空气源热泵热水器的可靠性研究

  1 引言

 

  空气源热泵热水器是新一代节能型热水器，其制热效率是电热水器的2 ～ 3 倍，在发达国家使用比例高达80% 左右。然而，我国在2009 年9 月1 日起实施的国家标准GB /T23137－ 2008《家用和类似用途热泵热水器》的引导下，热泵热水器产品开始发展，市场份额在2009 年初不足3%， 2010 年刚超过5%。热泵热水器在国内发展比较缓慢的主要原因是: 技术难度大，受影响因素多，产品的可靠性不易保障。虽然热泵热水器系统和热泵空调系统工作原理相同，但是运行工况更恶劣、运行温度范围更宽。热泵空调将室外低温空气中的热量泵到室内空气环境中，室内温度运行的范围一般在18 ～ 30℃之间; 但热泵热水器室内侧水箱中的热水温度范围为5 ～55℃，此种运行温度范围对热泵热水器系统提出了更高的要求。同时这些产品工作环境复杂多变，节能效果受季节影响很大，如果直接借用热泵空调技术，产品的可靠性很难得到保障; 例如热泵系统频繁高温高压保护，导致压缩机的频繁停启，会降低压缩机的可靠性; 蒸发器结霜时导致热泵系统运行工况变差，频繁化霜会导致系统制热效果变差; 冷媒泄漏、高低压保护开关故障等导致售后维修量大; 还有北方地区在冬季时段用热泵热水器供热水时，装置运行工况比较恶劣，机组性能系数较低，如果机组冷凝器和蒸发器匹配不当，则机组的可靠性会大大降低，直接影响产品的节能效果。本文将深入分析影响空气源热泵热水器产品可靠性的原因，研究提升其可靠性的模型和方法。

 

  2 空气源热泵热水器可靠性的影响因素分析

 

  可靠性是指产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。空气源热泵热水器的可靠性要求是在额定功率下、在规定的气温范围内( 一般为5℃ 以上) 把自来水加热到设定温度( 一般为50 ～ 60℃左右) 的加热速度。但一些空气源热泵热水器由于各种原因达不到这个要求，主要有以下几个方面:

 

  ( 1) 空气源热泵热水器结构复杂，长期以来研发人员主要关心产品功能的实现，对其可靠性很少进行研究，而产品的设计是决定了产品固有可靠性;( 2) 目前我国空气源热泵热水器处于市场培

 

  育阶段，多数企业是小批量生产，很多工序采用手工作业，降低了产品的可靠性水平。例如，热泵机组中连接压缩机、电磁换向四通阀、蒸发器、换热器和气液分离器等部件的铜管折弯以及铜管的焊接，采用手工完成，人为因素会影响整个机组可靠性水平;( 3) 空气源热泵热水器的相关国家标准制定和实施时间比较晚。空气源热泵热水器的很多零部件都是使用空调的配件，还没有全部按照国家标准进行设计制造。空气源热泵热水器和空调的工作环境不同，空气源热泵热水器的工作环境恶劣些。例如空气源热泵热水器直接采用空调压缩机，势必会影响压缩机的寿命以及可靠性水平;( 4) 空气源热泵热水器的安装和使用维护，特别是使用维护方面，存在很多问题进而影响到其使用过程可靠性。例如，机组安装的位置要符合规定要求，蒸发器要定期清理等，否则会影响其可靠性;( 5) 可靠性工程是一项复杂系统工程，大多数的研发人员和企业的管理者对它不很了解，这样就很难将可靠性技术应用到产品中。

 

  基于以上的原因，将可靠性工程技术应用到空气源热泵热水器的设计生产过程，对提高空气源热泵热水器的可靠性水平，具有重要的意义。

 

  3 空气源热泵热水器可靠性模型

 

  建立家用型空气源热泵热水器的可靠性模型时不仅要考虑可能发生的故障引起的维修及保障要求，也就是基本可靠性模型; 也要考虑在执行任务的过程中完成规定功能的概率，也就是任务可靠性模型。

