可靠性技術在耦合器插座中的應用

戴銀燕 張樂 崔斌 項永金

摘要：本文主要論述了耦合器插座的失效模式以及提高產品可靠性的分析思路。從質量管理的核心環節——質量控制出發，創建了一個能突破性提高產品質量又無需提高產品生產成本的可靠性質量改善模式。通過匯總分析找出產品使用中最主要的問題點，深入分析，找出問題產生的根本原因，從產品使用可靠性方面對耦合器插座結構進行優化更改。使其更加滿足售后使用環境，達到大幅度降低產品故障率的目的。同時產品的安全性也得到了提高。

關鍵詞：耦合器插座；產品結構；可靠性

DOI：

10.396 9/j.issn.1005-5517.2018.8.015

O 引言

耦合器插座是A公司空調柜機電源專用插座，其安全性較高，旋鈕操作，插頭旋入插座鎖死電源接通，插頭解鎖旋出插座電源斷開，不同于常見的插拔式插座。其在用電安全和防觸電保護方面有很大優勢，因此進一步提高耦合器插座的可靠性意義重大。

本項目從大量售后故障件的分析情況找出影響產品質量的核心故障點，結合用戶實驗使用條件，從設計源頭避免質量問題的發生。

1 可靠性開展策劃

隨著消費者對家電產品品質要求越來越高，擁有高可靠性的產品備受青睞，如何提高產品品質及安全性，依托的基礎則是單個器件具有長壽命、高可靠性。研究耦合器插座，則是基于這一出發點。從單一產品可靠性研究出發，建立一套完整的可靠性分析方法，推廣并運用，從而提高產品整體可靠性。

耦合器插座可靠性研究，充分運用可靠性技術確保設計的適用性及耐久性。在項目過程中，依照可靠性策劃、可靠性分析、可靠性評審開展項目的整體設計，運用故障樹分析、故障模擬、改善效果評估等分析手段保證設計工程的可靠性。

可靠性策劃階段，主要根據項目開展的目的，確認可靠性的定義和可靠性最終需要達到的指標，明確可靠性的要求。可靠性分析階段，首先進行數據的收集分析，利用故障樹分析確定要因，結合關鍵因素及設計相關要素，開展相關數值模擬，并進行驗證，最終確認結構設計的可靠度[1]。依據設計測試結果，不斷更新優化方案，最終整改效果對比評估，長期使用數據跟蹤等評估手段，對設計方案進行修改或確認。設計實施流程圖如圖1所示。

2 用戶使用問題匯總分析

2.1 運用故障樹分析失效類別

2.1.1 數據統計分類

耦合器插座故障不僅影響著空調整機的可靠性，而且直接關系著用戶用電安全，其可靠性提高顯得緊急且重要。而通過相關數據的收集，為成功開展數據分析并評價產品質量提供支撐。通過對該耦合器插座一段時間售后故障原因匯總分析，并根據故障類別進行區分如圖2所示。

排名前兩位的為插不到位燒壞（占比36.8%）及插套變形（22.2%），占總故障的59%；其次為安裝使用不當，占總故障的11.5%；彈跳燒占比10.5%；接線不良占總故障的9.1%。

2.2 故障樹分析

在利用故障樹進行分析前，需梳理失效模式，找到問題發生的末端因素。結合耦合器插座使用情況的特點，我們將故障模式分為兩大類加以梳理和研究：一是無法裝配，插頭旋轉不到位：二是電源打火燒壞。通過提煉及歸納總結，耦合器插座失效故障樹如圖3所示。

通過故障樹分析，可以看出導致耦合器插座失效因素主要有：物料結構缺陷（底座結構、彈簧結構、插套材質、滑塊耐溫）、用戶使用、安裝維修。

從以上分析的末端因素可以看出，對產品可靠性影響較大的是產品結構的缺陷：①通用性不強，與部分電源線配合易出現問題，如硬銅線，鋁線等；②可操作性，該插座為電源插頭與插座旋轉接通電源，但是用戶使用操作時，如未旋轉到位，電源已經接通，會導致接觸面積小出現電源打火，需要在結構上優化，增加可操作性：③售后安裝維修，售后人員技術及工作粗心大意導致，此部分只能通過加強人員管理減少故障的發生。

綜上，為提高產品本身可靠性，需優化結構設計，才能從根本上杜絕問題的發生。

3 可靠性整改方案

3.1 一種限位插套的下殼結構

3.1.1 故障原因分析

經過對一段時間反饋故障的地區統計發現，安徽、河南、河北、山東等地故障率較高，調查各地插座安裝使用的電源線情況，發現河南、安徽、河北等地多使用單股硬銅線，廣東地區多使用多股銅線。

現場調查安徽大部分地區安裝耦合器插座使用的電線為2.5 mm2-3mm2的單芯硬銅線，為方便安裝，一般電源線預留較長，接線后電線就會被彎折后盤在插座后面的墻洞中，如圖4。

