吸油煙機發(fā)熱試驗用加熱裝置的可靠性改進

譚民杰 江先明 黃遜青

（廣東萬和新電氣股份有限公司，廣東佛山 528305）

日常家用電器產(chǎn)品使用過程不可避免發(fā)熱問題，器具部件在電流電壓作用下，內(nèi)部電阻熱損和機械磨損都將產(chǎn)生熱量，熱量與周圍環(huán)境溫度進行交換后將趨于穩(wěn)態(tài)工作，溫升則是產(chǎn)品熱量交換趨于穩(wěn)定實現(xiàn)平衡的指標，溫升的大小一定程度反映著產(chǎn)品散熱系統(tǒng)的好壞，它也是產(chǎn)品發(fā)生熱失效和故障的主要原因[1]。在產(chǎn)品安全性和可靠性分析研究中，發(fā)熱試驗作為產(chǎn)品熱設(shè)計中溫升的主要驗證手段，GB 4706.1-2005《家用和類似用途電器的安全 第1 部分：通用要求》第11 章明確要求產(chǎn)品在正常使用中，器具和其周圍環(huán)境之間的溫升不應(yīng)超過所規(guī)定限值[1]。

吸油煙機作為廚電電器產(chǎn)品被廣泛用到各個家庭，由于它工作環(huán)境的特殊，其熱設(shè)計的驗證條件有別于其他家電產(chǎn)品。GB 4706.28-2008《家用和類似用途電器的安全 吸油煙機的特殊要求》標準中規(guī)定了吸油煙機正下方需布置6 臺總電功率為10.5 kW 的加熱裝置，為其發(fā)熱試驗過程持續(xù)提供恒定熱源，以驗證吸油煙機最大負荷工作下各零部件的溫升是否滿足標準要求[2]。吸油煙機發(fā)熱試驗中，需在溫度濕度受控的環(huán)境下進行，電阻爐作為加熱裝置的使用，一般需要連續(xù)運行3 h 以上，若試驗過程有1 臺加熱裝置發(fā)生故障，試驗需停止，待產(chǎn)品恢復(fù)至常溫之后重新開始，不僅造成試驗過程的運行能耗和其他設(shè)備運行損耗增加，而且延長試驗設(shè)備的占用時間，影響其他待檢樣品的試驗安排。本文對吸油煙機發(fā)熱試驗用加熱裝置在試驗過程中發(fā)生故障的原因進行分析，并討論利用可靠性原理改善試驗過程中這些加熱裝置的可控性措施。

1 加熱裝置失效模式

1.1 失效數(shù)據(jù)

為了解加熱裝置的使用情況，本實驗室收集了30 組加熱裝置從投入使用到發(fā)生失效的數(shù)據(jù)，經(jīng)整理，裝置故障前累計運行時間t 服從正態(tài)分布，即t～N(182,1062)，壽命中位數(shù)在182 h（如圖1 所示）。在可靠性設(shè)計分析中，可靠度R(t)是一項重要研究指標，它是產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi)完成要求功能的概率[3]。根據(jù)經(jīng)驗，電爐絲的產(chǎn)品壽命特征服從正態(tài)分布，有以下關(guān)系：

圖1 改進前單臺加熱裝置的壽命分布

式中：

t—裝置的累計運行時間；

μ—失效模型的時間均值；

δ—失效模型的時間標準差。

按實驗室設(shè)備運行情況，單個加熱裝置每月運行時間約為80 h，則裝置累計運行時間為一個月的可靠度：

對故障數(shù)據(jù)進一步分析，發(fā)現(xiàn)97%的故障為爐絲斷裂，而出現(xiàn)斷裂的位置主要有兩處：（1）爐絲連接螺釘緊固處，（2）爐絲與試驗鍋底接觸處。因此，如何改善實驗過程中加熱裝置爐絲斷裂，找出爐絲易損原因是本課題的重要方向。

1.2 失效機理

一般的電熱裝置采用鎳鉻合金為電熱絲，利用金屬材料通電導(dǎo)熱的特性，讓電能轉(zhuǎn)化為熱能，鎳鉻合金具有電阻率高、熔點高的特點，最高工作溫度可達1 400℃[4]。電熱絲的實際應(yīng)用時，為提高單位面積的熱量，電熱絲都將制成螺旋狀，兩端使用螺絲、墊片和螺帽緊固的方式連接，盤繞在絕緣且耐高溫的爐架上。所有發(fā)熱元器件的失效離不開溫度的影響，溫度的上升，一方面加速材料氧化，加速材料脆化而斷裂；在散熱條件不變的情況下，若熱量無法釋放，超越材料本身承受的溫度限值，容易出現(xiàn)熔斷失效。

（1）電爐絲螺絲緊固處斷裂[4]

爐絲與螺釘?shù)倪B接（如圖2 所示），屬于兩種不同金屬的連接，連接位置存在接觸電阻，該電阻的大小取決于連接的質(zhì)量，接觸間材料的差異，接觸處緊固力大小，接觸形式和表面狀態(tài)等方面都是影響阻值大小的重要因素。以上列舉的因素若不能進行有效的管控，阻值一旦變大，爐絲通電運行時，接觸電阻上的壓降增大，通過的電流變大，產(chǎn)生的熱量更多，長時間的高溫工作加速它的失效。

