環(huán)境溫度為(0~40)℃、單相額定電壓不超過250 V,根據(jù)用戶家中實(shí)際環(huán)境設(shè)定摸底實(shí)驗(yàn)應(yīng)力如表1,可靠性摸底實(shí)驗(yàn)交變應(yīng)力實(shí)驗(yàn)剖面圖如圖2。
圖2 可靠性摸底實(shí)驗(yàn)交變應(yīng)力實(shí)驗(yàn)剖面圖
表1 實(shí)驗(yàn)應(yīng)力條件設(shè)置
根據(jù)可靠性摸底試驗(yàn)結(jié)果(表2)和對(duì)濾網(wǎng)進(jìn)行拆機(jī)檢查,識(shí)別出10 ℃工況未出現(xiàn)烘干異?,F(xiàn)象,溫度應(yīng)力(38 ℃、25 ℃)和電應(yīng)力(220 V、242 V)對(duì)結(jié)果影響不顯著。可靠性摸底試驗(yàn)出現(xiàn)的烘干異常和過濾網(wǎng)臟堵問題(圖3),經(jīng)過可靠性摸底試驗(yàn)識(shí)別判斷:低電壓、低水壓、單個(gè)周期沖洗次數(shù)對(duì)激發(fā)故障作用顯著,其它試驗(yàn)條件對(duì)故障的激發(fā)作用不顯著。
圖3 可靠性摸底實(shí)驗(yàn)過濾網(wǎng)臟堵圖
表2 可靠性摸底實(shí)驗(yàn)結(jié)果
可靠性摸底驗(yàn)證共出現(xiàn)9臺(tái)故障樣機(jī),根據(jù)測(cè)試現(xiàn)象和濾網(wǎng)拆機(jī)檢查的臟堵情況分析,經(jīng)過故障時(shí)間統(tǒng)計(jì)換算,9臺(tái)故障樣機(jī)的失效時(shí)間分別為243.5 h、481.6 h、241.7 h、483.7 h、246.6 h、487.1 h、1438.6 h、1445.3 h、1443.7 h。
根據(jù)平均失效前時(shí)間(MTTF)定義:在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)品壽命單位總數(shù)與失效產(chǎn)品總數(shù)之比。
根據(jù)可靠性摸底試驗(yàn)識(shí)別出的低電壓、低水壓、單個(gè)周期沖洗次數(shù)三個(gè)應(yīng)力條件,開展可靠性強(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,摸索出三個(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)品可靠性故障的目的,將平均失效前時(shí)間MTTF縮短至350 h以內(nèi)。根據(jù)識(shí)別出的低電壓、低水壓、單個(gè)周期沖洗次數(shù)三個(gè)應(yīng)力條件,對(duì)此進(jìn)行逐步強(qiáng)化,確定強(qiáng)化條件??煽啃詮?qiáng)化實(shí)驗(yàn)步進(jìn)應(yīng)力剖面圖如圖4。
圖4 可靠性強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)步進(jìn)應(yīng)力剖面圖
設(shè)定起始電壓為187 V,基準(zhǔn)沖洗次數(shù)為1次/周期,基準(zhǔn)水壓為0.24 Mpa,穩(wěn)定運(yùn)行240 min后觀察測(cè)試曲線運(yùn)行狀態(tài),記錄熱泵洗護(hù)機(jī)烘干運(yùn)行和過濾網(wǎng)臟堵情況。正常則將電壓再降3 V、水壓再降0.035 Mpa,穩(wěn)定后運(yùn)行240 min,記錄具體情況,直至熱泵洗護(hù)機(jī)烘干運(yùn)行異常、過濾網(wǎng)出現(xiàn)臟堵,此為電壓、水壓應(yīng)力的工作極限。再將電壓、水壓逐漸下降直到熱泵洗護(hù)機(jī)無法正常烘干, 則此電壓、水壓為低壓破壞極限。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,確定沖洗次數(shù)為1次/周期的條件下,電壓應(yīng)力的破壞極限為165 V、水壓的破壞極限為0.03 Mpa。