 

  基本可靠性模型是用以估计产品及其组成单元可能发生的故障引起的维修及其保障要求，是一个全串联模型［4］。系统储备单元越多，其基本可靠性越低。因此，对基本可靠性而言，应该尽可能减少储备。对家用型热泵热水器进行结构分析，由于家用型的压缩机和气液分离器是一体的，所以基本可靠性框图初步建立如图1 中( a) 所示: 任务可靠性模型是用以估计产品在执行任务过程中完成规定功能的概率，描述完成任务过程中，产品各单元的预定作用并度量工作有效性的一种可靠性模型［4］。显然，系统储备单元越多，其可靠性就越高。并联装置的可靠性要高于其串联装置的可靠性; 家用型空气源热泵热水器的制热任务剖面的任务可靠性框图初步建立如图1 中( b) 所示。

 

  根据建立的基本可靠性框图和任务可靠性框图建立基本可靠性数学模型和任务可靠性数学模型［4］。主要依据概率论的知识，根据分析基本可靠性框图和任务可靠性框图得知，基本可靠性模型各部分是全串联的，而任务可靠性模型是串并混联的，由此运用概率论知识得知其数学模型分别如下:

 

  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———制热系统任务可靠度

 

  Ri———各单元的可靠度，i = 1，2，3，…， 17，0 ＜ Ri ＜ 1假设系统各单元寿命服从指数分布，图中各单元上方的数字为单元的故障率λi( 0 ＜ λi) ，当所有单元相同，且寿命均服从指数分布，故障监测装置及转换装置可靠度为1 时，系统基本可靠度为:

 

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

 

  所以e － λi t ＜ 1 可见故障率λ 越高，系统的基本可靠性和任务可靠性都降低。

 

  根据这个数学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统的可靠度Rs提高，即用最小成本获得最大的可靠度。对于Rms也是如此，在此不再赘述。

 

  4 空气源热泵热水器的故障模式分析和故障树分析4． 1 故障模式分析

 

  在整个家用型空气源热泵热水器运行期间，凡是使系统工作工况不能满足规定要求的事件都称为故障事件。空气源热泵热水器系统是由管道连接的各种设备而组成相互关联、相互影响的系统，如果系统中有一个部件出现故障，则会影响其它部件的工作，进而影响整个系统。家用型空气源热泵热水器系统有不同层次的系统组成，如制热系统，除霜系统等。热水器系统出现的故障很多、也很复杂，根据不同的特征进行归类; 根据故障显现程度，可分为显性故障和隐形故障。如: 风机停转，水管漏水等容易察觉的故障属于显性故障; 换热器结垢等不易察觉的故障称为隐性故障。

 

  根据故障对系统造成的影响程度，可分为软故障和硬故障。如电机烧坏等设备完全失效的故障称为硬故障。仪表漂移等设备性能下降等故障成为软故障。

 

  4． 2 故障树分析

 

  制热系统是家用型空气源热泵热水器的核心，同时也是容易发生故障的单元。制热系统由压缩机、节流装置、蒸发器、冷凝器、电磁四通阀、风机、控制部分等组成; 其中节流装置由毛细管和电子膨胀阀并联组成。把制热系统故障作为顶事件，导致顶事件发生的事件又有许多基本事件，根据具体情况分析得到制热系统的故障树如图2 中虚框所示。评价故障树的最好方法就是利用它的最小割集［5］，确定故障树最小割集的算法有布尔代数化简法和矩阵排列法等，这里采用布尔代数化简法求其最小割集。

 

  图2 中虚框所示的故障树可运用布尔代数逻

 

  辑运算简化:

 

