空氣源熱泵熱水器的可靠性研究

  1 引言

 

  空氣源熱泵熱水器是新一代節能型熱水器，其制熱效率是電熱水器的2 ～ 3 倍，在發(fā)達國家使用比例高達80% 左右。然而，我國在2009 年9 月1 日起實(shí)施的國家標準GB /T23137－ 2008《家用和類(lèi)似用途熱泵熱水器》的引導下，熱泵熱水器產(chǎn)品開(kāi)始發(fā)展，市場(chǎng)份額在2009 年初不足3%， 2010 年剛超過(guò)5%。熱泵熱水器在國內發(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和熱泵空調系統工作原理相同，但是運行工況更惡劣、運行溫度范圍更寬。熱泵空調將室外低溫空氣中的熱量泵到室內空氣環(huán)境中，室內溫度運行的范圍一般在18 ～ 30℃之間; 但熱泵熱水器室內側水箱中的熱水溫度范圍為5 ～55℃，此種運行溫度范圍對熱泵熱水器系統提出了更高的要求。同時(shí)這些產(chǎn)品工作環(huán)境復雜多變，節能效果受季節影響很大，如果直接借用熱泵空調技術(shù)，產(chǎn)品的可靠性很難得到保障; 例如熱泵系統頻繁高溫高壓保護，導致壓縮機的頻繁停啟，會(huì )降低壓縮機的可靠性; 蒸發(fā)器結霜時(shí)導致熱泵系統運行工況變差，頻繁化霜會(huì )導致系統制熱效果變差; 冷媒泄漏、高低壓保護開(kāi)關(guān)故障等導致售后維修量大; 還有北方地區在冬季時(shí)段用熱泵熱水器供熱水時(shí)，裝置運行工況比較惡劣，機組性能系數較低，如果機組冷凝器和蒸發(fā)器匹配不當，則機組的可靠性會(huì )大大降低，直接影響產(chǎn)品的節能效果。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)品在規定的條件下和規定的時(shí)間內完成規定功能的能力。空氣源熱泵熱水器的可靠性要求是在額定功率下、在規定的氣溫范圍內( 一般為5℃ 以上) 把自來(lái)水加熱到設定溫度( 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構復雜，長(cháng)期以來(lái)研發(fā)人員主要關(guān)心產(chǎn)品功能的實(shí)現，對其可靠性很少進(jìn)行研究，而產(chǎn)品的設計是決定了產(chǎn)品固有可靠性;( 2) 目前我國空氣源熱泵熱水器處于市場(chǎng)培

 

  育階段，多數企業(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，熱泵機組中連接壓縮機、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)機組可靠性水平;( 3) 空氣源熱泵熱水器的相關(guān)國家標準制定和實(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的配件，還沒(méi)有全部按照國家標準進(jìn)行設計制造。空氣源熱泵熱水器和空調的工作環(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壓縮機，勢必會(huì )影響壓縮機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，特別是使用維護方面，存在很多問(wèn)題進(jìn)而影響到其使用過(guò)程可靠性。例如，機組安裝的位置要符合規定要求，蒸發(fā)器要定期清理等，否則會(huì )影響其可靠性;( 5) 可靠性工程是一項復雜系統工程，大多數的研發(fā)人員和企業(yè)的管理者對它不很了解，這樣就很難將可靠性技術(shù)應用到產(chǎn)品中。

 

  基于以上的原因，將可靠性工程技術(shù)應用到空氣源熱泵熱水器的設計生產(chǎn)過(guò)程，對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; 也要考慮在執行任務(wù)的過(guò)程中完成規定功能的概率，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］。系統儲備單元越多，其基本可靠性越低。因此，對基本可靠性而言，應該盡可能減少儲備。對家用型熱泵熱水器進(jìn)行結構分析，由于家用型的壓縮機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產(chǎn)品在執行任務(wù)過(guò)程中完成規定功能的概率，描述完成任務(wù)過(guò)程中，產(chǎn)品各單元的預定作用并度量工作有效性的一種可靠性模型［4］。顯然，系統儲備單元越多，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學(xué)模型和任務(wù)可靠性數學(xué)模型［4］。主要依據概率論的知識，根據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，由此運用概率論知識得知其數學(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———制熱系統任務(wù)可靠度

 

  Ri———各單元的可靠度，i = 1，2，3，…， 17，0 ＜ Ri ＜ 1假設系統各單元壽命服從指數分布，圖中各單元上方的數字為單元的故障率λi( 0 ＜ λi) ，當所有單元相同，且壽命均服從指數分布，故障監測裝置及轉換裝置可靠度為1 時(shí)，系統基本可靠度為:

 

  Rs( t) =Π17i = 1e － λi t = exp( －Σ17i = 1λi t) ( 3)因為t ＞ 0 ，0＜ λi

 

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

 

