風(fēng)扇壽命評(píng)估

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)專心-專注-專業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)如何評(píng)估風(fēng)扇壽命資料來源：Sung J. Kim & Alan Claassen, Electronics Cooling 雜誌 對(duì)流式空氣冷卻仍然是用來冷卻微電子元件最普遍的方法。為了以更高的可靠度將冷卻的空氣輸送給電腦設(shè)備，我們必須將焦點(diǎn)放在氣動(dòng)裝備(Air Moving Devices)的預(yù)期壽命上。然而，這不是一個(gè)普通的練習(xí)題，因?yàn)槠渲杏性S多的變數(shù)，而且沒有氣動(dòng)裝備壽命試驗(yàn)程序的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。因此，它並不意味著去比較來自不同氣動(dòng)裝備廠商的預(yù)期壽命資訊。我們必須先瞭解

2、廠商風(fēng)扇的失效定義，然後再衡量壽命試驗(yàn)的程序和該風(fēng)扇預(yù)期壽命的估算。本篇文章的目的在於解說這些主題，並且以此鼓舞建立風(fēng)扇壽命估算的標(biāo)準(zhǔn)化，如提示1。風(fēng)扇失效的定義 風(fēng)扇可能的失效方式有數(shù)種，而且失效的定義依其應(yīng)用方式也可能會(huì)不同。典型地風(fēng)扇失效包括：超震、噪音、扇葉摩擦或撞擊、轉(zhuǎn)速下掉、轉(zhuǎn)子鎖住、起動(dòng)失效等。表1列出的是不同廠商在他們氣動(dòng)裝備壽命試驗(yàn)中所使用的失效標(biāo)準(zhǔn)。資料項(xiàng) 廠商別廠商A廠商B廠商C廠商D廠商E轉(zhuǎn)速N 0.9N初始 0.8N標(biāo)稱 0.9N初始0 rpm 0.7N初始運(yùn)轉(zhuǎn)電流I I最大值 1.2I標(biāo)稱N/AN/AN/A噪音+3dBAN/A+3dBA+5dBAN/A表1. 失效標(biāo)

3、準(zhǔn)值得一提的是，沒有任何氣動(dòng)裝備停止傳動(dòng)空氣是因?yàn)樵胍舻脑黾铀隆Ｔ胍舻脑黾邮禽S承失效的結(jié)果，而軸承的失效經(jīng)常是因?yàn)槭?rùn)滑劑導(dǎo)致軸承磨損所造成。此外，電容器可能造成交流氣動(dòng)裝備的失效，而電子零件則成為直流氣動(dòng)裝備初期失效的主要因素。壽命試驗(yàn)中的失效標(biāo)準(zhǔn)也包括慣性減速時(shí)間或起動(dòng)達(dá)到全轉(zhuǎn)速時(shí)間的改變。線圈絕緣破裂的問題或是該類型的失效均可歸屬於技術(shù)上的問題，或是一項(xiàng)製程上的失控?？煽慷雀拍铒L(fēng)扇的可靠度值可用數(shù)種方式加以量測(cè)。壽命試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，可以繪製成累積分布圖，該分布圖可以顯示出任何操作時(shí)間內(nèi)所有風(fēng)扇分項(xiàng)的失效。某廠商試驗(yàn)的樣本累積分布狀況繪製如圖1，該試驗(yàn)中斷於4800小時(shí)，由於48臺(tái)風(fēng)扇中的

4、18臺(tái)已經(jīng)失效1。圖1. 樣本累積分布函數(shù)，Weibull分布 VS.指數(shù)分布，95%信心區(qū)域有些氣動(dòng)裝備的廠商將指數(shù)假設(shè)為基礎(chǔ)的可靠度資訊提供給客戶。然而，壽命試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，諸如圖1中所顯示者並不適合於指數(shù)分布。過去的實(shí)驗(yàn)和裝配模型均顯示出Weibull分布才適合於風(fēng)扇壽命的數(shù)據(jù)，因?yàn)樗軐?shí)際地呈現(xiàn)出衰竭現(xiàn)象。因此，使用指數(shù)分布是一項(xiàng)誤導(dǎo)行為，因?yàn)樗鼤?huì)使數(shù)據(jù)扭曲，並且忽視氣動(dòng)裝備的衰竭。關(guān)於Weibull分布，它是累積概率分布函數(shù)(CDF)，是一種歲月時(shí)間t的函數(shù)，如公式2 F(t)=1e( t) 1這裡的是特性壽命，是波形參數(shù)。適合Weibull模型的風(fēng)扇壽命波形參數(shù)一般都比1大，這意味著一

