1 引言

 

  空氣源熱泵熱水器是新一代節(jié)能型熱水器，其制熱效率是電熱水器的2 ～ 3 倍，在發(fā)達(dá)國(guó)家使用比例高達(dá)80% 左右。然而，我國(guó)在2009 年9 月1 日起實(shí)施的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB /T23137－ 2008《家用和類似用途熱泵熱水器》的引導(dǎo)下，熱泵熱水器產(chǎn)品開始發(fā)展，市場(chǎng)份額在2009 年初不足3%， 2010 年剛超過(guò)5%。熱泵熱水器在國(guó)內(nèi)發(fā)展比較緩慢的主要原因是: 技術(shù)難度大，受影響因素多，產(chǎn)品的可靠性不易保障。雖然熱泵熱水器系統(tǒng)和熱泵空調(diào)系統(tǒng)工作原理相同，但是運(yùn)行工況更惡劣、運(yùn)行溫度范圍更寬。熱泵空調(diào)將室外低溫空氣中的熱量泵到室內(nèi)空氣環(huán)境中，室內(nèi)溫度運(yùn)行的范圍一般在18 ～ 30℃之間; 但熱泵熱水器室內(nèi)側(cè)水箱中的熱水溫度范圍為5 ～55℃，此種運(yùn)行溫度范圍對(duì)熱泵熱水器系統(tǒng)提出了更高的要求。同時(shí)這些產(chǎn)品工作環(huán)境復(fù)雜多變，節(jié)能效果受季節(jié)影響很大，如果直接借用熱泵空調(diào)技術(shù)，產(chǎn)品的可靠性很難得到保障; 例如熱泵系統(tǒng)頻繁高溫高壓保護(hù)，導(dǎo)致壓縮機(jī)的頻繁停啟，會(huì)降低壓縮機(jī)的可靠性; 蒸發(fā)器結(jié)霜時(shí)導(dǎo)致熱泵系統(tǒng)運(yùn)行工況變差，頻繁化霜會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)制熱效果變差; 冷媒泄漏、高低壓保護(hù)開關(guān)故障等導(dǎo)致售后維修量大; 還有北方地區(qū)在冬季時(shí)段用熱泵熱水器供熱水時(shí)，裝置運(yùn)行工況比較惡劣，機(jī)組性能系數(shù)較低，如果機(jī)組冷凝器和蒸發(fā)器匹配不當(dāng)，則機(jī)組的可靠性會(huì)大大降低，直接影響產(chǎn)品的節(jié)能效果。本文將深入分析影響空氣源熱泵熱水器產(chǎn)品可靠性的原因，研究提升其可靠性的模型和方法。

 

  2 空氣源熱泵熱水器可靠性的影響因素分析

 

  可靠性是指產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。空氣源熱泵熱水器的可靠性要求是在額定功率下、在規(guī)定的氣溫范圍內(nèi)( 一般為5℃ 以上) 把自來(lái)水加熱到設(shè)定溫度( 一般為50 ～ 60℃左右) 的加熱速度。但一些空氣源熱泵熱水器由于各種原因達(dá)不到這個(gè)要求，主要有以下幾個(gè)方面:

 

  ( 1) 空氣源熱泵熱水器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，長(zhǎng)期以來(lái)研發(fā)人員主要關(guān)心產(chǎn)品功能的實(shí)現(xiàn)，對(duì)其可靠性很少進(jìn)行研究，而產(chǎn)品的設(shè)計(jì)是決定了產(chǎn)品固有可靠性;( 2) 目前我國(guó)空氣源熱泵熱水器處于市場(chǎng)培

 

