基于可靠性理論風冷冰箱化霜可靠性研究與應用

張詠，周月飛，舒宏，張威

（空調設備及系統運行節能國家重點實驗室，珠海 519070）

引言

風冷冰箱的化霜影響因素較多，蒸發器腔室溫度過低，正常制冷蒸發器腔室溫度可達-38 ℃，化霜時蒸發器腔室溫度可達12 ℃，此時冷凍室溫度仍在-15 ℃以下，受冷熱交互因素、風口漏冷等多方面影響，風冷冰箱化霜可靠性設計和化霜可靠性驗證尤為重要，胡湘洪[1]等對可靠性實驗理論進行詳細論述，楊學印[2]等對可靠性強化實驗的工程實踐進行研究，基于上述可靠性理論進行風冷冰箱化霜可靠性實驗設計，分析故障機理進而進行改進設計，提高風冷冰箱的化霜可靠性。

1 理論分析

1.1 可靠性實驗理論分析

風冷冰箱是地面固定設備，其任務剖面的環境應力因素有溫度應力、濕度應力、開關門應力、電壓應力、振動用力等多綜合應力剖面，影響冰箱化霜的應力條件主要有環境溫度、環境濕度、開關門應力電壓應力等應力條件[3]。結合冰箱的環境應力剖面和風冷冰箱的實際用戶使用條件建立風冷冰箱可靠性摸底驗證實驗剖面可以對風冷冰箱的化霜可靠性失效進行初步摸底驗證，并為可靠性強化實驗（RET）提供數據基礎，對發現產品的早期設計失效起到關鍵作用。

可靠性強化試驗（RET）是指通過系統地施加逐步增大的環境應力和工作應力，激發和暴露產品設計中的薄弱環節，以便改進設計和工藝，提高產品可靠性的試驗，目的是使產品的可靠性不斷提高，使產品耐環境能力也得到提高[4]。可靠性強化實驗（RET）使用高環境應力對產品早期設計缺陷進行激發，并進行故障分析和設計改進，完善早期產品設計薄弱環節，提高產品的耐受極限，達到提高產品功能可靠性目的。

1.2 故障樹（FTA）理論分析

故障樹分析以故障為分析源，從故障發生推導導致故障發生的因素，使用倒推法找到導致故障發生的不可分解因素，進行故障原因的鎖定，進而改善故障因子，避免故障的發生，故障樹（FTA）分析法從故障發生的頂事件向原因方面建立圖形分析，進行樹形圖分解，故障樹的構建是故障分析法的關鍵[5]。結合可靠性實驗理論分析，對風冷冰箱的化霜可靠性驗證分析，分析影響化霜的失效因素和產品的平均失效前時間（MTTF），確定實驗驗證剖面，分析故障機理，進行可靠性提升和設計改進，提高風冷冰箱的化霜可靠性。

2 實驗設計及結果分析改進

2.1 可靠性摸底實驗設計及結果分析

根據用戶家中冰箱實際使用工況條件，結合溫度、濕度、電壓、模擬用戶頻繁使用開關門的條件要求（見表1），選取36臺冰箱設置4組試驗條件，每項試驗單獨進行，嚴格按照測試方案進行檢測，記錄試驗數據。

表1 實驗應力條件設置

使用可靠性摸底應力實驗剖面圖（如圖1、圖2）測試結果如表2。風口結冰圖如圖3。

圖3 風口結冰圖

圖1 溫度應力、濕度應力、開關門應力交變應力實驗剖面圖

圖2 電壓交變應力實驗剖面圖

根據可靠性摸底試驗結果，識別出25 ℃、10 ℃未出現異常現象，綜合濕度應力（75 %、60 %、45 %）和電應力（187 V、220 V、242 V）對結果影響不顯著。可靠性摸底試驗出現的制冷異常和風口結冰問題經過識別判斷：高環溫、開關門對激發故障作用關鍵且顯著，其他試驗條件對故障的激發作用不顯著。

此次驗證共出現9臺故障樣機，根據測試結果和實驗室曲線采集分析，經過統計換算，9臺故障樣機的失效時間分別為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，產品經過可靠性摸底驗證平均失效前時間：

