基于RET的門封系統可靠性研究與應用

張威，周月飛，舒宏，張詠，張宇

（空調設備及系統運行節能國家重點實驗室，珠海 519070）

引言

可靠性強化試驗（Reliability Enhancement Testing，簡稱：RET）是通過系統地施加逐步增大的環境應力和工作應力[1]，對產品施加超過設計規范的極限應力，在確保不改變產品失效機理的前提下快速激發和暴露產品設計的潛在缺陷，以便于設計改進，從而提高產品可靠性，使產品設計得更為“健壯”[2]。目前已經在國內開始逐步應用于產品研發中并取得明顯效果，隨著消費者對可靠性需求的提升，具有試驗周期短、費用低、暴露的問題多等優點[3,4]的可靠性強化試驗將會在民用家電領域得到充分研究和應用。

門封系統關乎冰箱制冷和保溫性能，其長期使用可靠性直接影響客戶的使用滿意度。通過對開門冰箱售后故障數據調研分析和故障樣機返廠拆解，發現對開門冰箱故障率較高的是門封系統故障導致的漏冷和結冰問題，主要原因是客戶反饋門封條出現下塌現象。因此有必要對新開發的對開門冰箱進行可靠性強化，解決設計薄弱環節，提高使用可靠性。

陳利欽[5]等對可靠性強化機理及模型進行分析，并對試驗應力進行研究；任德潔[6]等對可靠性強化應力—強度模型進行分析并提出試驗步驟和效果；姚軍[7]等利用可靠性強化試驗數據計算出可靠度公式，將定量分析引入到強化試驗中；潘新祥[8]、朱朝軒[9]等結合理論分析，將可靠性強化應用到軍用電子產品中。

雖然前人已經做了一些相關的研究工作，但對冰箱門封系統應用可靠性強化技術的研究內容較少，本文通過分析研究門封系統的極限應力，建立綜合試驗剖面，并經過FTA故障分析和可靠性試驗驗證，分析導致門封系統故障的主要因素，提出設計改進方案，從而解決門封系統故障問題。

1 可靠性摸底試驗

1.1 可靠性摸底試驗方案

以某對開門冰箱為研究載體，其結構為左冷凍右冷藏，由于電應力不影響冰箱門封系統的使用可靠性，濕度對門封系統使用可靠性影響不顯著，因此基于用戶的實際生活環境和使用條件分別設定模擬使用開關門、高低溫度兩組應力條件：

1）開關門次數設定：保持其他試驗因素不變，為盡快激發故障，開關門次數初始設置為120次/24 h；若無異常，按步長60次/24 h增加；

2）環境溫度：根據用戶冰箱使用所處的環境溫度，分別設定為38 ℃、32 ℃、25 ℃、10 ℃。

1.2 試驗剖面建立

基于摸底試驗方案，建立如圖1的應力試驗剖面圖，并選擇12臺對開門冰箱進行驗證。

圖1 溫度交變和開關門交變應力試驗剖面圖

1.3 可靠性摸底試驗結果

門封系統可靠性摸底試驗后樣機門封系統故障現象的樣機有5臺，其具體結果如表1，高環溫（32～38 ℃）和開關門（120～240次/24 h）對激發門封系統故障作用關鍵且顯著，其余試驗條件對故障的激發作用不明顯。

表1 可靠性摸底試驗后門封系統故障現象

2 可靠性強化試驗

2.1 工作極限和破壞極限

2.1.1 高溫步進應力試驗剖面圖和應力破壞極限

基于可靠性摸底試驗發現高環溫是門封系統故障的主要應力條件建立如圖2試驗剖面圖，設定起始溫度為32 ℃，基準開關門次數為120次/24 h，穩定后保溫300 min，觀察并記錄門封系統狀態，正常則將溫度再升5 ℃，穩定后保溫300 min，記錄門封系統狀態，直至門封系統發生故障，此為高溫應力的工作極限。再將溫度逐漸上升直到冰箱無法使用, 則此溫度為高溫破壞極限，經過驗證確定開關門次數為120次/24條件下，溫度應力的破壞極限為53 ℃。

圖2 高溫步進應力試驗剖面圖

2.1.2 開關門步進應力試驗剖面圖和應力破壞極限

基于可靠性摸底試驗發現開關門是門封系統故障的主要應力條件建立如圖3試驗剖面圖，開關門初始次數設置為120次/24 h，基準環溫為32 ℃，初始開門維持5 min，完成后檢查門封系統狀態。正常則將開門次數增加40次，保持5 min，記錄門封系統狀態，直至發生門封系統狀態異常，將門封狀態手動恢復施加開關門步進應力, 觀察門封狀態是否正常, 若門封系統狀態無異常, 將先前數值記為開關門工作極限； 再增加開關門次數直至冰箱無法使用，則此次數為開關門應力的破壞極限，經過驗證確定32 ℃環溫條件下，開關門應力的破壞極限為240次/24 h。

