风冷冰箱的化霜影响因素较多，蒸发器腔室温度过低，正常制冷蒸发器腔室温度可达-38℃，化霜时蒸发器腔室温度可达12℃，此时冷冻室温度仍在-15℃以下，受冷热交互因素、风口漏冷等多方面影响，风冷冰箱化霜可靠性设计和化霜可靠性验证尤为重要。

 

本文结合实际用户使用环境条件对影响化霜失效的应力进行可靠性摸底分析确认和可靠性强化实验（RET）理论对失效应力进行强化设计验证，加快产品失效暴露，提高风冷冰箱的化霜可靠性。

 

理论分析

 

01可靠性实验理论分析

 

风冷冰箱是地面固定设备，其任务剖面的环境应力因素有温度应力、湿度应力、开关门应力、电压应力、振动用力等多综合应力剖面，影响冰箱化霜的应力条件主要有环境温度、环境湿度、开关门应力电压应力等应力条件。结合冰箱的环境应力剖面和风冷冰箱的实际用户使用条件建立风冷冰箱可靠性摸底验证实验剖面可以对风冷冰箱的化霜可靠性失效进行初步摸底验证，并为可靠性强化实验（RET）提供数据基础，对发现产品的早期设计失效起到关键作用。

 

可靠性强化试验（RET）是指通过系统地施加逐步增大的环境应力和工作应力，激发和暴露产品设计中的薄弱环节，以便改进设计和工艺，提高产品可靠性的试验，目的是使产品的可靠性不断提高，使产品耐环境能力也得到提高。可靠性强化实验（RET）使用高环境应力对产品早期设计缺陷进行激发，并进行故障分析和设计改进，完善早期产品设计薄弱环节，提高产品的耐受极限，达到提高产品功能可靠性目的。

 

02故障树（FTA）理论分析

 

故障树分析以故障为分析源，从故障发生推导导致故障发生的因素，使用倒推法找到导致故障发生的不可分解因素，进行故障原因的锁定，进而改善故障因子，避免故障的发生，故障树（FTA）分析法从故障发生的顶事件向原因方面建立图形分析，进行树形图分解，故障树的构建是故障分析法的关键。结合可靠性实验理论分析，对风冷冰箱的化霜可靠性验证分析，分析影响化霜的失效因素和产品的平均失效前时间（MTTF），确定实验验证剖面，分析故障机理，进行可靠性提升和设计改进，提高风冷冰箱的化霜可靠性。

 

实验设计及结果分析改进

 

01.可靠性摸底实验设计及结果分析

 

根据用户家中冰箱实际使用工况条件，结合温度、湿度、电压、模拟用户频繁使用开关门的条件要求（见表1），选取36台冰箱设置4组试验条件，每项试验单独进行，严格按照测试方案进行检测，记录试验数据。

 

表1 实验应力条件设置

 

 

使用可靠性摸底应力实验剖面图（如图1、图2）测试结果如表2。风口结冰图如图3。

 

 

图1 温度应力、湿度应力、开关门应力交变应力实验剖面图

 

 

图2 电压交变应力实验剖面图

表2 可靠性摸底实验结果

 

 

图3 风口结冰图

 

根据可靠性摸底试验结果，识别出25℃、10℃未出现异常现象，综合湿度应力（75%、60%、45%）和电应力（187V、220V、242V）对结果影响不显著。可靠性摸底试验出现的制冷异常和风口结冰问题经过识别判断：高环温、开关门对激发故障作用关键且显著，其他试验条件对故障的激发作用不显著。

 

此次验证共出现9台故障样机，根据测试结果和实验室曲线采集分析，经过统计换算，9台故障样机的失效时间分别为47 .5h、48.3h、47.5h、47.7h、48.0h、48.3h、48.5h、47.9h、47.7h，产品经过可靠性摸底验证平均失效前时间：MTTF=（47.5+48.3+47.5+47.7+48.0+48.3+48.5+47.9+47.7）/3=47.9h

MTTF—平均失效间隔时间，单位h。

 

02.可靠性强化实验设计及结果分析

 

2.1可靠性强化实验破坏极限确认

 