5、臺(tái)風(fēng)扇的失效趨勢(shì)將隨其壽命(衰竭)而增加。該可靠度函數(shù)等於1F，該函數(shù)表現(xiàn)出任何時(shí)間點(diǎn)t從原始群體數(shù)中殘存的比例。Weibull風(fēng)險(xiǎn)率(亦可稱作失效率或是風(fēng)險(xiǎn)函數(shù))被寫成為tF(t)=()-1 2 廠商普遍引用的二個(gè)風(fēng)扇可靠度計(jì)量值是L2壽命和L10壽命，這是在一些假設(shè)的風(fēng)扇壽命分布下，諸如Weibull，第二與第十百分位的值。當(dāng)公式1中L10的F(t) =0.1，以及L2是0.02，我們可得 L10=(0.10536)1/ , L2=(0.02020)1/ 3 例如：當(dāng)=100KPOH, =1.5, 和L2=7,418小時(shí)，係表示預(yù)期群體數(shù)中的98%當(dāng)時(shí)仍然維持運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)間壽命。以L2壽命代替

6、L10壽命作說明的好處是可以更貼切的敘述初期壽命的失效分布。有時(shí)候廠商也會(huì)引用MTTF(失效前平均時(shí)間)。以Weibull分布而論， MTTF=(1+1/) 4 這裡的表示函數(shù)。值得一提的是，MTTF常常和MTBF(平均失效間隔時(shí)間)混淆。MTBF應(yīng)該是僅僅使用在可修復(fù)的系統(tǒng)裝置。如果一臺(tái)機(jī)器中有10臺(tái)的風(fēng)扇，而且任何失效的風(fēng)扇可以被迅速地更換，此時(shí)MTBF值可以用來瞭解該系統(tǒng)的維修需求和維護(hù)成本。但是，基本上風(fēng)扇的故障風(fēng)險(xiǎn)率並非固定不變的，要計(jì)算一個(gè)多風(fēng)扇系統(tǒng)的MTBF值是很困難的。為此，許多系統(tǒng)可靠度文件常常決定把各個(gè)風(fēng)扇都輸入同一數(shù)字的故障風(fēng)險(xiǎn)率，在此情況，平均故障風(fēng)險(xiǎn)率可能適合於1。風(fēng)

7、扇壽命的估算大多數(shù)風(fēng)扇的壽命係受限於它的軸承?？v使是在直流風(fēng)扇中，電子零件也只能扮演一個(gè)次要的角色。軸承的壽命則一般受限於潤(rùn)滑油脂的壽命，該壽命主要係受到溫度的作用。油脂的類型、含油脂率、操作的環(huán)境、負(fù)荷、以及軸承的設(shè)計(jì)都將影響潤(rùn)滑油脂的壽命。Booser潤(rùn)滑油脂壽命公式是以電動(dòng)馬達(dá)軸承之潤(rùn)滑油脂作壽命試驗(yàn)的基礎(chǔ)；但是，它將保留對(duì)任何轉(zhuǎn)動(dòng)件軸承的真實(shí)性。軸承潤(rùn)滑油脂壽命公式的應(yīng)用是在3。log L10=2.6 +(Kt/Tbrg)0.301S 5在此， S= SG+SN+SPSN=0.86 DN / (DN)LSP=0.61 DNP / Cr2P 等效動(dòng)態(tài)軸承負(fù)荷，lbfN 轉(zhuǎn)速，rpmCr