  根據這個(gè)數學(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的可靠度Rs提高，即用最小成本獲得最大的可靠度。對于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(shù)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行期間，凡是使系統工作工況不能滿(mǎn)足規定要求的事件都稱(chēng)為故障事件?？諝庠礋岜脽崴飨到y是由管道連接的各種設備而組成相互關(guān)聯(lián)、相互影響的系統，如果系統中有一個(gè)部件出現故障，則會(huì )影響其它部件的工作，進(jìn)而影響整個(gè)系統。家用型空氣源熱泵熱水器系統有不同層次的系統組成，如制熱系統，除霜系統等。熱水器系統出現的故障很多、也很復雜，根據不同的特征進(jìn)行歸類(lèi); 根據故障顯現程度，可分為顯性故障和隱形故障。如: 風(fēng)機停轉，水管漏水等容易察覺(jué)的故障屬于顯性故障; 換熱器結垢等不易察覺(jué)的故障稱(chēng)為隱性故障。

 

  根據故障對系統造成的影響程度，可分為軟故障和硬故障。如電機燒壞等設備完全失效的故障稱(chēng)為硬故障。儀表漂移等設備性能下降等故障成為軟故障。

 

  4． 2 故障樹(shù)分析

 

  制熱系統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。制熱系統由壓縮機、節流裝置、蒸發(fā)器、冷凝器、電磁四通閥、風(fēng)機、控制部分等組成; 其中節流裝置由毛細管和電子膨脹閥并聯(lián)組成。把制熱系統故障作為頂事件，導致頂事件發(fā)生的事件又有許多基本事件，根據具體情況分析得到制熱系統的故障樹(shù)如圖2 中虛框所示。評價(jià)故障樹(shù)的最好方法就是利用它的最小割集［5］，確定故障樹(shù)最小割集的算法有布爾代數化簡(jiǎn)法和矩陣排列法等，這里采用布爾代數化簡(jiǎn)法求其最小割集。

 

  圖2 中虛框所示的故障樹(shù)可運用布爾代數邏

 

  輯運算簡(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(shù)的最小割集為: { X1 } ，{ X2 } ，{ X3 } ，{ X4 } ，{ X5、X6 } ，{ X7 } ，{ X8 } ，{ X9 } ，{ X10} 。假設在各個(gè)底層事件發(fā)生的概率差別不大的條件下，根據每個(gè)最小割集的階數，階數越小的最小割集最重要，可見(jiàn)要提高制熱系統的可靠性，提高壓縮機、蒸發(fā)器、電磁四通閥、冷凝器等的可靠性是提高整個(gè)制熱系統可靠性的關(guān)鍵。節流裝置采用毛細管節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、除霜系統等部分組成。把空氣源熱泵熱水器的故障作為頂事件，從上到下逐層逐級可建立故障樹(shù)，如圖2 所示。圖2 中的故障樹(shù)可運用布爾代數邏輯運算簡(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(jiàn)該故障樹(shù)最小割集為{ X1} ，{ X2} ，{ X3 } ，{ X4 } ，{ X5、X6 } ，{ X7 } ，{ X8 } ，{ X9 } ，{ X10} ，{ X11} ，{ X12} 。如果把除霜系統的故障作為頂事件，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)也是制熱系統和除霜系統所共有部分，其中的任意個(gè)發(fā)生故障，都將會(huì )導致制熱系統和除霜系統的故障發(fā)生，因此其可靠性對整個(gè)系統的可靠性尤為關(guān)鍵。

 

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

 

  5 空氣源熱泵熱水器的可靠性設計

 

  根據客戶(hù)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，然后再通過(guò)系統可靠性模型、可靠性分配和預測技術(shù)對可靠性進(jìn)行預計，最后通過(guò)分析、試驗對產(chǎn)品的設計進(jìn)行改進(jìn)，把可靠性的定量要求體現到產(chǎn)品的技術(shù)文件中?？諝庠礋岜脽崴鞯目煽啃栽O計流程如圖3 所示。從節約成本、節省時(shí)間、見(jiàn)效快的方面考慮，分為上市產(chǎn)品和研發(fā)產(chǎn)品，對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)品的設計參考，上市產(chǎn)品的可靠性指標分配可做為新研發(fā)產(chǎn)品的可靠性指標分配的參考。

 

  ( 1) 上市產(chǎn)品，大都具有比較完善的數據，如故障模式、故障影響、故障檢測方法、產(chǎn)品結構等。

 