根据可靠性摸底试验识别出的高环温、开关门两个应力条件，开展可靠性强化试验，逐步增强试验条件，不断地加速激发产品的潜在缺陷，摸索出两个应力条件对故障的工作极限，从而实现准确地暴露产品可靠性故障的目标，将平均失效前时间MTTF缩短至24h以内。根据识别出的温度和开关门两个应力条件，对此进行逐步强化，确定强化条件（如图4）。

 

 

图4 高温步进应力、开关门应力步进剖面图

 

设定起始温度为32℃，基准开关门次数为120次/日，稳定后保温300min，观察测试曲线运行状态，记录冰箱制冷运行和风门结冰情况。正常则将温度再升4℃，稳定后保温300min，记录具体情况，直至冰箱制冷运行异常、风门出现结冰，此为高温应力的工作极限。再将温度逐渐上升直到冰箱无法使用, 则此温度为高温破坏极限。根据试验结果，确定开关门次数为120次/日的条件下，温度应力的破坏极限为48 ℃。

 

初始次数设置为120次，环温为32℃，初始开门维持5min，完成后检查冰箱制冷运行和风门结冰情况。正常则将开门次数增加40次，保持5min，记录具体情况，直至冰箱制冷运行异常、风门出现结冰，将冰箱状态恢复施加开关门步进应力, 观察状态是否正常；若无异常，将先前数值记为开关门工作极限; 再增加直至整机冰箱无法使用, 则此次数为开关门应力的破坏极限。根据试验结果，确定32℃温度条件下，开关门应力的破坏（风门结冰堵死）极限为240次/日。

 

2.2可靠性强化实验剖面设计

 

结合可靠性摸底实验结果和高环温和开关门工作极限试验条件分析，制定可靠性强化实验剖面（如图5、图6）。可靠性强化实验方案工况设计见表3。

 

 

图5 温度应力与开关门综合应力试验剖面A、B图

 

 

图6 温度应力与开关门综合应力试验剖面C图

 

 

表3 可靠性强化实验方案工况设计

 

通过设计的4组可靠性强化试验结果，计算其平均失效前时间MTTF：MTTF=（27.8+23.8+23.6+23.5+22.8+22.6+21.5+22.4+21.6+18.8+17.6）h/11=22.4h。从试验结果中可以看出D组由于施加应力较为严苛导致产品出现无法正常制冷的情况，C组综合应力故障暴露综合相对较快且便于识别故障，其MTTF =（23.5+22.8+22.6+21.5）/4=22.6h。因此根据实验结果分析情况综合考虑选取38-41℃温度应力、240次/24h开关门应力作为筛选故障的试验条件。

 

理论上，高环温和开关门工作极限试验条件配合会更快暴露故障，实际实验显示这两个试验应力条件是存在耦合作用的。经过多次验证和结果分析，发现高环温的工作极限配合开关门的破坏极限这两种条件，可以更加高效的激发故障，说明在耦合作用条件下，选择38℃~44℃高温应力、240次/日开关门应力作为故障筛选的条件较为合理且高效，也为后续强化试验更加快速激发识别故障找到一条便捷之路。

 

03.故障树分析

 

经可靠性摸底试验、可靠性强化实验分析得出对开三门风冷冰箱化霜性能故障模式（现象）主要是间室制冷异常、风口结冰，且制冷异常与风口结冰为关联故障，制冷异常由风口结冰导致。根据实验结果，化霜可靠性强化提升的FTA顶事件为风口结冰问题。

 

经可靠性摸底实验验证，高温高湿可加速冷热交替导致蒸发器、风口等部件结冰严重从而引起化霜不干净出现风口结冰的问题，开关门对化霜系统直接施加应力，在门开合过程中，热量直接进入到冰箱产生冷热交替，受此交变应力，更易故障。经可靠性强化实验确认风口结冰的工作极限应力为38℃~44℃高温应力、湿度75%（湿度影响较小，作为恒定试验条件）、240次/日开关门条件下，冰箱工作运行21.5h风口即出现结冰故障，冰箱制冷也出现异常。

 

