基于可靠性理論分析的濾網(wǎng)自清潔功能研究與應(yīng)用

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)能國家重點實驗室，珠海 519070）

引言

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，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、烘干過程中會對衣物磨損產(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]等對可靠性設(shè)計方法進(jìn)行詳細(xì)論述，胡湘洪[5]等對可靠性實驗理論進(jìn)行詳細(xì)論述。通過以上文獻(xiàn)研究，本文提出應(yīng)用可靠性摸底實驗分析確認(rèn)，并結(jié)合可靠性強(qiáng)化實驗（RET）和故障樹分析（FTA）對其濾網(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。

1 熱泵系統(tǒng)及過濾網(wǎng)功能結(jié)構(gòu)

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現(xiàn)對潮濕衣物的烘干，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)

2 理論分析

2.1 濾網(wǎng)自清潔功能可靠性理論分析

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，因濾網(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)力和用戶實際使用條件建立濾網(wǎng)自清潔功能可靠性摸底實驗剖面，并為可靠性強(qiáng)化實驗（RET）提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

可靠性強(qiáng)化實驗（RET）是指為暴露產(chǎn)品薄弱環(huán)節(jié)，有計劃、有目標(biāo)地對產(chǎn)品施加模擬實際環(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)計與工藝，并驗證改進(jìn)措施有效性的而進(jìn)行的試驗[6]。

2.2 故障樹（FTA）理論分析

故障樹分析以故障為分析源，從故障發(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，對熱泵洗護(hù)機(jī)的濾網(wǎng)自清潔功能可靠性進(jìn)行驗證分析，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，提升熱泵洗護(hù)機(jī)的濾網(wǎng)自清潔功能可靠性。

3 實驗設(shè)計及結(jié)果分析改進(jìn)

3.1 可靠性摸底實驗設(shè)計及結(jié)果分析

根據(jù)用戶家中洗護(hù)機(jī)實際使用環(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臺熱泵洗護(hù)機(jī)設(shè)置5組試驗條件，每項試驗單獨(dú)進(jìn)行，記錄試驗數(shù)據(jù)。依據(jù)GB/T 4288-2018家用和類似用途電動洗衣機(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)用戶家中實際環(huán)境設(shè)定摸底實驗應(yīng)力如表1，可靠性摸底實驗交變應(yīng)力實驗剖面圖如圖2。

圖2 可靠性摸底實驗交變應(yīng)力實驗剖面圖

表1 實驗應(yīng)力條件設(shè)置

根據(jù)可靠性摸底試驗結(jié)果（表2）和對濾網(wǎng)進(jìn)行拆機(jī)檢查，識別出10 ℃工況未出現(xiàn)烘干異常現(xiàn)象，溫度應(yīng)力（38 ℃、25 ℃）和電應(yīng)力（220 V、242 V）對結(jié)果影響不顯著。可靠性摸底試驗出現(xiàn)的烘干異常和過濾網(wǎng)臟堵問題（圖3），經(jīng)過可靠性摸底試驗識別判斷：低電壓、低水壓、單個周期沖洗次數(shù)對激發(fā)故障作用顯著，其它試驗條件對故障的激發(fā)作用不顯著。

圖3 可靠性摸底實驗過濾網(wǎng)臟堵圖

表2 可靠性摸底實驗結(jié)果

可靠性摸底驗證共出現(xiàn)9臺故障樣機(jī)，根據(jù)測試現(xiàn)象和濾網(wǎng)拆機(jī)檢查的臟堵情況分析，經(jīng)過故障時間統(tǒng)計換算，9臺故障樣機(jī)的失效時間分別為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)平均失效前時間（MTTF）定義：在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)產(chǎn)品壽命單位總數(shù)與失效產(chǎn)品總數(shù)之比。

3.2 可靠性強(qiáng)化實驗設(shè)計及結(jié)果分析

根據(jù)可靠性摸底試驗識別出的低電壓、低水壓、單個周期沖洗次數(shù)三個應(yīng)力條件，開展可靠性強(qiáng)化試驗，逐步增強(qiáng)試驗條件，不斷地加速激發(fā)產(chǎn)品的潛在缺陷，摸索出三個應(yīng)力條件對故障的工作極限，從而實現(xiàn)準(zhǔn)確地暴露產(chǎn)品可靠性故障的目的，將平均失效前時間MTTF縮短至350 h以內(nèi)。根據(jù)識別出的低電壓、低水壓、單個周期沖洗次數(shù)三個應(yīng)力條件，對此進(jìn)行逐步強(qiáng)化，確定強(qiáng)化條件。可靠性強(qiáng)化實驗步進(jìn)應(yīng)力剖面圖如圖4。

