基于RET的門封系統(tǒng)可靠性研究與應(yīng)用

張威，周月飛，舒宏，張詠，張宇

（空調(diào)設(shè)備及系統(tǒng)運行節(jié)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(tǒng)地施加逐步增大的環(huán)境應(yīng)力和工作應(yīng)力[1]，對產(chǎn)品施加超過設(shè)計規(guī)范的極限應(yīng)力，在確保不改變產(chǎn)品失效機理的前提下快速激發(fā)和暴露產(chǎn)品設(shè)計的潛在缺陷，以便于設(shè)計改進，從而提高產(chǎn)品可靠性，使產(chǎn)品設(shè)計得更為“健壯”[2]。目前已經(jīng)在國內(nèi)開始逐步應(yīng)用于產(chǎn)品研發(fā)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(yōu)點[3,4]的可靠性強化試驗將會在民用家電領(lǐng)域得到充分研究和應(yīng)用。

門封系統(tǒng)關(guān)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(shù)據(jù)調(diào)研分析和故障樣機返廠拆解，發(fā)現(xiàn)對開門冰箱故障率較高的是門封系統(tǒng)故障導致的漏冷和結(jié)冰問題，主要原因是客戶反饋門封條出現(xiàn)下塌現(xiàn)象。因此有必要對新開發(fā)的對開門冰箱進行可靠性強化，解決設(shè)計薄弱環(huán)節(jié)，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(yīng)力進行研究；任德潔[6]等對可靠性強化應(yīng)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(shù)據(jù)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(jié)合理論分析，將可靠性強化應(yīng)用到軍用電子產(chǎn)品中。

雖然前人已經(jīng)做了一些相關(guān)的研究工作，但對冰箱門封系統(tǒng)應(yīng)用可靠性強化技術(shù)的研究內(nèi)容較少，本文通過分析研究門封系統(tǒng)的極限應(yīng)力，建立綜合試驗剖面，并經(jīng)過FTA故障分析和可靠性試驗驗證，分析導致門封系統(tǒng)故障的主要因素，提出設(shè)計改進方案，從而解決門封系統(tǒng)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(jié)構(gòu)為左冷凍右冷藏，由于電應(yīng)力不影響冰箱門封系統(tǒng)的使用可靠性，濕度對門封系統(tǒng)使用可靠性影響不顯著，因此基于用戶的實際生活環(huán)境和使用條件分別設(shè)定模擬使用開關(guān)門、高低溫度兩組應(yīng)力條件：

1）開關(guān)門次數(shù)設(shè)定：保持其他試驗因素不變，為盡快激發(fā)故障，開關(guān)門次數(shù)初始設(shè)置為120次/24 h；若無異常，按步長60次/24 h增加；

2）環(huán)境溫度：根據(jù)用戶冰箱使用所處的環(huán)境溫度，分別設(shè)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(yīng)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(guān)門交變應(yīng)力試驗剖面圖

1.3 可靠性摸底試驗結(jié)果

門封系統(tǒng)可靠性摸底試驗后樣機門封系統(tǒng)故障現(xiàn)象的樣機有5臺，其具體結(jié)果如表1，高環(huán)溫（32～38 ℃）和開關(guān)門（120～240次/24 h）對激發(fā)門封系統(tǒng)故障作用關(guān)鍵且顯著，其余試驗條件對故障的激發(fā)作用不明顯。

表1 可靠性摸底試驗后門封系統(tǒng)故障現(xiàn)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(yīng)力試驗剖面圖和應(yīng)力破壞極限

基于可靠性摸底試驗發(fā)現(xiàn)高環(huán)溫是門封系統(tǒng)故障的主要應(yīng)力條件建立如圖2試驗剖面圖，設(shè)定起始溫度為32 ℃，基準開關(guān)門次數(shù)為120次/24 h，穩(wěn)定后保溫300 min，觀察并記錄門封系統(tǒng)狀態(tài)，正常則將溫度再升5 ℃，穩(wěn)定后保溫300 min，記錄門封系統(tǒng)狀態(tài)，直至門封系統(tǒng)發(fā)生故障，此為高溫應(yīng)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(jīng)過驗證確定開關(guān)門次數(shù)為120次/24條件下，溫度應(yīng)力的破壞極限為53 ℃。