  Z3 = Y1 + Y2 + Y3 + X7 + X8 + X9 + X10= X1 + X2 + X3 + X4 + X5· X6+ X7 + X8 + X9 + X10其中“+”表示逻辑加法，“·”表示逻辑乘法所以该故障树的最小割集为: { X1 } ，{ X2 } ，{ X3 } ，{ X4 } ，{ X5、X6 } ，{ X7 } ，{ X8 } ，{ X9 } ，{ X10} 。假设在各个底层事件发生的概率差别不大的条件下，根据每个最小割集的阶数，阶数越小的最小割集最重要，可见要提高制热系统的可靠性，提高压缩机、蒸发器、电磁四通阀、冷凝器等的可靠性是提高整个制热系统可靠性的关键。节流装置采用毛细管节流装置和电子膨胀阀并联组成，能提高其任务可靠度。

 

  家用型空气源热泵热水器的故障由多个单元

 

  故障引起，引起各个单元发生故障的原因又有很多小故障。主要由制热系统、除霜系统等部分组成。把空气源热泵热水器的故障作为顶事件，从上到下逐层逐级可建立故障树，如图2 所示。图2 中的故障树可运用布尔代数逻辑运算简化:

 

  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“+”表示逻辑加法，“·”表示逻辑乘法

 

  由此可见该故障树最小割集为{ X1} ，{ X2} ，{ X3 } ，{ X4 } ，{ X5、X6 } ，{ X7 } ，{ X8 } ，{ X9 } ，{ X10} ，{ X11} ，{ X12} 。如果把除霜系统的故障作为顶事件，那么由Z2 = X1 + X2 + X3 + X4 + X5· X6 + X7 + X8 + X10 得知其最小割集为{ X1} ，{ X2 } ，{ X3 } ，{ X4 } ，{ X5、X6 } ，{ X7 } ，{ X8 } ，{ X10} 。同时也是制热系统和除霜系统所共有部分，其中的任意个发生故障，都将会导致制热系统和除霜系统的故障发生，因此其可靠性对整个系统的可靠性尤为关键。

 

  实际上各个单元之间相互影响，压缩机故障可能是由其他单元故障引起的，如高低压开关故障，会导致压缩机工作环境的高低压保护失去作用，进而可能引起压缩机故障。

 

  5 空气源热泵热水器的可靠性设计

 

  根据客户的需求，制定出关于空气源热泵热水器的可靠性定性和定量的指标，然后再通过系统可靠性模型、可靠性分配和预测技术对可靠性进行预计，最后通过分析、试验对产品的设计进行改进，把可靠性的定量要求体现到产品的技术文件中。空气源热泵热水器的可靠性设计流程如图3 所示。从节约成本、节省时间、见效快的方面考虑，分为上市产品和研发产品，对它们分别采取不同的可靠性研究方法。然而上市产品的可靠性分析可以作为新研发产品的设计参考，上市产品的可靠性指标分配可做为新研发产品的可靠性指标分配的参考。

 

  ( 1) 上市产品，大都具有比较完善的数据，如故障模式、故障影响、故障检测方法、产品结构等。

 

  从节约成本和减少工作量的角度考虑，一般采用故障模式及其影响分析( FMEA) 和故障树分析( FTA) 等; 先找出制约可靠度提高的关键问题，针对问题进行专项攻关改进; 然后再通过设计评审对改进进行研究，保证改进确实能够提高产品的可靠性水平; 最后通过可靠性试验验证是否达到了预定的可靠性要求，同时建立起该产品可靠性经验数据库，也为以后建立该产品的可靠性标准打下基础和同类或类似新产品的开发提供可靠性方面的参考。

 

  ( 2) 研发产品，首先分析市场的需求以及客

 

  户的需要来确定产品的定性和定量的可靠性指标; 然后参考同类或类似上市产品的故障分析结果，进行可靠性指标的分配和预计; 再经过对比分析可靠性预计与可靠性指标，如不能满足客户要求，修正各部分的可靠性指标或者修正设计方案，直到满足要求为止。可靠性预计和分配指标如图4 所示。

 

