吸油烟机发热试验用加热装置的可靠性改进
时间：2023-04-09 10:40:04 来源：千叶帆 本文已影响人
谭民杰 江先明 黄逊青
（广东万和新电气股份有限公司，广东佛山 528305）
日常家用电器产品使用过程不可避免发热问题，器具部件在电流电压作用下，内部电阻热损和机械磨损都将产生热量，热量与周围环境温度进行交换后将趋于稳态工作，温升则是产品热量交换趋于稳定实现平衡的指标，温升的大小一定程度反映着产品散热系统的好坏，它也是产品发生热失效和故障的主要原因[1]。在产品安全性和可靠性分析研究中，发热试验作为产品热设计中温升的主要验证手段，GB 4706.1-2005《家用和类似用途电器的安全 第1 部分：通用要求》第11 章明确要求产品在正常使用中，器具和其周围环境之间的温升不应超过所规定限值[1]。
吸油烟机作为厨电电器产品被广泛用到各个家庭，由于它工作环境的特殊，其热设计的验证条件有别于其他家电产品。GB 4706.28-2008《家用和类似用途电器的安全 吸油烟机的特殊要求》标准中规定了吸油烟机正下方需布置6 台总电功率为10.5 kW 的加热装置，为其发热试验过程持续提供恒定热源，以验证吸油烟机最大负荷工作下各零部件的温升是否满足标准要求[2]。吸油烟机发热试验中，需在温度湿度受控的环境下进行，电阻炉作为加热装置的使用，一般需要连续运行3 h 以上，若试验过程有1 台加热装置发生故障，试验需停止，待产品恢复至常温之后重新开始，不仅造成试验过程的运行能耗和其他设备运行损耗增加，而且延长试验设备的占用时间，影响其他待检样品的试验安排。本文对吸油烟机发热试验用加热装置在试验过程中发生故障的原因进行分析，并讨论利用可靠性原理改善试验过程中这些加热装置的可控性措施。
1.1 失效数据
为了解加热装置的使用情况，本实验室收集了30 组加热装置从投入使用到发生失效的数据，经整理，装置故障前累计运行时间t 服从正态分布，即t～N(182,1062)，寿命中位数在182 h（如图1 所示）。在可靠性设计分析中，可靠度R(t)是一项重要研究指标，它是产品在规定条件下和规定时间内完成要求功能的概率[3]。根据经验，电炉丝的产品寿命特征服从正态分布，有以下关系：
图1 改进前单台加热装置的寿命分布
式中：
t—装置的累计运行时间；
μ—失效模型的时间均值；
δ—失效模型的时间标准差。
按实验室设备运行情况，单个加热装置每月运行时间约为80 h，则装置累计运行时间为一个月的可靠度：
对故障数据进一步分析，发现97%的故障为炉丝断裂，而出现断裂的位置主要有两处：（1）炉丝连接螺钉紧固处，（2）炉丝与试验锅底接触处。因此，如何改善实验过程中加热装置炉丝断裂，找出炉丝易损原因是本课题的重要方向。
1.2 失效机理
一般的电热装置采用镍铬合金为电热丝，利用金属材料通电导热的特性，让电能转化为热能，镍铬合金具有电阻率高、熔点高的特点，最高工作温度可达1 400℃[4]。电热丝的实际应用时，为提高单位面积的热量，电热丝都将制成螺旋状，两端使用螺丝、垫片和螺帽紧固的方式连接，盘绕在绝缘且耐高温的炉架上。所有发热元器件的失效离不开温度的影响，温度的上升，一方面加速材料氧化，加速材料脆化而断裂；
在散热条件不变的情况下，若热量无法释放，超越材料本身承受的温度限值，容易出现熔断失效。
（1）电炉丝螺丝紧固处断裂[4]
炉丝与螺钉的连接（如图2 所示），属于两种不同金属的连接，连接位置存在接触电阻，该电阻的大小取决于连接的质量，接触间材料的差异，接触处紧固力大小，接触形式和表面状态等方面都是影响阻值大小的重要因素。以上列举的因素若不能进行有效的管控，阻值一旦变大，炉丝通电运行时，接触电阻上的压降增大，通过的电流变大，产生的热量更多，长时间的高温工作加速它的失效。