  育階段，多數(shù)企業(yè)是小批量生產(chǎn)，很多工序采用手工作業(yè)，降低了產(chǎn)品的可靠性水平。例如，熱泵機(jī)組中連接壓縮機(jī)、電磁換向四通閥、蒸發(fā)器、換熱器和氣液分離器等部件的銅管折彎以及銅管的焊接，采用手工完成，人為因素會(huì)影響整個(gè)機(jī)組可靠性水平;( 3) 空氣源熱泵熱水器的相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)制定和實(shí)施時(shí)間比較晚。空氣源熱泵熱水器的很多零部件都是使用空調(diào)的配件，還沒(méi)有全部按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)制造。空氣源熱泵熱水器和空調(diào)的工作環(huán)境不同，空氣源熱泵熱水器的工作環(huán)境惡劣些。例如空氣源熱泵熱水器直接采用空調(diào)壓縮機(jī)，勢(shì)必會(huì)影響壓縮機(jī)的壽命以及可靠性水平;( 4) 空氣源熱泵熱水器的安裝和使用維護(hù)，特別是使用維護(hù)方面，存在很多問(wèn)題進(jìn)而影響到其使用過(guò)程可靠性。例如，機(jī)組安裝的位置要符合規(guī)定要求，蒸發(fā)器要定期清理等，否則會(huì)影響其可靠性;( 5) 可靠性工程是一項(xiàng)復(fù)雜系統(tǒng)工程，大多數(shù)的研發(fā)人員和企業(yè)的管理者對(duì)它不很了解，這樣就很難將可靠性技術(shù)應(yīng)用到產(chǎn)品中。

 

  基于以上的原因，將可靠性工程技術(shù)應(yīng)用到空氣源熱泵熱水器的設(shè)計(jì)生產(chǎn)過(guò)程，對(duì)提高空氣源熱泵熱水器的可靠性水平，具有重要的意義。

 

  3 空氣源熱泵熱水器可靠性模型

 

  建立家用型空氣源熱泵熱水器的可靠性模型時(shí)不僅要考慮可能發(fā)生的故障引起的維修及保障要求，也就是基本可靠性模型; 也要考慮在執(zhí)行任務(wù)的過(guò)程中完成規(guī)定功能的概率，也就是任務(wù)可靠性模型。

 

  基本可靠性模型是用以估計(jì)產(chǎn)品及其組成單元可能發(fā)生的故障引起的維修及其保障要求，是一個(gè)全串聯(lián)模型［4］。系統(tǒng)儲(chǔ)備單元越多，其基本可靠性越低。因此，對(duì)基本可靠性而言，應(yīng)該盡可能減少儲(chǔ)備。對(duì)家用型熱泵熱水器進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，由于家用型的壓縮機(jī)和氣液分離器是一體的，所以基本可靠性框圖初步建立如圖1 中( a) 所示: 任務(wù)可靠性模型是用以估計(jì)產(chǎn)品在執(zhí)行任務(wù)過(guò)程中完成規(guī)定功能的概率，描述完成任務(wù)過(guò)程中，產(chǎn)品各單元的預(yù)定作用并度量工作有效性的一種可靠性模型［4］。顯然，系統(tǒng)儲(chǔ)備單元越多，其可靠性就越高。并聯(lián)裝置的可靠性要高于其串聯(lián)裝置的可靠性; 家用型空氣源熱泵熱水器的制熱任務(wù)剖面的任務(wù)可靠性框圖初步建立如圖1 中( b) 所示。

 

  根據(jù)建立的基本可靠性框圖和任務(wù)可靠性框圖建立基本可靠性數(shù)學(xué)模型和任務(wù)可靠性數(shù)學(xué)模型［4］。主要依據(jù)概率論的知識(shí)，根據(jù)分析基本可靠性框圖和任務(wù)可靠性框圖得知，基本可靠性模型各部分是全串聯(lián)的，而任務(wù)可靠性模型是串并混聯(lián)的，由此運(yùn)用概率論知識(shí)得知其數(shù)學(xué)模型分別如下:

 

  RS = R1R2R3R4R5R6R7R8R9R10R11× R12R13 R14R15 R16R17( 1)Rms = R1R2R3R4

 

  ［1 － ( 1 － R5) ( 1 － R6) ］× R7R8R9R10R11R12R13R14－ R15R16R17( 2)式中RS———基本可靠性度

 

  Rms———制熱系統(tǒng)任務(wù)可靠度

 