圖2 電爐絲緊固結(jié)構(gòu)圖

（2）電爐絲觸碰鍋底處斷裂

金屬材料在長時間高溫載荷下都將影響材料本身的機械性能，同理電爐絲經(jīng)長時間工作，固定在盤繞拐角處的電爐絲容易發(fā)生向上位移的形變，當形變位置觸碰到試驗鍋底（如圖3所示），異常的接觸電阻使觸點位置溫度升高而加速斷裂。該位置與螺絲緊固位置的失效，都需要經(jīng)過時間累積，單次試驗累積的熱量不足以將其發(fā)生快速失效。然而，兩個觸點的失效又有別于單個觸點，由于兩觸點間產(chǎn)生更大的壓降，產(chǎn)生的大電流疊加在觸點上更容易使爐絲發(fā)生斷裂。為驗證該失效模型，本實驗室模擬電爐絲兩處形變位置觸碰試驗鍋底，此時通過熱成像測試儀觀察觸點的溫度可高達1 350℃，結(jié)果電爐絲工作不到十分鐘便發(fā)生斷裂。

圖3 電爐絲形變示意圖

1.3 結(jié)構(gòu)改進措施

（1）電爐絲緊固方式

對于電爐絲緊固方式的改進，采取了兩項措施：第一，緊固位置保證一定的接觸面積，采取彈介墊片固定方式，電爐絲兩端制成環(huán)形與墊片相壓制，墊片大小覆蓋環(huán)形接線端，避免電爐絲與緊固螺釘直接壓緊；第二，施加一定緊固扭力保證有效連接，根據(jù)材料特性規(guī)定合適的安裝扭力，避免因壓力不足使接觸端不能有效貼合或壓緊處受力不均，同時施加彈簧墊片安裝也可以起到防松脫的作用，防止加熱冷卻過程中材料收縮引起的壓緊力發(fā)生變化導(dǎo)致松動。

（2）電爐絲與試驗鍋間隙

市場上灶具產(chǎn)品一般配套金屬爐架以避免爐面與鍋底直接接觸，然而電爐產(chǎn)品有別于此，金屬爐架屬導(dǎo)電材料不利于解決絕緣問題。經(jīng)市場調(diào)研建議選擇氧化鋁陶瓷材料，其具有耐磨、耐沖擊、耐腐蝕、耐高溫且絕緣的特性，經(jīng)簡單加工固定在爐面上方可使用。由于電爐絲形變產(chǎn)生的向上位移一般不超過10 mm，所以爐墊高度在10 mm～15 mm 方可，避免試驗鍋放置過高影響熱量的獲得。

1.4 結(jié)構(gòu)改進效果

通過電爐絲緊固方式的改進以及增大電爐絲與試驗鍋間隙兩項結(jié)構(gòu)改進措施的實施，加熱裝置的壽命顯著延長，從統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以了解，改進后電爐絲的平均使用壽命達到445 h，比改進前的182 h 大幅度延長，由于加熱裝置故障導(dǎo)致試驗中斷的情況因此而大幅度減少，如圖4 所示。

圖4 改進后單臺加熱裝置的壽命分布

2 預(yù)防性維修管理

2.1 預(yù)防性維修原理

為進一步減少加熱裝置故障對試驗計劃的影響，項目組成員考慮嘗試采用預(yù)防性維修方法，以加熱裝置的可靠性作為控制指標，以便能夠盡量減少加熱裝置故障導(dǎo)致試驗中斷的機會?？傮w的思路就是通過預(yù)計電爐絲的故障時間，在其發(fā)生故障之前就將其更換下來，避免其在工作過程中發(fā)生故障。

采用預(yù)防性維修方法首先要解決的是觀念轉(zhuǎn)變的問題：

（1）電爐絲的故障時間是可以預(yù)計的，對電爐絲故障的預(yù)計主要通過兩個手段實現(xiàn)：

①檢查，外觀檢查和電阻檢測，如果外觀出現(xiàn)局部變色，通常是局部出現(xiàn)過熱，意味電爐絲即將發(fā)生故障；電爐絲加熱是表面發(fā)光亮度也是判斷其狀態(tài)的重要特征；電爐絲冷態(tài)電阻增大，通常意味電爐絲已經(jīng)出現(xiàn)異常，也是意味電爐絲即將發(fā)生故障。

②時間，電爐絲發(fā)生故障的機會隨使用時間增加，提前更換已經(jīng)達到預(yù)期更換時間的電爐絲，顯然就可以避免在工作時發(fā)生故障?？煽啃约夹g(shù)可以提供成熟的方法。

（2）電爐絲在未發(fā)生故障時就主動將其報廢，表明上看似有些浪費，但是，電爐絲的價格較低，在預(yù)期更換時間繼續(xù)使用，能夠節(jié)省的費用遠小于中斷試驗造成的損失。