8、基本動(dòng)態(tài)負(fù)荷能力，lbfD 孔徑，mm(DN)L 轉(zhuǎn)速限制，rpm-mmS 半衰期扣減係數(shù)，當(dāng)S=1，壽命下降50%SG 潤(rùn)滑油脂的半衰期扣減係數(shù)，許多油脂均定為0SN 轉(zhuǎn)速的半衰期扣減係數(shù)SP 負(fù)荷的半衰期扣減係數(shù)Kt 潤(rùn)滑油脂的溫度係數(shù)=2450，1.5/10的加速係數(shù)Tbrg 軸承溫度，K然而，此公式無法證明油脂量的影響，也未涵蓋市場(chǎng)上所有的潤(rùn)滑油脂，尤其是使用合成油的現(xiàn)代潤(rùn)滑油脂。對(duì)於這些新的潤(rùn)滑油脂及其操作條件，Booser公式所得的結(jié)果可能是屬於保守的。例題1.下列係得自於一家風(fēng)扇廠商的資料P=960 g (2.116 lb), Cr=57 Kg (125.66 lb)D=3 mm

9、N=2200 rpm, (DN)L=270,000 rpm-mm當(dāng)Tamb=25時(shí)，Tbrg=42半衰期扣減係數(shù)的計(jì)算如下：S= SG+SN+SP = 0+0.021+0.540 = 0.561估算之壽命結(jié)果為 L10 =102,000小時(shí)站在嚴(yán)苛的風(fēng)扇可靠度立場(chǎng)而言，將軸承溫度的上升限制在10是個(gè)不錯(cuò)的概念。當(dāng)一臺(tái)單風(fēng)扇造成系統(tǒng)當(dāng)機(jī)時(shí)，應(yīng)該普遍地應(yīng)用這種粗略估算的方法。Booser壽命估算的結(jié)果也會(huì)受到軸承負(fù)荷和軸承尺寸的顯著影響。以風(fēng)扇裝配軸垂直的方向安裝風(fēng)扇將因而造成較低的軸承負(fù)荷和較長(zhǎng)的風(fēng)扇壽命。使用一個(gè)較大的軸承也可得到較長(zhǎng)的風(fēng)扇壽命。除了潤(rùn)滑油脂的壽命外，軸承負(fù)荷額定的壽命是一種長(zhǎng)

10、期建立用來估算軸承壽命的方法，主要建立在軸承負(fù)荷和承載能力的基礎(chǔ)上。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)範(fàn)ISO 2814和軸承型錄均有描述該方法。一般它所得到的壽命值要比多數(shù)廠商所適用的長(zhǎng)。許多軸承廠商已經(jīng)發(fā)展出軸承負(fù)荷參數(shù)外的調(diào)節(jié)係數(shù)。各款風(fēng)扇的相關(guān)資訊，請(qǐng)洽該風(fēng)扇廠商和軸承供應(yīng)商。風(fēng)扇壽命的實(shí)驗(yàn)為了經(jīng)濟(jì)和時(shí)間限制的理由，我們或許可以倚靠零失效試驗(yàn)策略和加速試驗(yàn)的技巧。零失效試驗(yàn)策略可用來估算驗(yàn)證預(yù)期壽命標(biāo)準(zhǔn)(像最小L10壽命試驗(yàn))所需要的試驗(yàn)時(shí)間。必須注意該途徑的精準(zhǔn)度有賴於正確的波形參數(shù)假設(shè)值5。例題2.一個(gè)以30臺(tái)風(fēng)扇為大小的樣本，在30，90%信心水準(zhǔn)條件下，應(yīng)該試驗(yàn)多長(zhǎng)的時(shí)間才可確定L1080,000小時(shí)

11、？基於Breyfogle5, equation(12.7)和Weibull分布假設(shè)，n臺(tái)風(fēng)扇中的每一臺(tái)應(yīng)該試驗(yàn)t1小時(shí)。公式如下： t1=22；C/2n1/ 6這裡的22是Chi-Square分布的C-th百分比，自由度2；C值由期望之信心水準(zhǔn)來決定。從Chi-Square表中，我們得知22；0.90 = 4.60 假設(shè)=2，我們解方程式3可以得到 =L10 (0.10536)-1/2=246,463小時(shí) 將值及n = 30代入公式6，可得每臺(tái)風(fēng)扇的試驗(yàn)時(shí)間t1=68,280小時(shí)。如果所有的30臺(tái)風(fēng)扇在30條件下操作t1小時(shí)而未發(fā)生失效，則我們可以宣稱在90%信心水準(zhǔn)下，L10至少為80,00