  Ri———各單元的可靠度，i = 1，2，3，…， 17，0 ＜ Ri ＜ 1假設(shè)系統(tǒng)各單元壽命服從指數(shù)分布，圖中各單元上方的數(shù)字為單元的故障率λi( 0 ＜ λi) ，當(dāng)所有單元相同，且壽命均服從指數(shù)分布，故障監(jiān)測(cè)裝置及轉(zhuǎn)換裝置可靠度為1 時(shí)，系統(tǒng)基本可靠度為:

 

  Rs( t) =Π17i = 1e － λi t = exp( －Σ17i = 1λi t) ( 3)因?yàn)閠 ＞ 0 ，0＜ λi

 

  所以e － λi t ＜ 1 可見故障率λ 越高，系統(tǒng)的基本可靠性和任務(wù)可靠性都降低。

 

  根據(jù)這個(gè)數(shù)學(xué)模型可以很清楚的了解到提高哪些零部件的可靠度最有利于系統(tǒng)的可靠度Rs提高，即用最小成本獲得最大的可靠度。對(duì)于Rms也是如此，在此不再贅述。

 

  4 空氣源熱泵熱水器的故障模式分析和故障樹分析4． 1 故障模式分析

 

  在整個(gè)家用型空氣源熱泵熱水器運(yùn)行期間，凡是使系統(tǒng)工作工況不能滿足規(guī)定要求的事件都稱為故障事件。空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)是由管道連接的各種設(shè)備而組成相互關(guān)聯(lián)、相互影響的系統(tǒng)，如果系統(tǒng)中有一個(gè)部件出現(xiàn)故障，則會(huì)影響其它部件的工作，進(jìn)而影響整個(gè)系統(tǒng)。家用型空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)有不同層次的系統(tǒng)組成，如制熱系統(tǒng)，除霜系統(tǒng)等。熱水器系統(tǒng)出現(xiàn)的故障很多、也很復(fù)雜，根據(jù)不同的特征進(jìn)行歸類; 根據(jù)故障顯現(xiàn)程度，可分為顯性故障和隱形故障。如: 風(fēng)機(jī)停轉(zhuǎn)，水管漏水等容易察覺(jué)的故障屬于顯性故障; 換熱器結(jié)垢等不易察覺(jué)的故障稱為隱性故障。

 

  根據(jù)故障對(duì)系統(tǒng)造成的影響程度，可分為軟故障和硬故障。如電機(jī)燒壞等設(shè)備完全失效的故障稱為硬故障。儀表漂移等設(shè)備性能下降等故障成為軟故障。

 

  4． 2 故障樹分析

 

  制熱系統(tǒng)是家用型空氣源熱泵熱水器的核心，同時(shí)也是容易發(fā)生故障的單元。制熱系統(tǒng)由壓縮機(jī)、節(jié)流裝置、蒸發(fā)器、冷凝器、電磁四通閥、風(fēng)機(jī)、控制部分等組成; 其中節(jié)流裝置由毛細(xì)管和電子膨脹閥并聯(lián)組成。把制熱系統(tǒng)故障作為頂事件，導(dǎo)致頂事件發(fā)生的事件又有許多基本事件，根據(jù)具體情況分析得到制熱系統(tǒng)的故障樹如圖2 中虛框所示。評(píng)價(jià)故障樹的最好方法就是利用它的最小割集［5］，確定故障樹最小割集的算法有布爾代數(shù)化簡(jiǎn)法和矩陣排列法等，這里采用布爾代數(shù)化簡(jiǎn)法求其最小割集。

 

  圖2 中虛框所示的故障樹可運(yùn)用布爾代數(shù)邏

 

  輯運(yùn)算簡(jiǎn)化:

 