图2 电炉丝紧固结构图
（2）电炉丝触碰锅底处断裂
金属材料在长时间高温载荷下都将影响材料本身的机械性能，同理电炉丝经长时间工作，固定在盘绕拐角处的电炉丝容易发生向上位移的形变，当形变位置触碰到试验锅底（如图3所示），异常的接触电阻使触点位置温度升高而加速断裂。该位置与螺丝紧固位置的失效，都需要经过时间累积，单次试验累积的热量不足以将其发生快速失效。然而，两个触点的失效又有别于单个触点，由于两触点间产生更大的压降，产生的大电流叠加在触点上更容易使炉丝发生断裂。为验证该失效模型，本实验室模拟电炉丝两处形变位置触碰试验锅底，此时通过热成像测试仪观察触点的温度可高达1 350℃，结果电炉丝工作不到十分钟便发生断裂。
图3 电炉丝形变示意图
1.3 结构改进措施
（1）电炉丝紧固方式
对于电炉丝紧固方式的改进，采取了两项措施：第一，紧固位置保证一定的接触面积，采取弹介垫片固定方式，电炉丝两端制成环形与垫片相压制，垫片大小覆盖环形接线端，避免电炉丝与紧固螺钉直接压紧；
第二，施加一定紧固扭力保证有效连接，根据材料特性规定合适的安装扭力，避免因压力不足使接触端不能有效贴合或压紧处受力不均，同时施加弹簧垫片安装也可以起到防松脱的作用，防止加热冷却过程中材料收缩引起的压紧力发生变化导致松动。
（2）电炉丝与试验锅间隙
市场上灶具产品一般配套金属炉架以避免炉面与锅底直接接触，然而电炉产品有别于此，金属炉架属导电材料不利于解决绝缘问题。经市场调研建议选择氧化铝陶瓷材料，其具有耐磨、耐冲击、耐腐蚀、耐高温且绝缘的特性，经简单加工固定在炉面上方可使用。由于电炉丝形变产生的向上位移一般不超过10 mm，所以炉垫高度在10 mm～15 mm 方可，避免试验锅放置过高影响热量的获得。
1.4 结构改进效果
通过电炉丝紧固方式的改进以及增大电炉丝与试验锅间隙两项结构改进措施的实施，加热装置的寿命显著延长，从统计数据可以了解，改进后电炉丝的平均使用寿命达到445 h，比改进前的182 h 大幅度延长，由于加热装置故障导致试验中断的情况因此而大幅度减少，如图4 所示。
图4 改进后单台加热装置的寿命分布
2.1 预防性维修原理
为进一步减少加热装置故障对试验计划的影响，项目组成员考虑尝试采用预防性维修方法，以加热装置的可靠性作为控制指标，以便能够尽量减少加热装置故障导致试验中断的机会。总体的思路就是通过预计电炉丝的故障时间，在其发生故障之前就将其更换下来，避免其在工作过程中发生故障。
采用预防性维修方法首先要解决的是观念转变的问题：
（1）电炉丝的故障时间是可以预计的，对电炉丝故障的预计主要通过两个手段实现：
①检查，外观检查和电阻检测，如果外观出现局部变色，通常是局部出现过热，意味电炉丝即将发生故障；
电炉丝加热是表面发光亮度也是判断其状态的重要特征；
电炉丝冷态电阻增大，通常意味电炉丝已经出现异常，也是意味电炉丝即将发生故障。
②时间，电炉丝发生故障的机会随使用时间增加，提前更换已经达到预期更换时间的电炉丝，显然就可以避免在工作时发生故障。可靠性技术可以提供成熟的方法。
（2）电炉丝在未发生故障时就主动将其报废，表明上看似有些浪费，但是，电炉丝的价格较低，在预期更换时间继续使用，能够节省的费用远小于中断试验造成的损失。
2.2 加热系统的可靠性