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

MTTF—平均失效間隔時間，單位h。

2.2 可靠性強化實驗設計及結果分析

2.2.1 可靠性強化實驗破壞極限確認

根據可靠性摸底試驗識別出的高環溫、開關門兩個應力條件，開展可靠性強化試驗，逐步增強試驗條件，不斷地加速激發產品的潛在缺陷，摸索出兩個應力條件對故障的工作極限，從而實現準確地暴露產品可靠性故障的目標，將平均失效前時間MTTF縮短至24 h以內。根據識別出的溫度和開關門兩個應力條件，對此進行逐步強化，確定強化條件（如圖4）。

圖4 高溫步進應力、開關門應力步進剖面圖

設定起始溫度為32 ℃，基準開關門次數為120次/日，穩定后保溫300 min，觀察測試曲線運行狀態，記錄冰箱制冷運行和風門結冰情況。正常則將溫度再升4 ℃，穩定后保溫300 min，記錄具體情況，直至冰箱制冷運行異常、風門出現結冰，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。根據試驗結果，確定開關門次數為120次/日的條件下，溫度應力的破壞極限為48 ℃。

初始次數設置為120次，環溫為32 ℃，初始開門維持5 min，完成后檢查冰箱制冷運行和風門結冰情況。正常則將開門次數增加40次，保持5 min，記錄具體情況，

直至冰箱制冷運行異常、風門出現結冰，將冰箱狀態恢復施加開關門步進應力， 觀察狀態是否正常；若無異常， 將先前數值記為開關門工作極限；再增加直至整機冰箱無法使用，則此次數為開關門應力的破壞極限。根據試驗結果，確定32 ℃溫度條件下，開關門應力的破壞（風門結冰堵死）極限為240次/日。

2.2.2 可靠性強化實驗剖面設計

結合可靠性摸底實驗結果和高環溫和開關門工作極限試驗條件分析，制定可靠性強化實驗剖面（如圖5、圖6）。可靠性強化實驗方案工況設計見表3。

表3 可靠性強化實驗方案工況設計

圖5 溫度應力與開關門綜合應力試驗剖面A、B圖

圖6 溫度應力與開關門綜合應力試驗剖面C圖

通過設計的4組可靠性強化試驗結果，計算其平均失效前時間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。從試驗結果中可以看出D組由于施加應力較為嚴苛導致產品出現無法正常制冷的情況，c組綜合應力故障暴露綜合相對較快且便于識別故障，其MTTF =（23.5+22.8+22.6+21.5）/4=22.6 h。因此根據實驗結果分析情況綜合考慮選取38～41 ℃溫度應力、240次/24 h開關門應力作為篩選故障的試驗條件。

理論上，高環溫和開關門工作極限試驗條件配合會更快暴露故障，實際實驗顯示這兩個試驗應力條件是存在耦合作用的。經過多次驗證和結果分析，發現高環溫的工作極限配合開關門的破壞極限這兩種條件，可以更加高效的激發故障，說明在耦合作用條件下，選擇38～44 ℃高溫應力、240次/日開關門應力作為故障篩選的條件較為合理且高效，也為后續強化試驗更加快速激發識別故障找到一條便捷之路。

2.3 故障樹分析

經可靠性摸底試驗、可靠性強化實驗分析得出對開三門風冷冰箱化霜性能故障模式（現象）主要是間室制冷異常、風口結冰，且制冷異常與風口結冰為關聯故障，制冷異常由風口結冰導致。根據實驗結果，化霜可靠性強化提升的FTA頂事件為風口結冰問題。

經可靠性摸底實驗驗證，高溫高濕可加速冷熱交替導致蒸發器、風口等部件結冰嚴重從而引起化霜不干凈出現風口結冰的問題，開關門對化霜系統直接施加應力，在門開合過程中，熱量直接進入到冰箱產生冷熱交替，受此交變應力，更易故障。經可靠性強化實驗確認風口結冰的工作極限應力為38～44 ℃高溫應力、濕度75 %（濕度影響較小，作為恒定試驗條件）、240次/日開關門條件下，冰箱工作運行21.5 h風口即出現結冰故障，冰箱制冷也出現異常。