圖2 高溫步進應(yīng)力試驗剖面圖

2.1.2 開關(guān)門步進應(yīng)力試驗剖面圖和應(yīng)力破壞極限

基于可靠性摸底試驗發(fā)現(xiàn)開關(guān)門是門封系統(tǒng)故障的主要應(yīng)力條件建立如圖3試驗剖面圖，開關(guān)門初始次數(shù)設(shè)置為120次/24 h，基準環(huán)溫為32 ℃，初始開門維持5 min，完成后檢查門封系統(tǒng)狀態(tài)。正常則將開門次數(shù)增加40次，保持5 min，記錄門封系統(tǒng)狀態(tài)，直至發(fā)生門封系統(tǒng)狀態(tài)異常，將門封狀態(tài)手動恢復施加開關(guān)門步進應(yīng)力, 觀察門封狀態(tài)是否正常, 若門封系統(tǒng)狀態(tài)無異常, 將先前數(shù)值記為開關(guān)門工作極限； 再增加開關(guān)門次數(shù)直至冰箱無法使用，則此次數(shù)為開關(guān)門應(yīng)力的破壞極限，經(jīng)過驗證確定32 ℃環(huán)溫條件下，開關(guān)門應(yīng)力的破壞極限為240次/24 h。

圖3 開關(guān)門應(yīng)力試驗剖面圖

2.2 可靠性強化綜合應(yīng)力試驗剖面圖

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

圖4 A組和B組溫度與開關(guān)門綜合應(yīng)力試驗剖面圖

圖5 C組和D組溫度與開關(guān)門綜合應(yīng)力試驗剖面圖

2.3 可靠性強化試驗結(jié)果

結(jié)合可靠性強化試驗綜合應(yīng)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(jié)果如表2所示，其平均失效前時間：

表2 可靠性強化試驗結(jié)果

其中C組可靠性強化試驗：

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

3 FTA故障分析

根據(jù)對開門冰箱結(jié)構(gòu)，與門封條下塌現(xiàn)象相關(guān)聯(lián)部件為門封條本身和固定門封條的門膽結(jié)構(gòu)，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(xiàn)頻次均為8次，均為最重要底事件。但X1,X2均為使用環(huán)境條件，在實際情況中均為不可控條件。 底事件X3-X10中，根據(jù)實際生產(chǎn)情況及來料狀態(tài)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(jié)構(gòu)固定性差）和X4（門封條硬度變化率大）。

4 設(shè)計改進

經(jīng)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(jié)構(gòu)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(zhì)（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(yōu)點的TPE材質(zhì)[10]的門封條（硬度變化率在16左右）來代替現(xiàn)有的PVC門封條。

2）門膽膽槽固定性差

對門膽膽槽結(jié)構(gòu)進行分析，膽槽拐角處具有鋸齒結(jié)構(gòu)，但根據(jù)試驗狀態(tài)，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(shè)計尺寸從6.8 mm調(diào)整到5.4 mm。

5 可靠性試驗驗證

針對設(shè)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(fā)現(xiàn)在相同試驗條件下，改進后的門封系統(tǒng)狀態(tài)試驗后下塌現(xiàn)象明顯好轉(zhuǎn)且平均失效前時間MTTF從10.3 h提升到48.3 h，試驗結(jié)果表明相對于原狀態(tài)，新狀態(tài)門封系統(tǒng)可靠性得到顯著提升。

6 結(jié)論

通過對門封系統(tǒng)建立綜合應(yīng)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(guān)鍵影響因素，從而提出設(shè)計改進方向，提高門封系統(tǒng)的長期使用可靠性。

1）可靠性強化試驗屬于激發(fā)類試驗，采用應(yīng)力水平遠高于正常使用環(huán)境的應(yīng)力進行試驗，快速激發(fā)產(chǎn)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(nèi)有效解決產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)階段無法模擬真實使用環(huán)境帶來的試驗結(jié)果有效性問題。改變了傳統(tǒng)可靠性試驗周期長、效率低和費用高的弊端，加快產(chǎn)品研發(fā)周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量和使用可靠性。

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

3）通過可靠性強化試驗對冰箱門封系統(tǒng)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(shè)計尺寸大，設(shè)計方案將對門封條更改為TPE材質(zhì)、膽槽設(shè)計尺寸下調(diào)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(tǒng)的設(shè)計改進，使對開門冰箱門封系統(tǒng)可靠性得到大幅度提升。