由6 个加热装置并联构成的加热系统是可靠性分析的对象，由于任何1 个加热装置故障都意味着加热系统故障，从而导致试验中断，所以，在可靠性分析过程中，加热系统视为逻辑上是由6 个加热装置组成的串联系统，加热系统的可靠度为：
式中：
R—单次试验加热系统的可靠度；
R1～R6—单个加热装置的可靠度。
若取Rm为加热装置的可靠度均值，则有：
令RU和RL为加热装置可靠度的上限和下限，则加热装置的可靠度均值可以表达为：
令RU=1，则有：
对于由6 个加热装置串联组成的加热系统，有：
按一般经验取R=0.90，代入式（5）、（6），有：
根据式（1）和改进后单台加热装置的寿命分布t～N(445,1002)，有：
解方程，得：
tL=393 h
为便于维修操作，规定电炉丝更换时间为380 h～400 h。
2.3 管理措施
（1）每个加热装置建立管理台账，记录每次检察的情况和累计运行时数；
（2）每次试验前目视检查电炉丝，以及电炉丝运行时数，试验结束登记实际运行时数；
（3）定期检查电炉丝电阻值并记录；
（4）电炉丝达到预期累计工作时数，按计划更换，如果目视检查或电阻检查发现异常则随时更换。
3.1 可靠性改进方案
通过上述的分析，本实验室提出以下吸油烟机发热试验用加热装置的可靠性改进方案：
（1）完善装置点检工作，通电前，检查电炉丝连接是否可靠，接线柱是否有碳化严重、接触不良等现象；
通电后，检查炉丝表面发光亮度是否均匀，接线柱无异常发光。
（2）定期组织核查电炉丝两端阻值，阻值不满足使用要求应及时进行更换。
（3）更换维修时明确电炉丝与螺丝紧固方式，连接柱采用垫片加弹介固定方式，并根据螺钉规格施加一定的扭力进行固定。
（4）加热装置与试验锅底保持一定距离间隙，推荐选用氧化铝陶瓷材料作为炉垫固定于炉面上，垂直方向上的距离在10 mm～15 mm 方可。
（5）为电炉丝等易损件制定更换计划表，根据加热装置寿命特征和可靠度计算，要求电炉丝的累计工作时长不应大于400 h，并做好更换记录。
3.2 效果验证
方案（1）～（4）的改善，实验室跟踪了30 组加热装置的故障数据，发现装置累计运行时间得到有效延长，其正态分布为t～N(445,1002)，寿命中位数为445 h，单个装置累计运行时间为一个月的可靠度提升至99.7%，比改进前提升77.1%。此外，随即进行方案（5）的实施，对累计运行时长达380 h 以上的电炉丝进行强制更换。近100 次试验中，因加热装置故障导致试验中止1 次，故障现象为主控板烧坏，而电炉丝断裂情况未曾出现，可见顺利地解决了吸油烟机发热试验加热装置故障率高的问题。
直接影响吸油烟机试验工作效率的因素是发热装置的故障，通过对故障机理的分析和故障数据的分析，对主要影响加热装置正常运行的电炉丝采取了结构改进措施，一方面改进电炉丝的紧固结构，另一方面合理设置了电炉丝与试验锅之间的间隙，从而大幅度延长了电炉丝的使用寿命，有效降低了加热装置的故障率。在此基础上，利用可靠性分析方法，确定合理的预防性更换时间，取得故障可控的效果。从措施落实之后的约100 次试验结果可以了解，这些措施基本上实现了在试验过程中不发生加热装置故障的水平。在这项改进活动中显示，对于一些看似具有不确定性的故障，只要认真分析，结合可靠性的工具，就能够有效提高对故障的控制能力。这项成功的改进活动，在可靠性分析工具方面的运用经验可以为其他试验项目工作效率的提高，提供可借鉴的经验。设备可靠性分析和预防性维修管理方案可推广至其他领域，帮助企业和实验室通过运用科学手段分析解决设备不良带来的影响，提升设备的管理水平和工作效率。
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