基準(zhǔn)沖洗次數(shù)為1次/周期,電壓為187 V,初始運(yùn)行維持240 min,完成后檢查熱泵洗護(hù)機(jī)烘干運(yùn)行和濾網(wǎng)臟堵情況。正常則將基準(zhǔn)沖洗次數(shù)增加2次/周期,保持240 min,記錄具體情況,直至熱泵洗護(hù)機(jī)烘干運(yùn)行異常、過濾網(wǎng)出現(xiàn)臟堵,將熱泵洗護(hù)機(jī)狀態(tài)恢復(fù)施加沖洗次數(shù)步進(jìn)應(yīng)力, 觀察狀態(tài)是否正常,若無異常,將當(dāng)前數(shù)值記為沖洗次數(shù)工作極限;再增加直至熱泵洗護(hù)機(jī)無法正常烘干, 則此次數(shù)為沖洗次數(shù)的破壞極限。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,確定電壓165 V、水壓0.03 Mpa件下,沖洗次數(shù)應(yīng)力的破壞極限(過濾網(wǎng)毛屑無法沖洗,堵死)為5次/周期。
根據(jù)3.1可靠性摸底實(shí)驗(yàn)和3.2可靠性強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)分析,制定過濾網(wǎng)自清潔功能可靠性強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)剖面(圖5)。工況方案設(shè)計(jì)見表3。
圖5 可靠性強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)綜合應(yīng)力試驗(yàn)剖面
表3 可靠性強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)方案工況設(shè)計(jì)
通過設(shè)計(jì)的3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=(450.3+455.2+460.7+380.1+386.3+383.5+390.1+376.8+230.5+235.6+233.7+24 1.5+244.6+237.5+239.4+246.4+250.1)h/17=320.14 h。從試驗(yàn)結(jié)果中可以看出C組由于施加應(yīng)力較為嚴(yán)苛導(dǎo)致熱泵洗護(hù)機(jī)出現(xiàn)無法正常烘干、過濾網(wǎng)臟堵和壓縮機(jī)故障的情況,C組綜合應(yīng)力故障暴露相對(duì)較快且便于識(shí)別故障,其MTTF =(230.5+235.6+233.7+2 41.5+244.6+237.5+239.4+246.4+250.1)/9=239.9 h。因此根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析情況綜合考慮選取(165~176)V電壓應(yīng)力、(0.03~0.1)Mpa水壓應(yīng)力、5次沖洗應(yīng)力作為篩選故障的試驗(yàn)條件。
理論上,低電壓和低水壓工作極限試驗(yàn)條件配合會(huì)更快暴露故障,實(shí)際實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)低電壓主要影響烘干系統(tǒng)的烘干效率,通過試驗(yàn)現(xiàn)象對(duì)比顯示這兩個(gè)試驗(yàn)應(yīng)力條件存在耦合作用。經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和結(jié)果分析,發(fā)現(xiàn)低電壓(176 V)、低水壓(0.03 Mpa)的工作極限配合沖洗應(yīng)力(5次)的破壞極限這三種條件,可以更快速的激發(fā)樣機(jī)故障,也為后續(xù)失效分析和可靠性提升提供了思路。
經(jīng)過可靠性摸底試驗(yàn)、可靠性強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)分析得出熱泵洗護(hù)機(jī)烘干故障模式主要是烘干異常、過濾網(wǎng)臟堵、壓縮機(jī)故障,且烘干異常與壓縮機(jī)故障為關(guān)聯(lián)故障,烘干異常主要由過濾網(wǎng)臟堵導(dǎo)致。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,濾網(wǎng)自清潔功能可靠性強(qiáng)化提升的FTA頂事件為樣機(jī)烘干異常。