  Z3 = Y1 + Y2 + Y3 + X7 + X8 + X9 + X10= X1 + X2 + X3 + X4 + X5· X6+ X7 + X8 + X9 + X10其中“+”表示邏輯加法，“·”表示邏輯乘法所以該故障樹的最小割集為: { X1 } ，{ X2 } ，{ X3 } ，{ X4 } ，{ X5、X6 } ，{ X7 } ，{ X8 } ，{ X9 } ，{ X10} 。假設(shè)在各個(gè)底層事件發(fā)生的概率差別不大的條件下，根據(jù)每個(gè)最小割集的階數(shù)，階數(shù)越小的最小割集最重要，可見要提高制熱系統(tǒng)的可靠性，提高壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、電磁四通閥、冷凝器等的可靠性是提高整個(gè)制熱系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵。節(jié)流裝置采用毛細(xì)管節(jié)流裝置和電子膨脹閥并聯(lián)組成，能提高其任務(wù)可靠度。

 

  家用型空氣源熱泵熱水器的故障由多個(gè)單元

 

  故障引起，引起各個(gè)單元發(fā)生故障的原因又有很多小故障。主要由制熱系統(tǒng)、除霜系統(tǒng)等部分組成。把空氣源熱泵熱水器的故障作為頂事件，從上到下逐層逐級(jí)可建立故障樹，如圖2 所示。圖2 中的故障樹可運(yùn)用布爾代數(shù)邏輯運(yùn)算簡(jiǎn)化:

 

  T = Z1 + Z2 + Z3= ( Y1 + Y2 + Y3 + X7 + X8 + X9+ X10) + ( Y1 + Y2 + Y3 + X7 + X8+ X10) + X11 + X12= X1 + X2 + X3 + X4 + X5· X6 + X7+ X8 + X9 + X10 + X11 + X12其中Z1 = X11 + X12Z2 = X1 + X2 + X3 + X4 + X5· X6 + X7 +X8 + X10Z3 = X1 + X2 + X3 + X4 + X5· X6 + X7 +X8 + X9 + X10“+”表示邏輯加法，“·”表示邏輯乘法

 

  由此可見該故障樹最小割集為{ X1} ，{ X2} ，{ X3 } ，{ X4 } ，{ X5、X6 } ，{ X7 } ，{ X8 } ，{ X9 } ，{ X10} ，{ X11} ，{ X12} 。如果把除霜系統(tǒng)的故障作為頂事件，那么由Z2 = X1 + X2 + X3 + X4 + X5· X6 + X7 + X8 + X10 得知其最小割集為{ X1} ，{ X2 } ，{ X3 } ，{ X4 } ，{ X5、X6 } ，{ X7 } ，{ X8 } ，{ X10} 。同時(shí)也是制熱系統(tǒng)和除霜系統(tǒng)所共有部分，其中的任意個(gè)發(fā)生故障，都將會(huì)導(dǎo)致制熱系統(tǒng)和除霜系統(tǒng)的故障發(fā)生，因此其可靠性對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的可靠性尤為關(guān)鍵。

 

  實(shí)際上各個(gè)單元之間相互影響，壓縮機(jī)故障可能是由其他單元故障引起的，如高低壓開關(guān)故障，會(huì)導(dǎo)致壓縮機(jī)工作環(huán)境的高低壓保護(hù)失去作用，進(jìn)而可能引起壓縮機(jī)故障。

 

  5 空氣源熱泵熱水器的可靠性設(shè)計(jì)

 

  根據(jù)客戶的需求，制定出關(guān)于空氣源熱泵熱水器的可靠性定性和定量的指標(biāo)，然后再通過(guò)系統(tǒng)可靠性模型、可靠性分配和預(yù)測(cè)技術(shù)對(duì)可靠性進(jìn)行預(yù)計(jì)，最后通過(guò)分析、試驗(yàn)對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)，把可靠性的定量要求體現(xiàn)到產(chǎn)品的技術(shù)文件中。空氣源熱泵熱水器的可靠性設(shè)計(jì)流程如圖3 所示。從節(jié)約成本、節(jié)省時(shí)間、見效快的方面考慮，分為上市產(chǎn)品和研發(fā)產(chǎn)品，對(duì)它們分別采取不同的可靠性研究方法。然而上市產(chǎn)品的可靠性分析可以作為新研發(fā)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)參考，上市產(chǎn)品的可靠性指標(biāo)分配可做為新研發(fā)產(chǎn)品的可靠性指標(biāo)分配的參考。