圖4 可靠性強(qiáng)化實驗步進(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。

3.3 可靠性強(qiáng)化實驗剖面設(shè)計

根據(jù)3.1可靠性摸底實驗和3.2可靠性強(qiáng)化實驗分析，制定過濾網(wǎng)自清潔功能可靠性強(qiáng)化實驗剖面（圖5）。工況方案設(shè)計見表3。

圖5 可靠性強(qiáng)化實驗綜合應(yīng)力試驗剖面

表3 可靠性強(qiáng)化實驗方案工況設(shè)計

通過設(shè)計的3組可靠性強(qiáng)化試驗結(jié)果，計算其平均失效前時間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)力故障暴露相對較快且便于識別故障，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)實驗結(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條件。

理論上，低電壓和低水壓工作極限試驗條件配合會更快暴露故障，實際實驗發(fā)現(xiàn)低電壓主要影響烘干系統(tǒng)的烘干效率，通過試驗現(xiàn)象對比顯示這兩個試驗應(yīng)力條件存在耦合作用。經(jīng)過大量實驗驗證和結(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。

3.3 過濾網(wǎng)自清潔功能失效故障樹分析

經(jīng)過可靠性摸底試驗、可靠性強(qiáng)化實驗分析得出熱泵洗護(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)實驗結(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，對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)行過程會出現(xiàn)烘干時間加長現(xiàn)象，同時伴隨壓縮機(jī)長時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)的邏輯門符號與頂事件相連接；對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}、{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為試驗條件，在實際情況中為不可控條件；事件X2為零部件自身原因，在實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周期過濾網(wǎng)沖洗次數(shù)和沖洗時間不合理導(dǎo)致過濾網(wǎng)產(chǎn)生水膜，單個烘干周期結(jié)束后，水膜對下個烘干周期產(chǎn)生的毛屑具有粘附作用，導(dǎo)致長期過濾網(wǎng)臟堵，最終導(dǎo)致過濾網(wǎng)自清潔功能失效。對這兩個因素進(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。

3.4 過濾網(wǎng)自清潔可靠性提升措施

根據(jù)可靠性強(qiáng)化實驗測得過濾網(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)計改進(jìn)方案再次進(jìn)行可靠性強(qiáng)化實驗，以測得新狀態(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個烘干周期沖洗1次）、單次沖洗時間（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個烘干周期沖洗1次）、單次沖洗時間（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)控制自動判堵，達(dá)到自動判堵條件后沖洗1次）、單次沖洗時間（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，若檢測到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，若檢測到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)計壽命十年要求。

按改進(jìn)的三個方案分別進(jìn)行3個實驗，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間未出現(xiàn)烘干異常現(xiàn)象，方案二能滿足約兩年時間未出現(xiàn)烘干異常現(xiàn)象。由此得出，對過濾網(wǎng)頻繁進(jìn)行沖洗，會導(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)計方案改進(jìn)后，將沖洗次數(shù)根據(jù)壓縮機(jī)控制自動判堵，達(dá)到自動判堵后沖洗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，相同試驗條件下，滿足熱泵洗護(hù)機(jī)設(shè)計壽命十年要求，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

4 結(jié)論

1）通過結(jié)合熱泵洗護(hù)機(jī)產(chǎn)品實際使用環(huán)境，對熱泵洗護(hù)機(jī)過濾網(wǎng)自清潔功能進(jìn)行可靠性摸底試驗和強(qiáng)化試驗。對摸底和強(qiáng)化實驗結(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間（MTTF）。

2）針對熱泵洗護(hù)機(jī)濾網(wǎng)自清潔可靠性差、烘干異常問題，采用可靠性理論對過濾網(wǎng)自清潔功能進(jìn)行研究，研究內(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)自清潔功能的長期可靠性。

3）可靠性實驗理論應(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，可靠性實驗實際工程應(yīng)用從確定產(chǎn)品的現(xiàn)場使用環(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、實驗剖面，對產(chǎn)品進(jìn)行可靠性摸底實驗、可靠性強(qiáng)化實驗、故障機(jī)理分析、可靠性提升設(shè)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(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)品的競爭力，同時為企業(yè)帶來效益。