結合以上兩個地區差異的調查，發現使用單股硬銅線的地區售后故障普遍偏高。

插套變形主要是因為售后安裝時，客戶家里使用的是單股線，單股線材質硬，走線時插座背部受力，牽扯插套造成插套變形，與電源線插頭配合后，插銷旋轉時滑出插套外沖擊彈簧，造成變形，如圖5。

將耦合器插座接上單芯硬銅線模擬耦合器插座安裝情況，彎折下壓銅線，當銅線彎折角度較大時，往下壓銅線，插套位置偏移（圖6），此時插頭無法插入，松開銅線后恢復原狀（圖7），如圖7所示。

查看耦合器結構，插套和兩側下殼之間間隙較大（圖8），插套不能被固定。當銅線受力時會帶動插套前后移動，插套位置會改變，使插頭無法插入。

3.1.2 可靠性整改方案

從阻止插套移動方式提高產品可靠性，對下殼的結構優化，插套周圍區域增加凸點限制插套移動范圍。整改前，插套兩側無注塑件限位，可移動空間較大（如圖9左），整改后，各電極插套都有注塑件限位（如圖9右）。

3.1.3 可靠性整改效果確認

將整改后制品接上單芯硬銅絲，彎折、拉動銅絲后，整改后制品會出現輕微移動的情況，但是不影響插頭旋入，在各插套位置作限位，限制插套不松動，解決了插套變形、插套開口尺寸及安裝上無法旋轉的問題。

3.2 不入則出的插裝模式

3.2.1 故障原因分析

在耦合器故障中，因插頭插不到位而燒的故障占了所有不良的36.8%，存在的主要原因為客戶使用時插頭未旋轉到位，造成點接觸或局部接觸，長期使用溫度過高，塑料部位熱熔或燒熔（圖10）。由于空調使用人群較復雜，除了在空調安裝時對使用人員進行操作方法的培訓之外，只能通過產品本身結構優化來杜絕此類問題。經過對故障件的分析，只有保持插頭與插座之間的連接處于接通和斷開兩種裝態，即不存在圖10中的臨界狀態，才能避免上述問題的發生。

3.2.2 可靠性改善方案

通過對插座內部結構的研究，可以通過更改拉簧相關尺寸增加拉簧的拉力，當插頭未旋轉到位時，通過拉簧的拉力使插頭回歸初始位置。同時為配合拉簧相關尺寸的更改，改變防護門的結構。實物圖片如圖11所示。

整改后制品插頭和插座之間不會出現半接通狀態，只有斷開和接通狀態。插頭在旋轉過程中受到彈簧的回拉力，如果插頭的解鎖鈕未旋轉插座接通凹槽內，會被彈簧的拉力拉回，此時插頭與插座處于斷開狀態。如果插頭的解鎖鈕旋轉到插座接通凹槽內，插頭與插座正常接通，由于插座凹槽的阻礙，此時插頭受到回拉的力也不會被拉回。

3.3 一種適用多材質導體的新型插套

3.3.1 故障調查

在售后返回32A耦合器插座中，發現大量插座接線位置燒熔，上面還殘留有鋁線熔融到一起。故障機器集中在H省，而其他省份較少。經調查H省農村地區大量使用鋁線作為建筑布線，而其他省份一般使用銅線，銅線基本無同類故障反饋。

3.3.2 原因分析

客戶家里連接插座的導線為鋁線，而插座插套材質為銅，由于銅、鋁的彈性模量和熱膨脹系數相差很大，多次通電后，導體連接處的接觸電阻變大。實物如圖12所示。

3.3.3 可靠性整改方案

銅鋁電氣連接的問題在電力行業已經有成熟的研究，一般行業內有以下解決方法：

1）銅導體表面鍍錫或鍍銀；

2）銅鋁導體接觸面墊入鋅片：

3）銅鋁導體接觸面涂導電膏，也叫電力脂；

4）使用銅鋁過渡設備線夾[2]。

對比上述四種方案，2）和4）對空調安裝來說，不易防呆和受控，經過試驗驗證方案1）是最佳方案。因錫和鋁的膨脹系數和彈性模量比較接近，理論和實際驗證得出鍍錫的方案最優。

3.3.4 可靠性效果確認

通過以上實驗驗證，插套鍍錫方式從可操作性及質量改善方面是最優的方案，該種結構產品已經批量使用，通過實際使用情況來看插套燒熔問題得到了很大的改善。

4 總結

耦合器插座可靠性研究與應用，在整個家用電器領域及制造行業內具有廣泛的可推廣性，研究思路及方法可適用于各行業電子元器件、電器件等產品開發設計的改進與提高。對制造型企業強化產品質量控制，提高產品質量水平，具有十分重要的推廣和借鑒作用。

參考文獻：

[1]陳逵電子元器件失效分析的常用技術手段及應用大科技，2013（6）

[2]蔣寒薇居室環境中電源插座設計研究中南林業科技大學，2015-05-01