  6 空气源热泵热水器的可靠性增长

 

  为了提高空气源热泵热水器的可靠性水平，必须把可靠性工作合理地安排在整个产品寿命周期内，特别在产品研制阶段，运用可靠性工程技术，才能达到预期的目的。上市产品和研发产品的可靠性增长研究方法不同，其中对上市产品的可靠性分析结果，可作为开发设计新产品的可靠性设计的参考，这样有助于迅速开发出高可靠性的新产品。

 

  6． 1 上市产品

 

  因为过去的空气源热泵热水器产品主要进行功能设计，很少采用可靠性设计，可靠性难以满足用户的要求，这就迫使生产商要对产品进行改进，改进设计流程如图5 所示。

 

  最有效的方法就是加强生产商和用户的沟通，通过不断对产品使用信息的反馈，找出产品的薄弱环节，进行产品的改造［6］。首先，用户在使用产品过程中，要记录好运行和维修情况; 然后将产品的故障信息反馈给制造商，制造商应该将用户的反馈信息分别送给相关研发人员，然后研发人员根据反馈的信息，通过对生产过程中可靠性的监控和分析，进行故障原因的查找和产品的改进设计。随着故障数据的累积，研发人员可以对数据进行分析，形成该产品的可靠性设计规范。

 

  6． 2 研发产品

 

  对新产品的可靠性设计用同类或相似产品的可靠性设计规范作为参考，如下进行:

 

  ( 1) 空气源热泵热水器的研制阶段要用同类

 

  或相似产品的可靠性设计规范作为参考，提出定性与定量的可靠性要求，确定合适的方案、可靠性指标和考核方法; 研制过程中应当按照计划开展可靠性设计、分析和试验工作; 产品设计成型阶段，必须测试产品的可靠性，确保达到要求的可靠性指标。必须加强产品研发过程中的可靠性试验，通过试验检验产品当中存在的问题，及时进行相应的改进设计;( 2) 空气源热泵热水器的生产阶段，要鉴定在批量生产条件下可靠性保证措施的有效性; 生产阶段应保证批量生产中各种装备的可靠性，重点跟踪和控制空气源热泵热水器关键部件和关键工序的可靠性。由于产品在整个研制阶段可靠性是一个增长的过程，如果一个环节失控，产品可靠性可能会达不到要求，因此必须对其采取全程监控，加强可靠性管理。

 

  总之，可靠性设计决定了产品的固有可靠性，为了提高空气源热泵热水器可靠性水平，首先应该使企业中的研发人员及时掌握可靠性设计方法，从源头上提高产品的可靠性水平; 其次根据可靠性的设计要求，制定出合理的加工工艺; 在产品成型后，不仅要进行功能试验，还要按照可靠性试验的要求，对其进行可靠性试验，及时发现产品中可靠性较低的部件; 对于重要的、可靠性差的空气源热泵热水器部件，对其进行失效机理分析; 如果现有技术水平可以改进的应该改进，如果技术上难以保证或经济上不合算的部件，则必须制定相应的预防性维修任务，以减少故障发生的频率。

 

  7 结语

 

  空气源热泵热水器是一种高效节能装置，但在实际推广使用的过程中，暴露了产品可靠性不高的缺点。针对这种情况，指出了目前空气源热泵热水器可靠性不高具体的原因; 在分析空气源热泵热水器结构的基础上，建立了基本可靠性模型和任务可靠性模型，并分析了基本可靠度和任务可靠度之间的制约关系; 通过故障模式分析和故障树分析，找出了制约其可靠性提高的关键部件; 最后论述可靠性设计和可靠性增长等技术在空气源热泵热水器产品设计中的具体应用; 为提高产品可靠性提供了技术保障。

 

  最后由于技术进步日新月异，未来空气源热泵热水器的功能趋向多样化，对产品的可靠性会提出新的更高要求; 但随着对其可靠性的深入研究，必将提高其运行性能。