风扇寿命评估

如何評估風扇壽命資料來源：SungJ.Kim&AlanClaassen,ElectronicsCooling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備，我們必須將焦點放在氣動裝備(AirMovingDevices)的預期壽命上。然而，這不是一個普通的練習題，因為其中有許多的變數，而且沒有氣動裝備壽命試驗程序的工業標準。因此，它並不意味著去比較來自不同氣動裝備廠商的預期壽命資訊。我們必須先瞭解廠商風扇的失效定義，然後再衡量壽命試驗的程序和該風扇預期壽命的估算。本篇文章的目的在於解說這些主題，並且以此鼓舞建立風扇壽命估算的標準化，如提示﹝1﹞。風扇失效的定義風扇可能的失效方式有數種，而且失效的定義依其應用方式也可能會不同。典型地風扇失效包括：超震、噪音、扇葉摩擦或撞擊、轉速下掉、轉子鎖住、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準。資料項\廠商別廠商A廠商B廠商C廠商D廠商E轉速N0.9N初始0.8N標稱0.9N初始0rpm0.7N初始運轉電流II最大值1.2I標稱N/AN/AN/A噪音+3dBAN/A+3dBA+5dBAN/A表1.失效標準值得一提的是，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果，而軸承的失效經常是因為失去潤滑劑導致軸承磨損所造成。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準也包括慣性減速時間或起動達到全轉速時間的改變。線圈絕緣破裂的問題或是該類型的失效均可歸屬於技術上的問題，或是一項製程上的失控。可靠度概念風扇的可靠度值可用數種方式加以量測。壽命試驗的數據，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所有風扇分項的失效。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台風扇中的18台已經失效﹝1﹞。圖1.樣本累積分布函數，Weibull分布VS.指數分布，95%信心區域有些氣動裝備的廠商將指數假設為基礎的可靠度資訊提供給客戶。然而，壽命試驗的數據，諸如圖1中所顯示者並不適合於指數分布。過去的實驗和裝配模型均顯示出Weibull分布才適合於風扇壽命的數據，因為它能實際地呈現出衰竭現象。因此，使用指數分布是一項誤導行為，因為它會使數據扭曲，並且忽視氣動裝備的衰竭。關於Weibull分布，它是累積概率分布函數(CDF)，是一種歲月時間t的函數，如公式﹝2﹞F(t)=1–e–(t∕α)β﹝1﹞這裡的α是特性壽命，β是波形參數。適合Weibull模型的風扇壽命波形參數一般都比1大，這意味著一台風扇的失效趨勢將隨其壽命(衰竭)而增加。該可靠度函數等於1–F，該函數表現出任何時間點t從原始群體數中殘存的比例。Weibull風險率(亦可稱作失效率或是風險函數)被寫成為F(t)=–(–)β-1﹝2﹞廠商普遍引用的二個風扇可靠度計量值是L2壽命和L10壽命，這是在一些假設的風扇壽命分布下，諸如Weibull，第二與第十百分位的值。當公式﹝1﹞中L10的F(t)=0.1，以及L2是0.02，我們可得L10=α(0.10536)1/β,L2=α(0.02020)1/β﹝3﹞例如：當α=100KPOH,β=1.5,和L2=7,418小時，係表示預期群體數中的98%當時仍然維持運轉的時間壽命。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。ααβt有時候廠商也會引用MTTF(失效前平均時間)。以Weibull分布而論，MTTF=αΓ(1+1/β)﹝4﹞這裡的Γ表示γ函數。值得一提的是，MTTF常常和MTBF(平均失效間隔時間)混淆。MTBF應該是僅僅使用在可修復的系統裝置。如果一台機器中有10台的風扇，而且任何失效的風扇可以被迅速地更換，此時MTBF值可以用來瞭解該系統的維修需求和維護成本。但是，基本上風扇的故障風險率並非固定不變的，要計算一個多風扇系統的MTBF值是很困難的。為此，許多系統可靠度文件常常決定把各個風扇都輸入同一數字的故障風險率，在此情況，平均故障風險率可能適合於﹝1﹞。風扇壽命的估算大多數風扇的壽命係受限於它的軸承。縱使是在直流風扇中，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、操作的環境、負荷、以及軸承的設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軸承之潤滑油脂作壽命試驗的基礎；但是，它將保留對任何轉動件軸承的真實性。軸承潤滑油脂壽命公式的應用是在﹝3﹞。logL10=–2.6+(Kt/Tbrg)–0.301S﹝5﹞在此，S=SG+SN+SPSN=0.86DN/(DN)LSP=0.61DNP/Cr2γP等效動態軸承負荷，lbfN轉速，rpmCr基本動態負荷能力，lbfD孔徑，mm(DN)L轉速限制，rpm-mmS半衰期扣減係數，當S=1，壽命下降50%SG潤滑油脂的半衰期扣減係數，許多油脂均定為0SN轉速的半衰期扣減係數SP負荷的半衰期扣減係數Kt潤滑油脂的溫度係數=2450，1.5/10℃的加速係數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公式所得的結果可能是屬於保守的。