圖3 開關門應力試驗剖面圖

2.2 可靠性強化綜合應力試驗剖面圖

在可靠性摸底試驗過程和結果中發現高溫應力和開關門應力存在一定的相互耦合作用，即兩種應力在共同作用條件下會得到加強，因此基于高溫和開關門工作極限和破壞極限，建立如圖4和圖5所示的綜合應力試驗剖面圖，設定高溫下限32 ℃，高溫上限53 ℃，開關門次數分別為120次、160次、200次、240次，設定A、B、C、D共4組試驗對象，分為4個循環（1個開門應力與1個溫度應力構成1個循環，在每個循環的開始前施加開關門應力）。

圖4 A組和B組溫度與開關門綜合應力試驗剖面圖

圖5 C組和D組溫度與開關門綜合應力試驗剖面圖

2.3 可靠性強化試驗結果

結合可靠性強化試驗綜合應力試驗剖面圖，對A、B、C、D四組試驗對象進行驗證，具體試驗結果如表2所示，其平均失效前時間：

表2 可靠性強化試驗結果

其中C組可靠性強化試驗：

考慮到C組應力搭配故障暴露更快且未出現改變產品機理性故障，因此綜合考慮選取（42～47）℃溫度應力、240次/24 h開關門應力作為篩選故障的試驗條件。

3 FTA故障分析

根據對開門冰箱結構，與門封條下塌現象相關聯部件為門封條本身和固定門封條的門膽結構，對此進行FTA分析，故障樹建立如圖6所示，

圖6 門封條下塌FTA故障樹分析

頂事件T=X1X2M1=X1X2（M2+M3）=X1X2（X3+M4+ M5+M6）=X1X2（X3+X4+X5+X6+X7+X8+X9+ X10）=X1 X2X3+X1X2X4+X1X2X5+X1X2X6+X1X2X7+X1X2X8+X1 X2X9+X1X2X10

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}

底事件中X1,X2在最小割集中出現頻次均為8次，均為最重要底事件。但X1,X2均為使用環境條件，在實際情況中均為不可控條件。 底事件X3-X10中，根據實際生產情況及來料狀態排查X5，X6，X7，X8，X9，X10五個底事件均為極小概率事件，且綜合評估改進效果不明顯，因此確認需改進的底事件為X3（膽槽結構固定性差）和X4（門封條硬度變化率大）。

4 設計改進

經FTA故障分析可知影響門封條下塌的主要因素為門封條硬度變化率大和門膽膽槽固定性差，其中硬度變化率影響門封條的軟化程度，膽槽結構尺寸影響門封條的固定強度。

1）門封條硬度變化率大

目前對開門冰箱使用的門封條為PVC材質（硬度變化率在20左右），耐高低溫能力較差，因此我們考慮選擇具有高彈性、高強度、耐油性、耐老化等優點的TPE材質[10]的門封條（硬度變化率在16左右）來代替現有的PVC門封條。

2）門膽膽槽固定性差

對門膽膽槽結構進行分析，膽槽拐角處具有鋸齒結構，但根據試驗狀態，僅具有一定防止松脫的作用。理論上膽槽尺寸越小，固定性越好，因此通過對門封條寬度和安裝情況分析，綜合考慮對拐角處膽槽的設計尺寸從6.8 mm調整到5.4 mm。

5 可靠性試驗驗證

針對設計改進后的門封條和門膽膽槽尺寸，重新按照表2中C組試驗條件進行可靠性驗證，發現在相同試驗條件下，改進后的門封系統狀態試驗后下塌現象明顯好轉且平均失效前時間MTTF從10.3 h提升到48.3 h，試驗結果表明相對于原狀態，新狀態門封系統可靠性得到顯著提升。

6 結論

通過對門封系統建立綜合應力試驗剖面進行可靠性強化試驗和FTA故障分析，找出影響門封條下塌的關鍵影響因素，從而提出設計改進方向，提高門封系統的長期使用可靠性。

1）可靠性強化試驗屬于激發類試驗，采用應力水平遠高于正常使用環境的應力進行試驗，快速激發產品潛在缺陷，通過原因分析、故障模式分析和改進措施來消除缺陷，可以在短時間內有效解決產品設計開發階段無法模擬真實使用環境帶來的試驗結果有效性問題。改變了傳統可靠性試驗周期長、效率低和費用高的弊端，加快產品研發周期，提高產品質量和使用可靠性。

2）可靠性強化試驗需要對施加的應力條件進行充分驗證并合適選擇，要以盡可能高的應力水平來確保試驗既能高效暴露全部產品缺陷，又不改變產品的故障機理。

3）通過可靠性強化試驗對冰箱門封系統進行“試驗—分析—改進—再試驗”，識別出導致門封下塌的主要原因是門封條硬度變化率大和門膽膽槽設計尺寸大，設計方案將對門封條更改為TPE材質、膽槽設計尺寸下調有效解決了門封條下塌問題，降低售后故障率，同時通過可靠性強化試驗對門封系統的設計改進，使對開門冰箱門封系統可靠性得到大幅度提升。