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湿热盐雾环境下直流电机的可靠性研究

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文章附图

摘要:本文针对工作在高温、高湿、多腐仙性物质环境下的智能家居厨电产品用直流电机,对其进行了盐芽+湖热加速试验以评价其可靠件,并对试验数据的统计分析,发现该直流电机的寿命分布服从指数分布模型。重点研究了直流电机电刷的载流摩擦磨损与电化学腐蚀揭合机理,电刷在盐雾+潮热环境下的竊蚀磨损成为电机失效的主要机理。

加速试验方法
1.1加速试验方 案制定
-般地,加速试验方案的制定流程如图1所示。


(1)确定加速应力类型。由于直流电机的应用范围非常广泛,因此其工况条件也多为较恶劣的环境。加速应力类型除与实际工况相符之外,还应当考虑电机的薄弱环节和常见失效机理。本文所讨论的厨电用直流电机,其加速应力除常用的湿热条件之外,还增加盐雾环境条件。

(2)确定寿命分布模型。确定电机的寿命分布模型是进行加速试验的基础,由于电机的失效机理种类(包括绝缘失效、轴承磨损等)较多,因此其寿命分布模型也有多种,包括威布尔分布16.7]、指数分布1891和对数正态分布等。

(3)确定试验类型。该试验类型主要指加速应力施加方式,包括恒定应力、步进应力、序进应力等方式,本文采用恒定应力试验方式。

(4)确定试验应力水平。在确定试验应力水平时应当遵守以下几点原则:在保证加速效果的前提下,应力的选择尽可能贴近实际工况条件;在不改变失效模式和失效机理情况下试验应力应尽可能大。

(5)确定样品数量和状态。试验样品应是接收合格的产品,并且按照GB/T 2828. 1 - 2003标准从批次性产品中随机抽取;样品数量不应少于5台。
(6)确定测试参数和失效判据。试验过程中,应对能反应电机性能的参数进行测试监控,并设定相应的失效判据。
(7)确定试验终止条件。一般的,加速试验按样品的失效可以分为完全寿命试验、定时截尾试验和定数截尾试验,本文采用定时结尾试验时间。

(8)试验数据和分析。对试验过程中的数据记录并对数据处理分析。

1.2加速试验实施
本文的主要目的是研究直流电机在湿热盐雾环境下的可靠性问题,因此加速试验的应力类型为盐雾+湿热。但是盐雾试验箱的温度只能升高至65C,该温度对于长期工作在厨房环境中的直流电机来说偏低,本文采用的方法是先对直流电机进行48h的盐雾试验,然后再将经历过盐雾试验的试验样品进行85C +85% RH的潮热试验。尽管样品的潮热试验环境中没有盐雾,但是先前的盐雾试验已经将氯化钠等盐类沉积在样品表面、部分已经渗透至样品内部,在潮热试验中可再次生成盐溶液,腐蚀样品。此实验方法的好处是既可以对样品施加盐雾应力、保证失效机理不变,又可以使试验保持在较高环境温度,加速效果明显。-
在进行盐雾+潮热试验的同时,本文还设计了一组潮热试验作为对比试验,以验证盐雾+潮热耦合作用的加速效果。
两组加速试验条件如表1和表2所示。其中,潮热试验采用85C +85% RH条件既基于本文工作组长期的工作经验积累,又考虑了厨电用直流电机的工作环境。样品在两组潮热试验过程中均带电工作,模拟真实工作环境,正转5s+反转5s+停转50s为一一个周期。

本文采用的是定时截尾加速试验方法,基于厨电整机产品和该直流电机的最低寿命要求设计了试验时间。考虑到盐雾+潮热试验的加速效果优于潮热试验,因此潮热试验时间设定较长

2试验结果与讨论

2.1加速试验数据

两组加速试验结果如表3和表4所示。其中盐雾+潮热试验在984h定时截尾试验中出现2个失效样品,潮热试验在1848h定时截尾试验中出现1个失效样品。

2.2直流电机寿 命指数分布检验  

对于指数分布类型的判断,国际电工委员会制   盐定的设备可能性试验标准ECCS -6推荐使用制   度时间,因此其检验函数为家方法本文的两组加速试验均为确定总果积试装Q =-2In(   T(ti)T*"2)~xX(2r)   (1)

(1)对于盐雾+潮热试验,n=11,=2, T:=9744,

      T(216) =30 x216 = 6480

      T(672) =216 +29 x672 = 19704那么按式(1)计算,

      Q1= -2x(In 6480 + ln 19704 -2 xIn 9744) =-0.5926

      假定a=0.05,查表得X.9s(4)=5.99, 因此Q1≤xX0.9s(4), 因此可认为服从指数分布类型。

      (2)对于潮热试验,n2=5, r2=1, T2 =8952,则T( 1560) =5 x 1560 =7800,那么按式(1)计算,

      Q2= -2x(In 1560 - In 7800)=3.22。假定a=0.05,查表得X09(2)=3.84,因此Q2≤Xas(4),因此可认为服从指数分布类型。3电刷腐蚀磨 损机理研究

      直流电机运转过程中,电刷在电流通过下不断摩擦磨损,是典型的载流摩擦磨损过程。由于电场、再加上湿电流及电弧等电因素介人到摩擦系统中,再加上湿热、盐雾对润滑、腐蚀等因素的耦合,电刷的腐蚀磨损存在粘着磨损、磨粒磨损、氧化磨损、腐蚀磨损、疲劳磨损、电弧烧蚀等多种不同机理10-1
随着电刷与换向器运动摩擦,摩擦副表面材料温度升高,材料微观区域表面发生塑性变形,摩擦阻力增大,进而产生粘着磨损,并伴有磨粒磨损。电刷与换向器之间有电流通过,其接触表面除机械摩擦之外,还由接触电阻产生大量热量,进一步加剧了电刷的粘着磨损。再加上电刷在脱离换向器瞬间会产生电弧,电弧侵蚀造成电刷材料的融化、气化和喷溅,既造成材料的直接消耗,又使得电刷换向器之间接触电阻增大,生成更多热量。
而在盐雾和湿热环境条件下,盐溶液粘附在电刷表面、形成电解质液膜,电刷材料为金属铜合金非常活泼,生成电化学反应,腐蚀效果明显。再加上换向器和电刷之间的电场作用,电化学反应速度更快,对电刷的腐蚀磨损作用更大。
由于载流摩擦磨损和电化学腐蚀的耦合作用盐雾+潮热环境条件下的直流电机电刷腐蚀磨损度远超单一机理下的磨损,并且该腐蚀磨损过程_个恶性循环过程,电刷磨损速率越来越快,其合失效机理如图3所示。盐雾+潮热加速试验后品和失效样品电刷如图4所示。






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