例題1.下列係得自於一家風扇廠商的資料P=960g(2.116lb),Cr=57Kg(125.66lb)D=3mmN=2200rpm,(DN)L=270,000rpm-mm當Tamb=25℃時，Tbrg=42℃半衰期扣減係數的計算如下：S=SG+SN+SP=0+0.021+0.540=0.561估算之壽命結果為L10=102,000小時站在嚴苛的風扇可靠度立場而言，將軸承溫度的上升限制在10℃是個不錯的概念。當一台單風扇造成系統當機時，應該普遍地應用這種粗略估算的方法。Booser壽命估算的結果也會受到軸承負荷和軸承尺寸的顯著影響。以風扇裝配軸垂直的方向安裝風扇將因而造成較低的軸承負荷和較長的風扇壽命。使用一個較大的軸承也可得到較長的風扇壽命。除了潤滑油脂的壽命外，軸承負荷額定的壽命是一種長期建立用來估算軸承壽命的方法，主要建立在軸承負荷和承載能力的基礎上。國際標準規範ISO281﹝4﹞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廠商所適用的長。許多軸承廠商已經發展出軸承負荷參數外的調節係數。各款風扇的相關資訊，請洽該風扇廠商和軸承供應商。風扇壽命的實驗為了經濟和時間限制的理由，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期壽命標準(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度有賴於正確的波形參數假設值﹝5﹞。例題2.一個以30台風扇為大小的樣本，在30℃，90%信心水準條件下，應該試驗多長的時間才可確定L10≧80,000小時？基於Breyfogle﹝5,equation(12.7)﹞和Weibull分布假設，n台風扇中的每一台應該試驗t1小時。公式如下：t1=α[χ22；C/2n]1/β﹝6﹞這裡的χ22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來決定。從Chi-Square表中，我們得知χ22；0.90=4.60假設β=2，我們解方程式﹝3﹞可以得到α=L10(0.10536)-1/2=246,463小時將α值及n=30代入公式﹝6﹞，可得每台風扇的試驗時間t1=68,280小時。如果所有的30台風扇在30℃條件下操作t1小時而未發生失效，則我們可以宣稱在90%信心水準下，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期間非常的長久，即使是當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，完成組成件評估的基本考量。當選擇一項加速試驗的策略時必須格外小心。一項無法貼切呈現氣動裝備特性的加速試驗模式將會因此造成無效的推算結果。表2所顯示的第一項加速試驗要素為開關循環（On/OffCycles）。這些循環藉由將軸承從零轉速加速至正常操作轉速來增加氣動裝備的應力。每8小時一個開關循環將可代表一台個人電腦的實用性。縱使這種施加應力的程度不恰當，仍可要求應用一些開關循環來偵測氣動裝備的問題，諸如：無法起動、轉速改變、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風扇失效問題的案例。表2指出一些廠商不採用開關循環來確認失效，且表1也顯示廠商E並不認為轉速下掉是一項失效，除非該轉速下掉達30%，採非常寬鬆的失效判定標準。應該期待廠商E使用這種合併試驗的定義，將可獲得較標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開關循環每500小時None隔週一次(336Hrs)NoneNone壽命試驗的空氣溫度80±5℃75℃72℃70℃85℃溫度加速係數2.0/10℃1.482/10℃2.0/10℃1.315/10℃2.0/15℃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℃的加速係數是合理的。例如，原運轉於80℃的壽命試驗結果，推估其降至40℃時所用之加速係數為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，潤滑油脂的結構不應該有顯著的改變。油脂功能的衰退主要歸因為蒸發耗損和氧化。基於ASTM所訂定的潤滑油脂與油料蒸發耗損和氧化特性標準測試方法，加速壽命試驗的執行溫度應低於90℃﹝1﹞。使用表2中所給予的溫度加速係數，對應風扇壽命試驗數據，可以推估之最低外界溫度是多少？Booser的標稱溫度加速係數是訂定於適用軸承溫度100℃。因此，應用這些加速試驗要素於室溫降至25℃的條件下會令人質疑；但是，因為沒有更好的模式可用情況下，這就是它們被常常使用的原因。結論因為不同的公司會使用不同的方式，拿一家廠商的預期壽命資料和另一家廠商來的資料作比較是毫無用處的。因此，當熱傳工程師和組成件評估工程師在選用一種氣動裝備時，必須執行獨立的比較分析。風扇壽命分析中重要的參數包括：失效判定標準、統計分析之分布函數和壽命試驗的加速要素。一旦這些參數被選定，它們應該被共用來比較不同的氣動裝備。我們希望本文所陳述的教材有助於鼓舞建立風扇壽命估算的標準化。