基于可靠性理論風冷冰箱ALT實驗研究

舒宏，張詠，張威

（空調(diào)設備及系統(tǒng)運行節(jié)能國家重點實驗室，珠海 519070）

引言

常規(guī)風冷冰箱的壽命試驗需要的樣機多且測試周期長，使用加速壽命試驗能夠大大減少壽命試驗的時間[2]，減少風冷冰箱的研發(fā)成本，加快產(chǎn)品上市時間。楊玉齋[3]對以溫度作為加速應力對相關可靠性指標進行測定，并未對考慮電應力對冰箱可靠性的影響；潘勇[4]等對加速應力組合在壽命試驗驗證提供了理論基礎；李良巧[5]等對加速壽命試驗設計方法進行詳細論述。

以上參考文獻對加速壽命實驗設計、過程驗證、數(shù)據(jù)分析等提供了理論基礎，筆者結合風冷冰箱的任務剖面、環(huán)境剖面設計加速壽命（ALT）試驗的壽命應力剖面，進行風冷冰箱加速壽命（ALT）實驗設計，驗證產(chǎn)品的壽命可靠性參數(shù)，通過相關壽命可靠性參數(shù)確定產(chǎn)品的壽命可靠性達到設計指標。

1 理論分析

1.1 實驗剖面確定

根據(jù)施加不同應力水平，可將加速壽命試驗（ALT）歸類為恒定應力試驗（CSALT）、步進應力試驗（SSALT）和序進應力試驗（PSALT）[6]。確定壽命實驗的試驗剖面，先根據(jù)產(chǎn)品全壽命周期內(nèi)使用特點分析產(chǎn)品預期使用經(jīng)歷的事件及其狀態(tài)的總和，其次根據(jù)安裝產(chǎn)品的平臺特性分析壽命剖面內(nèi)產(chǎn)品預期承受的自然環(huán)境特性和平臺誘發(fā)環(huán)境的環(huán)境特性，明確產(chǎn)品在壽命周期內(nèi)承受的應力總和，最后綜合分析產(chǎn)品的薄弱環(huán)節(jié)和應力影響因子[7]。

風冷冰箱的使用環(huán)境是室內(nèi)地面固定使用環(huán)境，主要影響應力為溫度應力、濕度應力、電應力、開關門應力，根據(jù)GB/T 22759-2008和GJB 899A-2009[8]確定加速應力為溫濕度、電壓恒定應力加速綜合應力剖面。為確定加速應力環(huán)境，選取10臺樣機各取一半，分別對溫度應力強度、電應力強度以階梯形式逐步向上提升，直至某個強度下樣本在短時間內(nèi)失效，確定工作樣本的工作極限，加速應力需低于樣本工作極限[9]，根據(jù)樣本工作極限值確定溫度應力使用恒定高溫應力43 ℃，濕度應力使用85 %濕度，電壓應力使用50 %設計電壓、25 %1.1倍設計電壓、25 %0.9倍設計電壓，開關門應力模擬用戶實際使用情況，以24 h為一個周期，12 h每隔30 min開關門1次，每次開門60 s，另12 h為穩(wěn)定運行狀態(tài)，不進行開關門操作，實驗剖面如圖1。

圖1 加速應力實驗剖面圖

1.2 加速因子確定

根據(jù)壽命實驗綜合應力剖面確定溫濕度應力、電應力的加速因子，開關門應力為模擬用戶使用條件，不參與加速因子計算，溫度加速應力為43 ℃恒定應力，濕度應力為85 %相對濕度恒定濕度應力，依據(jù)壽命剖面應力的加載方式，根據(jù)阿倫尼斯（Arrhenius）壽命模型推導確定溫濕度應力的加速因子，阿倫尼斯（Arrhenius）壽命模型隨著溫度上升，壽命特征按照指數(shù)函數(shù)變化，電壓應力為50 %設計電壓、25 %1.1倍設計電壓、25 %0.9倍設計電壓，逆冪律方程確定電應力加速因子，逆冪率壽命模型隨著電應力的偏移壽命特征按照負的冪函數(shù)下降，電應力、溫濕度應力的綜合應力加速因子為溫濕度加速因子與電應力加速因子乘積。

1）根據(jù)阿倫尼斯（Arrhenius）方程推導確定溫濕度加速系數(shù)

式中：

TS—加速溫度（43+273.15）K；

T0—正常冰箱使用溫度（25+273.15）K；

E—激活能，由貝爾實驗室資料知取1.4 eV；

k—波茲曼常數(shù)，8.6×10-5eV/K；

RH0—正常冰箱使用濕度取50 %；

RHS—正常冰箱加速濕度取85 %；

n—濕度加速常數(shù)取2。

2）根據(jù)逆冪律方程推導確定電應力加速系數(shù)

式中：

VS—加速電應力，單位V；

V0—正常電應力，取220 V；

α—次冪律關系，取5。

3）溫濕度和電應力作為加速應力的綜合加速系數(shù)