2.2 加熱系統(tǒng)的可靠性

由6 個加熱裝置并聯(lián)構(gòu)成的加熱系統(tǒng)是可靠性分析的對象，由于任何1 個加熱裝置故障都意味著加熱系統(tǒng)故障，從而導(dǎo)致試驗中斷，所以，在可靠性分析過程中，加熱系統(tǒng)視為邏輯上是由6 個加熱裝置組成的串聯(lián)系統(tǒng)，加熱系統(tǒng)的可靠度為：

式中：

R—單次試驗加熱系統(tǒng)的可靠度；

R1～R6—單個加熱裝置的可靠度。

若取Rm為加熱裝置的可靠度均值，則有：

令RU和RL為加熱裝置可靠度的上限和下限，則加熱裝置的可靠度均值可以表達為：

令RU=1，則有：

對于由6 個加熱裝置串聯(lián)組成的加熱系統(tǒng)，有：

按一般經(jīng)驗取R=0.90，代入式（5）、（6），有：

根據(jù)式（1）和改進后單臺加熱裝置的壽命分布t～N(445,1002)，有：

解方程，得：

tL=393 h

為便于維修操作，規(guī)定電爐絲更換時間為380 h～400 h。

2.3 管理措施

（1）每個加熱裝置建立管理臺賬，記錄每次檢察的情況和累計運行時數(shù)；

（2）每次試驗前目視檢查電爐絲，以及電爐絲運行時數(shù)，試驗結(jié)束登記實際運行時數(shù)；

（3）定期檢查電爐絲電阻值并記錄；

（4）電爐絲達到預(yù)期累計工作時數(shù)，按計劃更換，如果目視檢查或電阻檢查發(fā)現(xiàn)異常則隨時更換。

3 效果驗證

3.1 可靠性改進方案

通過上述的分析，本實驗室提出以下吸油煙機發(fā)熱試驗用加熱裝置的可靠性改進方案：

（1）完善裝置點檢工作，通電前，檢查電爐絲連接是否可靠，接線柱是否有碳化嚴重、接觸不良等現(xiàn)象；通電后，檢查爐絲表面發(fā)光亮度是否均勻，接線柱無異常發(fā)光。

（2）定期組織核查電爐絲兩端阻值，阻值不滿足使用要求應(yīng)及時進行更換。

（3）更換維修時明確電爐絲與螺絲緊固方式，連接柱采用墊片加彈介固定方式，并根據(jù)螺釘規(guī)格施加一定的扭力進行固定。

（4）加熱裝置與試驗鍋底保持一定距離間隙，推薦選用氧化鋁陶瓷材料作為爐墊固定于爐面上，垂直方向上的距離在10 mm～15 mm 方可。

（5）為電爐絲等易損件制定更換計劃表，根據(jù)加熱裝置壽命特征和可靠度計算，要求電爐絲的累計工作時長不應(yīng)大于400 h，并做好更換記錄。

3.2 效果驗證

方案（1）～（4）的改善，實驗室跟蹤了30 組加熱裝置的故障數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)裝置累計運行時間得到有效延長，其正態(tài)分布為t～N(445,1002)，壽命中位數(shù)為445 h，單個裝置累計運行時間為一個月的可靠度提升至99.7%，比改進前提升77.1%。此外，隨即進行方案（5）的實施，對累計運行時長達380 h 以上的電爐絲進行強制更換。近100 次試驗中，因加熱裝置故障導(dǎo)致試驗中止1 次，故障現(xiàn)象為主控板燒壞，而電爐絲斷裂情況未曾出現(xiàn)，可見順利地解決了吸油煙機發(fā)熱試驗加熱裝置故障率高的問題。

4 結(jié)束語

直接影響吸油煙機試驗工作效率的因素是發(fā)熱裝置的故障，通過對故障機理的分析和故障數(shù)據(jù)的分析，對主要影響加熱裝置正常運行的電爐絲采取了結(jié)構(gòu)改進措施，一方面改進電爐絲的緊固結(jié)構(gòu)，另一方面合理設(shè)置了電爐絲與試驗鍋之間的間隙，從而大幅度延長了電爐絲的使用壽命，有效降低了加熱裝置的故障率。在此基礎(chǔ)上，利用可靠性分析方法，確定合理的預(yù)防性更換時間，取得故障可控的效果。從措施落實之后的約100 次試驗結(jié)果可以了解，這些措施基本上實現(xiàn)了在試驗過程中不發(fā)生加熱裝置故障的水平。在這項改進活動中顯示，對于一些看似具有不確定性的故障，只要認真分析，結(jié)合可靠性的工具，就能夠有效提高對故障的控制能力。這項成功的改進活動，在可靠性分析工具方面的運用經(jīng)驗可以為其他試驗項目工作效率的提高，提供可借鑒的經(jīng)驗。設(shè)備可靠性分析和預(yù)防性維修管理方案可推廣至其他領(lǐng)域，幫助企業(yè)和實驗室通過運用科學(xué)手段分析解決設(shè)備不良帶來的影響，提升設(shè)備的管理水平和工作效率。