根據(jù)熱泵系統(tǒng)及濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),對(duì)可能造成烘干期間壓縮機(jī)故障及濾網(wǎng)自清潔功能失效的影響因素進(jìn)行故障樹分析。
排除過濾網(wǎng)裝配脫出導(dǎo)致失效問題,若濾網(wǎng)自清潔功能失效,烘干系統(tǒng)運(yùn)行過程會(huì)出現(xiàn)烘干時(shí)間加長(zhǎng)現(xiàn)象,同時(shí)伴隨壓縮機(jī)長(zhǎng)時(shí)間工作的高頻噪音增大,直至程序結(jié)束后出現(xiàn)衣物含水率超標(biāo)問題,主要原因分為濾網(wǎng)臟堵失效、濾網(wǎng)沖洗功能失效兩類,研究方向?qū)⒓性跒V網(wǎng)自清潔方案合理性。
根據(jù)上述理論,將烘干功能異常作為頂事件,電壓過低、壓縮機(jī)系統(tǒng)故障、過濾網(wǎng)臟堵作為中間事件,運(yùn)用相應(yīng)的邏輯門符號(hào)與頂事件相連接;對(duì)中間事件故障深入分析,逐層列出底事件,得出過濾網(wǎng)自清潔功能失效的故障樹分析圖(圖6)。
圖6 故障數(shù)分析圖
對(duì)故障樹使用下行法計(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}、{X1,X2,X10}、{X1,X2,X11}
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9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為試驗(yàn)條件,在實(shí)際情況中為不可控條件;事件X2為零部件自身原因,在實(shí)際情況中為可控條件,只需按零部件出廠要求進(jìn)行管控即可避免事件X2引起的故障原因;故需要從其它底事件中進(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-X11中,根據(jù)實(shí)際情況分析,X5、X6事件,目前大部分家庭用水水壓處于正常范圍,排除這兩個(gè)底事件造成的烘干失效;X8、X9、X10和X11事件,有相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)范要求,兩種材質(zhì)和兩種目數(shù)均為行業(yè)通用,排除這四個(gè)底事件;X7事件為非正常條件,根據(jù)正常沖洗物理原理,水壓大則可以提升單次沖洗率,水壓小則反之,X7事件為加速條件,非根本原因;綜合上述分析底事件為X3 (沖洗次數(shù))和X9(沖洗時(shí)間)。經(jīng)FTA分析可知影響烘干功能及過濾網(wǎng)自清潔功能可靠性的的主要因素為單個(gè)周期過濾網(wǎng)沖洗次數(shù)和沖洗時(shí)間不合理導(dǎo)致過濾網(wǎng)產(chǎn)生水膜,單個(gè)烘干周期結(jié)束后,水膜對(duì)下個(gè)烘干周期產(chǎn)生的毛屑具有粘附作用,導(dǎo)致長(zhǎng)期過濾網(wǎng)臟堵,最終導(dǎo)致過濾網(wǎng)自清潔功能失效。對(duì)這兩個(gè)因素進(jìn)行改進(jìn)可有效提高熱泵洗護(hù)及過濾網(wǎng)自清潔功能可靠性。
根據(jù)可靠性強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)測(cè)得過濾網(wǎng)自清潔功能工作極限為(165~176)V電壓應(yīng)力、(0.03~0.1)Mpa水壓應(yīng)力、5次沖洗應(yīng)力,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)得新狀態(tài)下的過濾網(wǎng)自清潔功能可靠的工作極限。因用戶者家中(165~176)V電壓已可代表正常生活狀態(tài)下的電壓極限,同理(0.03~0.1)Mpa水壓亦可代表正常生活狀態(tài)下的水壓極限,故將單個(gè)周期過濾網(wǎng)沖洗次數(shù)作為強(qiáng)化因子,其它因素保持不變。