 

  ( 1) 上市產(chǎn)品，大都具有比較完善的數(shù)據(jù)，如故障模式、故障影響、故障檢測(cè)方法、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)等。

 

  從節(jié)約成本和減少工作量的角度考慮，一般采用故障模式及其影響分析( FMEA) 和故障樹分析( FTA) 等; 先找出制約可靠度提高的關(guān)鍵問(wèn)題，針對(duì)問(wèn)題進(jìn)行專項(xiàng)攻關(guān)改進(jìn); 然后再通過(guò)設(shè)計(jì)評(píng)審對(duì)改進(jìn)進(jìn)行研究，保證改進(jìn)確實(shí)能夠提高產(chǎn)品的可靠性水平; 最后通過(guò)可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證是否達(dá)到了預(yù)定的可靠性要求，同時(shí)建立起該產(chǎn)品可靠性經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)，也為以后建立該產(chǎn)品的可靠性標(biāo)準(zhǔn)打下基礎(chǔ)和同類或類似新產(chǎn)品的開發(fā)提供可靠性方面的參考。

 

  ( 2) 研發(fā)產(chǎn)品，首先分析市場(chǎng)的需求以及客

 

  戶的需要來(lái)確定產(chǎn)品的定性和定量的可靠性指標(biāo); 然后參考同類或類似上市產(chǎn)品的故障分析結(jié)果，進(jìn)行可靠性指標(biāo)的分配和預(yù)計(jì); 再經(jīng)過(guò)對(duì)比分析可靠性預(yù)計(jì)與可靠性指標(biāo)，如不能滿足客戶要求，修正各部分的可靠性指標(biāo)或者修正設(shè)計(jì)方案，直到滿足要求為止。可靠性預(yù)計(jì)和分配指標(biāo)如圖4 所示。

 

  6 空氣源熱泵熱水器的可靠性增長(zhǎng)

 

  為了提高空氣源熱泵熱水器的可靠性水平，必須把可靠性工作合理地安排在整個(gè)產(chǎn)品壽命周期內(nèi)，特別在產(chǎn)品研制階段，運(yùn)用可靠性工程技術(shù)，才能達(dá)到預(yù)期的目的。上市產(chǎn)品和研發(fā)產(chǎn)品的可靠性增長(zhǎng)研究方法不同，其中對(duì)上市產(chǎn)品的可靠性分析結(jié)果，可作為開發(fā)設(shè)計(jì)新產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)的參考，這樣有助于迅速開發(fā)出高可靠性的新產(chǎn)品。

 

  6． 1 上市產(chǎn)品

 

  因?yàn)檫^(guò)去的空氣源熱泵熱水器產(chǎn)品主要進(jìn)行功能設(shè)計(jì)，很少采用可靠性設(shè)計(jì)，可靠性難以滿足用戶的要求，這就迫使生產(chǎn)商要對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)設(shè)計(jì)流程如圖5 所示。

 

  最有效的方法就是加強(qiáng)生產(chǎn)商和用戶的溝通，通過(guò)不斷對(duì)產(chǎn)品使用信息的反饋，找出產(chǎn)品的薄弱環(huán)節(jié)，進(jìn)行產(chǎn)品的改造［6］。首先，用戶在使用產(chǎn)品過(guò)程中，要記錄好運(yùn)行和維修情況; 然后將產(chǎn)品的故障信息反饋給制造商，制造商應(yīng)該將用戶的反饋信息分別送給相關(guān)研發(fā)人員，然后研發(fā)人員根據(jù)反饋的信息，通過(guò)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中可靠性的監(jiān)控和分析，進(jìn)行故障原因的查找和產(chǎn)品的改進(jìn)設(shè)計(jì)。隨著故障數(shù)據(jù)的累積，研發(fā)人員可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，形成該產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)規(guī)范。