对化霜引起的风口结冰问题从设计、物料、装配等流程环节进行分析，对可能造成的风口结冰的各种进行进行FTA。根据冰箱化霜结构设计，与风口结冰现象的关联部件为风口本身和化霜加热器，对此进行分析，对风口进行分析，存在两种情况：风口设计尺寸偏小和发泡尺寸变形。风口设计尺寸偏小会导致冷热交替点集中且热量难以辐射，风口发泡尺寸变形会导致化霜水堆积引起结冰。对化霜加热器进行分析，存在两种情况：化霜加热器功率偏小和安装尺寸偏离。化霜加热器功率偏小导致热量无法辐射到风口位置，化霜加热器安装位置偏离导致热量辐射不均匀，从而导致不能长时间抵抗温度和开关门应力。得出风口结冰的故障树分析图如图7。

 

 

图7  故障树分析图

 

对故障树使用下行法计算最小割集为{X1，X2，X3}、{X1，X2，X4}、{X1，X2，X5}、{X1，X2，X6}、{X1，X2，X7}、{X1，X2，X8}、{X1，X2，X9}，结合故障树分析确认最小割集，底事件中X1,X2在最小割集中出现频次均为7次，其他各底事件各出现1次，X1,X2均为最重要底事件。但事件X1,X2均为试验条件，且在实际情况中均为不可控条件，故需要从其他底事件中进行筛选，对筛选出的底事件进行改进，以提升其可靠性。

 

底事件X3—X10中，根据实际情况分析，X3事件，风口设计尺寸有统一规范要求，符合设计规范，排除这个底事件造成的化霜失效；X6和X8事件，有合格检验报告，排除这两个底事件；X4和X5事件，发泡机和操作工均有合格的上岗证和维护保养记录和使用操作记录，排除这两个底事件；综合上述分析底事件为X7 （化霜加热器设计功率偏小不符合规范）和X9（化霜加热器安装尺寸偏离不符合工艺规范）。经FTA分析可知影响化霜性能风口结冰的的主要因素为化霜加热器设计功率偏小不符合规范和化霜加热器安装尺寸偏离不符合工艺规范，对这两个因素进行改进设计规范化霜加热器设计功率和提高化霜加热器的安装尺寸规范可有效提高化霜可靠性。

 

04.可靠性提升

 

前述可靠性强化实验测得化霜性能工作极限为环温38℃~41℃，湿度75%（湿度影响较小，作为恒定试验条件）、240次/天开关门条件，现按照设计改进方案再次进行可靠性强化实验，以测得新状态下的化霜性能工作极限。因消费者家中38℃~41℃已可代表正常生活状态下的环境温度极限，同理75%湿度亦可代表正常生活状态下的环境湿度，故将开关门次数作为强化因子，其他因素保持不变。

 

按改进结果进行3次实验，冰箱化霜较为干净，制冷运行正常未出现风口结冰现象。经过设计方案改进后，新状态产品化霜性能可靠性得到显著提升，相同试验条件下，平均失效前时间MTTF提升至60h，远高于原状态的21.5h。

 

结论

 

1）可靠性实验理论应用目前主要在军工产品和元器件产品，在家用电器行业应用较少，使用可靠性实验理论结合实际产品的使用环境进而可以确定产品的任务剖面，确定产品的可靠性摸底、可靠性强化的实验剖面，通过实验结果分析、故障分析确定影响因素、可靠性提升改进，进而提高产品的平均失效前时间（MTTF），提高产品的使用可靠性，提高产品的竞争力。

 

2）可靠性实验实际工程应用从确定产品的现场使用环境开始，分析产品的受试应力、环境应力、操作使用习惯，确定产品的任务剖面、实验剖面，对产品进行可靠性摸底实验、可靠性强化实验、故障机理分析、可靠性提升设计，可靠性再验证等一整套可靠性理论分析研究，是基于故障物理的可靠性技术研究[6]，进而提高产品的设计可靠性和使用可靠性。

 

3）通过可靠性试验设计验证分析改进，提高了风冷冰箱的平均失效前时间（MTTF），提高了风冷冰箱的耐受极限，在产品设计的早期对风冷冰箱的设计缺陷进行验证分析改进，提高产品的可靠性，此方法对制冷设备的化霜可靠性分析改进提供方法借鉴。

 

引用本文：

 

张咏，周月飞，舒宏，张威.基于可靠性理论风冷冰箱化霜可靠性研究与应用[J].环境技术,2022,40(01):80-86+113.

来源：环境技术核心期刊

关键词： 风冷冰箱 化霜