12、0小時(shí)。加速的壽命試驗(yàn)先前的例題顯示出壽命試驗(yàn)的延續(xù)期間非常的長(zhǎng)久，即使是當(dāng)時(shí)採(cǎi)用零失效試驗(yàn)的策略。因此，加速試驗(yàn)的技巧成為在合理的時(shí)間和成本內(nèi)，完成組成件評(píng)估的基本考量。當(dāng)選擇一項(xiàng)加速試驗(yàn)的策略時(shí)必須格外小心。一項(xiàng)無法貼切呈現(xiàn)氣動(dòng)裝備特性的加速試驗(yàn)?zāi)Ｊ綄?huì)因此造成無效的推算結(jié)果。表2所顯示的第一項(xiàng)加速試驗(yàn)要素為開關(guān)循環(huán)（On/Off Cycles）。這些循環(huán)藉由將軸承從零轉(zhuǎn)速加速至正常操作轉(zhuǎn)速來增加氣動(dòng)裝備的應(yīng)力。每8小時(shí)一個(gè)開關(guān)循環(huán)將可代表一臺(tái)個(gè)人電腦的實(shí)用性?？v使這種施加應(yīng)力的程度不恰當(dāng)，仍可要求應(yīng)用一些開關(guān)循環(huán)來偵測(cè)氣動(dòng)裝備的問題，諸如：無法起動(dòng)、轉(zhuǎn)速改變、慣性減速時(shí)間或起動(dòng)時(shí)間，以及

13、噪音增加等方面的問題。表1和表2提供了一個(gè)無法確認(rèn)風(fēng)扇失效問題的案例。表2指出一些廠商不採(cǎi)用開關(guān)循環(huán)來確認(rèn)失效，且表1也顯示廠商E並不認(rèn)為轉(zhuǎn)速下掉是一項(xiàng)失效，除非該轉(zhuǎn)速下掉達(dá)30%，採(cǎi)非常寬鬆的失效判定標(biāo)準(zhǔn)。應(yīng)該期待廠商E使用這種合併試驗(yàn)的定義，將可獲得較標(biāo)稱值更高的氣動(dòng)裝備壽命。資料項(xiàng) 廠商別廠商A廠商B廠商C廠商D廠商E開關(guān)循環(huán)每500小時(shí)None隔週一次(336Hrs)NoneNone壽命試驗(yàn)的空氣溫度80575727085溫度加速係數(shù)2.0/101.482/102.0/101.315/102.0/15表2. 加速試驗(yàn)要素一般是以升高溫度作為主要的加速要素。表2所顯示的是一些使用於氣動(dòng)裝

14、備可靠度計(jì)算中具有代表性的加速試驗(yàn)要素範(fàn)圍。對(duì)於潤(rùn)滑不良所造成的氣動(dòng)裝備失效，在Booser公式中採(cǎi)用1.5/10的加速係數(shù)是合理的。例如，原運(yùn)轉(zhuǎn)於80的壽命試驗(yàn)結(jié)果，推估其降至40時(shí)所用之加速係數(shù)為1.5(80-40)/10=5.1。氣動(dòng)裝備加速試驗(yàn)的溫度上界是多少？在加速試驗(yàn)的溫度下，潤(rùn)滑油脂的結(jié)構(gòu)不應(yīng)該有顯著的改變。油脂功能的衰退主要?dú)w因?yàn)檎舭l(fā)耗損和氧化。基於ASTM所訂定的潤(rùn)滑油脂與油料蒸發(fā)耗損和氧化特性標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法，加速壽命試驗(yàn)的執(zhí)行溫度應(yīng)低於901。使用表2中所給予的溫度加速係數(shù)，對(duì)應(yīng)風(fēng)扇壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以推估之最低外界溫度是多少？Booser的標(biāo)稱溫度加速係數(shù)是訂定於適用軸承溫度100。因此，應(yīng)用這些加速試驗(yàn)要素於室溫降至25的條件下會(huì)令人質(zhì)疑；但