可靠性提升方案及效果:
方案一:沖洗次數(shù)(3個(gè)烘干周期沖洗1次)、單次沖洗時(shí)間(60 s)、壓縮機(jī)控制(無);
改進(jìn)效果:MTTF=2 889.5 h,模擬用戶使用約1年出現(xiàn)自清潔失效。
方案二:沖洗次數(shù)(5個(gè)烘干周期沖洗1次)、單次沖洗時(shí)間(60 s)、壓縮機(jī)控制(無);
改進(jìn)效果:MTTF=5 280.5 h,模擬用戶使用約2年出現(xiàn)自清潔失效。
方案三:沖洗次數(shù)(根據(jù)壓縮機(jī)控制自動(dòng)判堵,達(dá)到自動(dòng)判堵條件后沖洗1次)、單次沖洗時(shí)間(60 s)、壓縮機(jī)控制(①烘干運(yùn)行至壓縮機(jī)開啟6 min后,當(dāng)68.5 ℃≤T冷凝<70.5 ℃時(shí),若檢測(cè)到63 ℃≤T進(jìn)風(fēng)、3 ℃<T排氣—T冷凝≤9 ℃;②烘干運(yùn)行至壓縮機(jī)開啟8 min后,當(dāng)T冷凝≥71 ℃時(shí),若檢測(cè)到3 ℃<T排氣—T冷凝≤11 ℃);
改進(jìn)效果:無異常,滿足熱泵洗護(hù)機(jī)設(shè)計(jì)壽命十年要求。
按改進(jìn)的三個(gè)方案分別進(jìn)行3個(gè)實(shí)驗(yàn),方案一、方案二自清潔功能效果起到短期提升作用,方案一能滿足約一年時(shí)間未出現(xiàn)烘干異?,F(xiàn)象,方案二能滿足約兩年時(shí)間未出現(xiàn)烘干異常現(xiàn)象。由此得出,對(duì)過濾網(wǎng)頻繁進(jìn)行沖洗,會(huì)導(dǎo)致過濾網(wǎng)處于潮濕狀態(tài),易產(chǎn)生水膜,加速毛屑臟堵的速度。經(jīng)過設(shè)計(jì)方案改進(jìn)后,將沖洗次數(shù)根據(jù)壓縮機(jī)控制自動(dòng)判堵,達(dá)到自動(dòng)判堵后沖洗1次(按額定烘干容量全載6 kg工況,約15周期清洗1次;按額定烘干容量半載3 kg工況,約30周期清洗1次)。方案三過濾網(wǎng)自清潔功能可靠性得到顯著提升,相同試驗(yàn)條件下,滿足熱泵洗護(hù)機(jī)設(shè)計(jì)壽命十年要求,遠(yuǎn)高于原狀態(tài)的自清潔方案的MTTF,自清潔功能可靠性提升后過濾網(wǎng)清洗效果圖見圖7。
圖7 自清潔功能可靠性提升后過濾網(wǎng)清洗效果圖
1)通過結(jié)合熱泵洗護(hù)機(jī)產(chǎn)品實(shí)際使用環(huán)境,對(duì)熱泵洗護(hù)機(jī)過濾網(wǎng)自清潔功能進(jìn)行可靠性摸底試驗(yàn)和強(qiáng)化試驗(yàn)。對(duì)摸底和強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析,確定過濾網(wǎng)自清潔功能可靠性影響因素,并通過建立其失效故障樹,分析烘干異常的主要原因由于沖洗次數(shù)、沖洗時(shí)間不合理引起。最終通過制定可靠性提升方案,進(jìn)而提升濾網(wǎng)自清潔功能的平均失效前時(shí)間(MTTF)。
2)針對(duì)熱泵洗護(hù)機(jī)濾網(wǎng)自清潔可靠性差、烘干異常問題,采用可靠性理論對(duì)過濾網(wǎng)自清潔功能進(jìn)行研究,研究?jī)?nèi)容為過濾網(wǎng)自清潔方案優(yōu)化提供了理論基礎(chǔ),研究方案提升了濾網(wǎng)自清潔功能的長(zhǎng)期可靠性。
3)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,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[9]。旨在提高產(chǎn)品的使用可靠性,降低售后故障率,減少維修費(fèi)用,提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力,同時(shí)為企業(yè)帶來效益。