風(fēng)扇壽命評估

如何評估風(fēng)扇壽命資料來源：Sung J. Kim & Alan Claassen, Electronics Cooling 雜誌 對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，我們必須將焦點放在氣動裝備(Air Moving Devices)的預(yù)期壽命上。然而，這不是一個普通的練習(xí)題，因為其中有許多的變數(shù)，而且沒有氣動裝備壽命試驗程序的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。因此，它並不意味著去比較來自不同氣動裝備廠商的預(yù)期壽命資訊。我們必須先瞭解廠商風(fēng)扇的失效定義，然後再衡量壽命試驗的程序和該風(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、起動失效等。表1列出的是不同廠商在他們氣動裝備壽命試驗中所使用的失效標(biāo)準(zhǔn)。資料項 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)準(zhǔn)值得一提的是，沒有任何氣動裝備停止傳動空氣是因為噪音的增加所致。噪音的增加是軸承失效的結(jié)果，而軸承的失效經(jīng)常是因為失去潤滑劑導(dǎo)致軸承磨損所造成。此外，電容器可能造成交流氣動裝備的失效，而電子零件則成為直流氣動裝備初期失效的主要因素。壽命試驗中的失效標(biāo)準(zhǔn)也包括慣性減速時間或起動達(dá)到全轉(zhuǎn)速時間的改變。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。壽命試驗的數(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間內(nèi)所有風(fēng)扇分項的失效。某廠商試驗的樣本累積分布狀況繪製如圖1，該試驗中斷於4800小時，由於48臺風(fēng)扇中的18臺已經(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。過去的實驗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)，因為它能實際地呈現(xiàn)出衰竭現(xiàn)象。因此，使用指數(shù)分布是一項誤導(dǎo)行為，因為它會使數(shù)據(jù)扭曲，並且忽視氣動裝備的衰竭。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，這意味著一臺風(fēng)扇的失效趨勢將隨其壽命(衰竭)而增加。該可靠度函數(shù)等於1F，該函數(shù)表現(xiàn)出任何時間點t從原始群體數(shù)中殘存的比例。Weibull風(fēng)險率(亦可稱作失效率或是風(fēng)險函數(shù))被寫成為tF(t)=()-1 2 廠商普遍引用的二個風(fēng)扇可靠度計量值是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，係表示預(yù)期群體數(shù)中的98%當(dāng)時仍然維持運(yùn)轉(zhuǎn)的時間壽命。以L2壽命代替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。有時候廠商也會引用MTTF(失效前平均時間)。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。如果一臺機(jī)器中有10臺的風(fēng)扇，而且任何失效的風(fēng)扇可以被迅速地更換，此時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)險率並非固定不變的，要計算一個多風(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風(fēng)扇都輸入同一數(shù)字的故障風(fēng)險率，在此情況，平均故障風(fēng)險率可能適合於1。風(fēng)扇壽命的估算大多數(shù)風(fēng)扇的壽命係受限於它的軸承。縱使是在直流風(fēng)扇中，電子零件也只能扮演一個次要的角色。軸承的壽命則一般受限於潤滑油脂的壽命，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)計都將影響潤滑油脂的壽命。Booser潤滑油脂壽命公式是以電動馬達(dá)軸承之潤滑油脂作壽命試驗的基礎(chǔ)；但是，它將保留對任何轉(zhuǎn)動件軸承的真實性。軸承潤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 等效動態(tài)軸承負(fù)荷，lbfN 轉(zhuǎn)速，rpmCr 基本動態(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，也未涵蓋市場上所有的潤滑油脂，尤其是使用合成油的現(xiàn)代潤滑油脂。對於這些新的潤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 mmN=2200 rpm, (DN)L=270,000 rpm-mm當(dāng)Tamb=25時，Tbrg=42半衰期扣減係數(shù)的計算如下：S= SG+SN+SP = 0+0.021+0.540 = 0.561估算之壽命結(jié)果為 L10 =102,000小時站在嚴(yán)苛的風(fēng)扇可靠度立場而言，將軸承溫度的上升限制在10是個不錯的概念。當(dāng)一臺單風(fēng)扇造成系統(tǒng)當(dāng)機(jī)時，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)荷和較長的風(fēng)扇壽命。使用一個較大的軸承也可得到較長的風(fēng)扇壽命。除了潤滑油脂的壽命外，軸承負(fù)荷額定的壽命是一種長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。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，請洽該風(fēng)扇廠商和軸承供應(yīng)商。風(fēng)扇壽命的實驗為了經(jīng)濟(jì)和時間限制的理由，我們或許可以倚靠零失效試驗策略和加速試驗的技巧。零失效試驗策略可用來估算驗證預(yù)期壽命標(biāo)準(zhǔn)(像最小L10壽命試驗)所需要的試驗時間。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2.一個以30臺風(fēng)扇為大小的樣本，在30，90%信心水準(zhǔn)條件下，應(yīng)該試驗多長的時間才可確定L1080,000小時？基於Breyfogle5, equation(12.7)和Weibull分布假設(shè)，n臺風(fēng)扇中的每一臺應(yīng)該試驗t1小時。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 將值及n = 30代入公式6，可得每臺風(fēng)扇的試驗時間t1=68,280小時。如果所有的30臺風(fēng)扇在30條件下操作t1小時而未發(fā)生失效，則我們可以宣稱在90%信心水準(zhǔn)下，L10至少為80,000小時。加速的壽命試驗先前的例題顯示出壽命試驗的延續(xù)期間非常的長久，即使是當(dāng)時採用零失效試驗的策略。因此，加速試驗的技巧成為在合理的時間和成本內(nèi)，完成組成件評估的基本考量。當(dāng)選擇一項加速試驗的策略時必須格外小心。一項無法貼切呈現(xiàn)氣動裝備特性的加速試驗?zāi)Ｊ綄虼嗽斐蔁o效的推算結(jié)果。表2所顯示的第一項加速試驗要素為開關(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)速來增加氣動裝備的應(yīng)力。每8小時一個開關(guān)循環(huán)將可代表一臺個人電腦的實用性?？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)來偵測氣動裝備的問題，諸如：無法起動、轉(zhuǎn)速改變、慣性減速時間或起動時間，以及噪音增加等方面的問題。表1和表2提供了一個無法確認(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)速下掉是一項失效，除非該轉(zhuǎn)速下掉達(dá)30%，採非常寬鬆的失效判定標(biāo)準(zhǔn)。應(yīng)該期待廠商E使用這種合併試驗的定義，將可獲得較標(biāo)稱值更高的氣動裝備壽命。資料項 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None隔週一次(336Hrs)NoneNone壽命試驗的空氣溫度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裝備可靠度計算中具有代表性的加速試驗要素範(fàn)圍。對於潤滑不良所造成的氣動裝備失效，在Booser公式中採用1.5/10的加速係數(shù)是合理的。例如，原運(yùn)轉(zhuǎn)於80的壽命試驗結(jié)果，推估其降至40時所用之加速係數(shù)為1.5(80-40)/10=5.1。氣動裝備加速試驗的溫度上界是多少？在加速試驗的溫度下，潤滑油脂的結(jié)構(gòu)不應(yīng)該有顯著的改變。油脂功能的衰退主要?dú)w因為蒸發(fā)耗損和氧化?；禔STM所訂定的潤滑油脂與油料蒸發(fā)耗損和氧化特性標(biāo)準(zhǔn)測試方法，加速壽命試驗的執(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)，對應(yīng)風(fēng)扇壽命試驗數(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)用這些加速試驗要素於室溫降至25的條件下會令人質(zhì)疑；但是，因