根據(jù)上式求得電壓220 V溫度為43 ℃相對濕度85 %時AFTSV=13.96；電壓為242 V溫度為43 ℃ AFTSV=22.48；電壓198 V時溫度為43 ℃時為電壓負偏差加速因數(shù)，根據(jù)電壓偏差值為10 %計算AFTV=22.48，平均加速系數(shù)AFTSV為18.22。

1.3 壽命測試時間和樣機確認

產(chǎn)品設計壽命可靠性參數(shù)是在90 %置信度下MTBF達到87600 h，達到產(chǎn)品10年壽命可靠性要求，考慮成本問題，使用6臺樣機進行壽命試驗[10]。根據(jù)壽命可靠性設計參數(shù)，若允許1次失效在90 %的置信度下，計算需要測試的時間；若允許2次失效在90 %的置信度下，計算需要測試的時間；若出現(xiàn)3次失效，記為壽命試驗不合格。

1）壽命測試時間

A—壽命試驗系數(shù)。

2）2χ分布函數(shù)

3）A值計算

r—失效數(shù)量；

MTBF—平均故障間隔時間，單位h。

式中：

1-α—要求的置信度。

當r為1時A1=0.5CHIINV（1-0.9,2×2）=3.89；當r為2時A2=0.5CHIINV（1-0.9，2×3）=5.32；當r=1，Ttest=340764 h，6臺樣機進行測試3117 h內(nèi)出現(xiàn)1次故障或0次故障，壽命驗證合格。當6臺樣機測試3117 h內(nèi)出現(xiàn) 2次失效，延長時間至4263 h，若試驗至4263 h仍只有2次失效，壽命試驗合格，否則壽命試驗不合格。

2 試驗條件和結果分析

2.1 實驗樣品和方法

使用自動監(jiān)測多應力綜合調(diào)節(jié)壽命測試試驗室1套，某型號421 L十字對開冰箱6臺，編號為1#、2#、3#、4#、5#、6#，其中壽命試驗室溫度控制區(qū)間為-20～50 ℃（實驗室溫度精度控制±0.5 ℃），其中電壓使用變頻電源控制110～380 V（電壓控制精度±1 %），搭配全自動智能氣動開關門工裝6個，滿足壽命試驗剖面工況條件，實驗過程主控臺自動記錄測試狀態(tài)，對測試信息進行分析處理，出現(xiàn)故障使用視覺、聽覺報警，并對故障進行自動化分析記錄，供測試工程師分析數(shù)據(jù)使用。壽命試驗安裝圖如圖2。

圖2 壽命試驗安裝圖

2.2 實驗結果分析

6臺樣機按照壽命試驗剖面進行試驗，實驗進行到2436 h 5#出現(xiàn)通訊故障，分析故障原因為芯片引腳接地短路，導致電路保護電阻燒毀，問題原因為芯片引腳焊接工藝不良和加速壽命試驗激勵下導致引腳短路，引腳短路導致保護電阻燒毀。優(yōu)化芯片引腳焊接工藝后此問題得到解決。試驗在3117 h內(nèi)出現(xiàn)1次失效，加速應力壽命實驗驗證合格，滿足在90 %置信度下MTBF達到87600 h，達到產(chǎn)品10年壽命可靠性指標。實驗失效數(shù)據(jù)見表1。

表1 實驗失效數(shù)據(jù)

3 結論

1）加速壽命試驗目前主要應用在軍工產(chǎn)品和元器件產(chǎn)品，目前在家用電器行業(yè)運用較少。加速壽命試驗在有限的時間、成本條件下通過合理加速應力選取[11]，加速產(chǎn)品問題暴露，可在較短的時間里驗證出產(chǎn)品的長期運行壽命可靠性指標，在設計階段合理使用加速壽命試驗對企業(yè)的設計研發(fā)能力的提高、檢測能力提高、產(chǎn)品質(zhì)量的提高都起到關鍵作用，隨著加速壽命試驗理論不斷完善，加速壽命試驗將會越來越多的應用在家電行業(yè)當中。

2）產(chǎn)品的加速壽命試驗設計，從壽命設計參數(shù)出發(fā)，分析產(chǎn)品的任務剖面、環(huán)境剖面結合可靠性理論確定壽命試驗驗證剖面，根據(jù)產(chǎn)品的壽命剖面計算加速應力以及綜合加速應力的加速因子進行加速壽命試驗，結合實驗結果，驗證產(chǎn)品的壽命參數(shù)設計是否達到設計指標要求，加速壽命試驗的實施可以在廠內(nèi)確定產(chǎn)品的壽命指標參數(shù)，為產(chǎn)品的可靠性壽命提供強有力的保障。

3）通過上述加速壽命試驗設計驗證，實驗結果分析，驗證了此型號風冷冰箱在90 %置信度下10年可靠性壽命達到了產(chǎn)品設計要求，產(chǎn)品設計的壽命可靠性指標達到了設計目標。加速壽命（ALT）試驗能發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品在長時間運行后的老化、腐蝕、電應力熔斷等失效方式，在產(chǎn)品可靠性設計，產(chǎn)品可靠性提升方面都起到關鍵作用。