  從節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(shù)分析( FTA) 等; 先找出制約可靠度提高的關(guān)鍵問(wèn)題，針對問(wèn)題進(jìn)行專(zhuān)項攻關(guān)改進(jìn); 然后再通過(guò)設計評審對改進(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)可靠性試驗驗證是否達到了預定的可靠性要求，同時(shí)建立起該產(chǎn)品可靠性經(jīng)驗數據庫，也為以后建立該產(chǎn)品的可靠性標準打下基礎和同類(lèi)或類(lèi)似新產(chǎn)品的開(kāi)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(hù)的需要來(lái)確定產(chǎn)品的定性和定量的可靠性指標; 然后參考同類(lèi)或類(lèi)似上市產(chǎn)品的故障分析結果，進(jìn)行可靠性指標的分配和預計; 再經(jīng)過(guò)對比分析可靠性預計與可靠性指標，如不能滿(mǎn)足客戶(hù)要求，修正各部分的可靠性指標或者修正設計方案，直到滿(mǎn)足要求為止?？煽啃灶A計和分配指標如圖4 所示。

 

  6 空氣源熱泵熱水器的可靠性增長(cháng)

 

  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，特別在產(chǎn)品研制階段，運用可靠性工程技術(shù)，才能達到預期的目的。上市產(chǎn)品和研發(fā)產(chǎn)品的可靠性增長(cháng)研究方法不同，其中對上市產(chǎn)品的可靠性分析結果，可作為開(kāi)發(fā)設計新產(chǎn)品的可靠性設計的參考，這樣有助于迅速開(kāi)發(fā)出高可靠性的新產(chǎn)品。

 

  6． 1 上市產(chǎn)品

 

  因為過(guò)去的空氣源熱泵熱水器產(chǎn)品主要進(jìn)行功能設計，很少采用可靠性設計，可靠性難以滿(mǎn)足用戶(hù)的要求，這就迫使生產(chǎn)商要對產(chǎn)品進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)設計流程如圖5 所示。

 

  最有效的方法就是加強生產(chǎn)商和用戶(hù)的溝通，通過(guò)不斷對產(chǎn)品使用信息的反饋，找出產(chǎn)品的薄弱環(huán)節，進(jìn)行產(chǎn)品的改造［6］。首先，用戶(hù)在使用產(chǎn)品過(guò)程中，要記錄好運行和維修情況; 然后將產(chǎn)品的故障信息反饋給制造商，制造商應該將用戶(hù)的反饋信息分別送給相關(guān)研發(fā)人員，然后研發(fā)人員根據反饋的信息，通過(guò)對生產(chǎn)過(guò)程中可靠性的監控和分析，進(jìn)行故障原因的查找和產(chǎn)品的改進(jìn)設計。隨著(zhù)故障數據的累積，研發(fā)人員可以對數據進(jìn)行分析，形成該產(chǎn)品的可靠性設計規范。

 

  6． 2 研發(fā)產(chǎn)品

 

  對新產(chǎn)品的可靠性設計用同類(lèi)或相似產(chǎn)品的可靠性設計規范作為參考，如下進(jìn)行:

 

  ( 1) 空氣源熱泵熱水器的研制階段要用同類(lèi)

 

  或相似產(chǎn)品的可靠性設計規范作為參考，提出定性與定量的可靠性要求，確定合適的方案、可靠性指標和考核方法; 研制過(guò)程中應當按照計劃開(kāi)展可靠性設計、分析和試驗工作; 產(chǎn)品設計成型階段，必須測試產(chǎn)品的可靠性，確保達到要求的可靠性指標。必須加強產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程中的可靠性試驗，通過(guò)試驗檢驗產(chǎn)品當中存在的問(wèn)題，及時(shí)進(jìn)行相應的改進(jìn)設計;( 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(cháng)的過(guò)程，如果一個(gè)環(huán)節失控，產(chǎn)品可靠性可能會(huì )達不到要求，因此必須對其采取全程監控，加強可靠性管理。

 

  總之，可靠性設計決定了產(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，首先應該使企業(yè)中的研發(fā)人員及時(shí)掌握可靠性設計方法，從源頭上提高產(chǎn)品的可靠性水平; 其次根據可靠性的設計要求，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，還要按照可靠性試驗的要求，對其進(jìn)行可靠性試驗，及時(shí)發(fā)現產(chǎn)品中可靠性較低的部件; 對于重要的、可靠性差的空氣源熱泵熱水器部件，對其進(jìn)行失效機理分析; 如果現有技術(shù)水平可以改進(jìn)的應該改進(jìn)，如果技術(shù)上難以保證或經(jīng)濟上不合算的部件，則必須制定相應的預防性維修任務(wù)，以減少故障發(fā)生的頻率。

 

  7 結語(yǔ)

 

  空氣源熱泵熱水器是一種高效節能裝置，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構的基礎上，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(shù)分析，找出了制約其可靠性提高的關(guān)鍵部件; 最后論述可靠性設計和可靠性增長(cháng)等技術(shù)在空氣源熱泵熱水器產(chǎn)品設計中的具體應用; 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，對產(chǎn)品的可靠性會(huì )提出新的更高要求; 但隨著(zhù)對其可靠性的深入研究，必將提高其運行性能。