 

  6． 2 研發(fā)產(chǎn)品

 

  對(duì)新產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)用同類或相似產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)規(guī)范作為參考，如下進(jìn)行:

 

  ( 1) 空氣源熱泵熱水器的研制階段要用同類

 

  或相似產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)規(guī)范作為參考，提出定性與定量的可靠性要求，確定合適的方案、可靠性指標(biāo)和考核方法; 研制過(guò)程中應(yīng)當(dāng)按照計(jì)劃開展可靠性設(shè)計(jì)、分析和試驗(yàn)工作; 產(chǎn)品設(shè)計(jì)成型階段，必須測(cè)試產(chǎn)品的可靠性，確保達(dá)到要求的可靠性指標(biāo)。必須加強(qiáng)產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程中的可靠性試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)檢驗(yàn)產(chǎn)品當(dāng)中存在的問(wèn)題，及時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)設(shè)計(jì);( 2) 空氣源熱泵熱水器的生產(chǎn)階段，要鑒定在批量生產(chǎn)條件下可靠性保證措施的有效性; 生產(chǎn)階段應(yīng)保證批量生產(chǎn)中各種裝備的可靠性，重點(diǎn)跟蹤和控制空氣源熱泵熱水器關(guān)鍵部件和關(guān)鍵工序的可靠性。由于產(chǎn)品在整個(gè)研制階段可靠性是一個(gè)增長(zhǎng)的過(guò)程，如果一個(gè)環(huán)節(jié)失控，產(chǎn)品可靠性可能會(huì)達(dá)不到要求，因此必須對(duì)其采取全程監(jiān)控，加強(qiáng)可靠性管理。

 

  總之，可靠性設(shè)計(jì)決定了產(chǎn)品的固有可靠性，為了提高空氣源熱泵熱水器可靠性水平，首先應(yīng)該使企業(yè)中的研發(fā)人員及時(shí)掌握可靠性設(shè)計(jì)方法，從源頭上提高產(chǎn)品的可靠性水平; 其次根據(jù)可靠性的設(shè)計(jì)要求，制定出合理的加工工藝; 在產(chǎn)品成型后，不僅要進(jìn)行功能試驗(yàn)，還要按照可靠性試驗(yàn)的要求，對(duì)其進(jìn)行可靠性試驗(yàn)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品中可靠性較低的部件; 對(duì)于重要的、可靠性差的空氣源熱泵熱水器部件，對(duì)其進(jìn)行失效機(jī)理分析; 如果現(xiàn)有技術(shù)水平可以改進(jìn)的應(yīng)該改進(jìn)，如果技術(shù)上難以保證或經(jīng)濟(jì)上不合算的部件，則必須制定相應(yīng)的預(yù)防性維修任務(wù)，以減少故障發(fā)生的頻率。

 

  7 結(jié)語(yǔ)

 

  空氣源熱泵熱水器是一種高效節(jié)能裝置，但在實(shí)際推廣使用的過(guò)程中，暴露了產(chǎn)品可靠性不高的缺點(diǎn)。針對(duì)這種情況，指出了目前空氣源熱泵熱水器可靠性不高具體的原因; 在分析空氣源熱泵熱水器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，建立了基本可靠性模型和任務(wù)可靠性模型，并分析了基本可靠度和任務(wù)可靠度之間的制約關(guān)系; 通過(guò)故障模式分析和故障樹分析，找出了制約其可靠性提高的關(guān)鍵部件; 最后論述可靠性設(shè)計(jì)和可靠性增長(zhǎng)等技術(shù)在空氣源熱泵熱水器產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的具體應(yīng)用; 為提高產(chǎn)品可靠性提供了技術(shù)保障。

 

  最后由于技術(shù)進(jìn)步日新月異，未來(lái)空氣源熱泵熱水器的功能趨向多樣化，對(duì)產(chǎn)品的可靠性會(huì)提出新的更高要求; 但隨著對(duì)其可靠性的深入研究，必將提高其運(yùn)行性能。