對化霜引起的風口結冰問題從設計、物料、裝配等流程環節進行分析，對可能造成的風口結冰的各種進行進行FTA。根據冰箱化霜結構設計，與風口結冰現象的關聯部件為風口本身和化霜加熱器，對此進行分析，對風口進行分析，存在兩種情況：風口設計尺寸偏小和發泡尺寸變形。風口設計尺寸偏小會導致冷熱交替點集中且熱量難以輻射，風口發泡尺寸變形會導致化霜水堆積引起結冰。對化霜加熱器進行分析，存在兩種情況：化霜加熱器功率偏小和安裝尺寸偏離。化霜加熱器功率偏小導致熱量無法輻射到風口位置，化霜加熱器安裝位置偏離導致熱量輻射不均勻，從而導致不能長時間抵抗溫度和開關門應力。得出風口結冰的故障樹分析圖如圖7。

圖7 故障樹分析圖

對故障樹使用下行法計算最小割集為{X1，X2，X3}、{X1，X2，X4}、{X1，X2，X5}、{X1，X2，X6}、{X1，X2，X7}、{X1，X2，X8}、{X1，X2，X9}，結合故障樹分析確認最小割集，底事件中X1,X2在最小割集中出現頻次均為7次，其他各底事件各出現1次，X1,X2均為最重要底事件。但事件X1,X2均為試驗條件，且在實際情況中均為不可控條件，故需要從其他底事件中進行篩選，對篩選出的底事件進行改進，以提升其可靠性。

底事件X3—X10中，根據實際情況分析，X3事件，風口設計尺寸有統一規范要求，符合設計規范，排除這個底事件造成的化霜失效；X6和X8事件，有合格檢驗報告，排除這兩個底事件；X4和X5事件，發泡機和操作工均有合格的上崗證和維護保養記錄和使用操作記錄，排除這兩個底事件；綜合上述分析底事件為X7 （化霜加熱器設計功率偏小不符合規范）和X9（化霜加熱器安裝尺寸偏離不符合工藝規范）。經FTA分析可知影響化霜性能風口結冰的的主要因素為化霜加熱器設計功率偏小不符合規范和化霜加熱器安裝尺寸偏離不符合工藝規范，對這兩個因素進行改進設計規范化霜加熱器設計功率和提高化霜加熱器的安裝尺寸規范可有效提高化霜可靠性。

2.4 可靠性提升

前述可靠性強化實驗測得化霜性能工作極限為環溫（38～41）℃ ，濕度75 %（濕度影響較小，作為恒定試驗條件）、240次/天開關門條件，現按照設計改進方案再次進行可靠性強化實驗，以測得新狀態下的化霜性能工作極限。因消費者家中（38～41）℃已可代表正常生活狀態下的環境溫度極限，同理75 %濕度亦可代表正常生活狀態下的環境濕度，故將開關門次數作為強化因子，其他因素保持不變。

按改進結果進行3次實驗，冰箱化霜較為干凈，制冷運行正常未出現風口結冰現象。經過設計方案改進后，新狀態產品化霜性能可靠性得到顯著提升，相同試驗條件下，平均失效前時間MTTF提升至60 h，遠高于原狀態的21.5 h。

3 結論

1）可靠性實驗理論應用目前主要在軍工產品和元器件產品，在家用電器行業應用較少，使用可靠性實驗理論結合實際產品的使用環境進而可以確定產品的任務剖面，確定產品的可靠性摸底、可靠性強化的實驗剖面，通過實驗結果分析、故障分析確定影響因素、可靠性提升改進，進而提高產品的平均失效前時間（MTTF），提高產品的使用可靠性，提高產品的競爭力。

2）可靠性實驗實際工程應用從確定產品的現場使用環境開始，分析產品的受試應力、環境應力、操作使用習慣，確定產品的任務剖面、實驗剖面，對產品進行可靠性摸底實驗、可靠性強化實驗、故障機理分析、可靠性提升設計，可靠性再驗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研究[6]，進而提高產品的設計可靠性和使用可靠性。

3）通過可靠性試驗設計驗證分析改進，提高了風冷冰箱的平均失效前時間（MTTF），提高了風冷冰箱的耐受極限，在產品設計的早期對風冷冰箱的設計缺陷進行驗證分析改進，提高產品的可靠性，此方法對制冷設備的化霜可靠性分析改進提供方法借鑒。