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如何评估含油轴承风扇的可靠性

来源: 可靠性知道 / 作者: 沈军兴 / 时间: 2017-11-01 07:44
风扇作为主动散热的主要元器件,具有高效,价格便宜等特性,且被广泛运用于电子产品中,如笔记本电脑,电源,服务器等。但是风扇也有噪音大,寿命和可靠性低等缺点。

 
引言

 风扇作为主动散热的主要元器件,具有高效,价格便宜等特性,且被广泛运用于电子产品中,如笔记本电脑,电源,服务器等。但是风扇也有噪音大,寿命和可靠性低等缺点。有产品为了追求极致性能和可靠性会不惜成本采用被动散热,如苹果New MacBook就采用了无风扇设计。如图1所示。当然这也是得益于新处理器的高效节能。
       无风扇被动散热虽然有诸多好处,但是目前只适用于小功率产品。对于大功率产品,风扇依然是主流的散热设计方案。在很长一段时间内,工程技术人员依然会面对这样一个问题:即如何去评估和选择一款可靠的风扇以满足系统产品的要求。
本篇文章会从风扇的结构分类开始,重点介绍含油轴承的失效机理和寿命影响因素,并结合案例介绍如何在实际工程中评估一款含油轴承风扇的可靠性。

                            图1  全新MacBook结构图
1.     风扇的分类和结构
      风扇按轴承类型大致可以分为两类:即含油轴承和滚珠轴承。
      含油轴承的风扇是现在市面上最多的,很容易买到且价格最便宜的风扇。但是使用时间长后,灰尘吸附增多,润滑油会因摩擦发热而挥发,导致风扇噪音增加,寿命骤减。这也是本文重点讨论这类风扇的原因。含油轴承还可以细分为液压轴承,来福轴承,Hypro轴承等,但都是采用了动压油膜轴承的原理[2]。轴承的不同,产品寿命也会有不同的表现。含油轴承结构如图2所示。


图2  含油轴承结构
      滚珠轴承风扇也是市面上比较流行的风扇。此风扇的轴承不再仅依靠润滑剂填充轴芯与轴套间的空隙,而是将空间略加扩大,在其中置入数个金属滚珠。当轴芯与轴套相对运动时,滚珠也随之滚动,并不与二者发生滑动摩擦,降低转动阻力,减少能量损耗。若仅以一道滚珠支撑,难以保证旋转轴的稳定,因而通常需要两道滚珠进行约束。但由于结构较为复杂,滚珠轴承的制造成本相对较高,为了控制产品成本,便产生了双滚珠与单滚珠两类滚珠轴承。双滚珠轴承要比单滚珠的性能好些。双滚珠轴承通常产品寿命可达50000~100000小时。滚珠轴承结构如图3所示。





图3   双滚珠轴承结构
      风扇按出风方式大致可以分为两类:即离心出风和轴流出风。
      离心出风风扇是将流体从风扇的轴向吸入后利用离心力将流体从圆周方向甩出去,比如鼓风机,抽油烟机等。图4所示为离心出风风扇结构。



图4 离心出风风扇结构
 轴流出风风扇的特点是流体沿着扇叶的轴向流过。比如电风扇和家庭用的排气扇等。图5所示为轴流出风风扇结构。

图5 轴流出风风扇结构
2.     含油轴承风扇的失效机理
      含油轴承风扇的失效主要分为两大类:即电子元器件失效和轴承机械老化失效。电子元器件失效和其他电子产品并没有特别之处,所以这里会主要介绍轴承机械老化失效。
轴承机械老化失效的主要原因是轴芯和轴套间的润滑油挥发或失效导致原有的动压油膜轴承[2]产生金属表面间的滑动摩擦。常用的轴芯材料是钢,轴套材料是铜,由于钢比铜硬,所以长时间的金属间滑动摩擦会造成轴承表面磨损并产生金属屑阻碍风扇转动,最终会卡死轴承。如图6所示。

图6 金属间摩擦造成轴承卡死示意图
       同时,润滑油挥发,失效和风扇不平衡也会造成轴芯与轴套两端的磨损加剧和间隙变大, 最终导致风扇转动时的晃动和噪音变大。如图7所示。

图7  轴承晃动示意图
 3.     轴承机械老化的影响因素
      影响含油轴承机械老化的因素主要有工作温度,风扇转速,开关次数,风扇转子的动平衡,风扇的架设方向和环境中的灰尘或外来异物。
      工作温度:风扇工作环境的温度会影响到润滑油的挥发和黏度,进而影响到风扇的寿命。图8所示的是润滑油参数示意图,其中工作温度,粘度和挥发率参数与轴承的寿命息息相关。同时如图9所示,润滑油黏度与温度又是直接相关,这直接影响着轴承是不是油膜润滑,所以工作温度直接决定润滑油的选择。

图8  润滑油参数示意图


图9 润滑油黏度与温度关系图
       风扇转速:风扇转速和寿命成反比。转速越高,润滑油液体摩擦产生的温度也越高,这样会加速润滑油挥发,缩短轴承寿命。
      开关次数:含油轴承在启动时还没有形成油楔,轴芯与轴承还处于金属接触之中,会产生轻微的磨损,所以频繁开关也会影响轴承寿命[2]。
      风扇转子的动平衡:风扇转子的动平衡越好,相同转速情况下产生的离心力就会越小,所以对轴承产生的磨损也会越小,这样轴承的寿命就会延长。离心力与偏心距的关系如图10所示。

·       不平衡质心所产生的离心力
·       此离心力相当于一偏心距e所产生的离心力



图10离心力与偏心距的关系
       风扇的架设方向:由于风扇的架设方向不同,作用在轴承上的重力也会不同。理论上当重力方向和轴承平行时,转子对轴承的重力应力最小。如图11所示。




图11  重力方向和轴承平行
       灰尘或外来异物:空气中的灰尘进入轴承后可能会堵塞轴承的润滑系统,破坏含油轴承原有的动压油膜和润滑功能,造成失效。外来异物如果是纤维或昆虫的话,还可能会堵塞叶轮转动。如图12所示。




图12(a)  灰尘进入风扇示意图


图12(b)灰尘进入风扇轴承堵塞润滑毛细孔图


图12(c)纤维堵塞风扇图
4.     如何评估风扇的可靠性和寿命
(1)理论计算和验证
      了解了风扇的结构,失效机理和影响因素,那我们可以按照下面几个步骤去初步设计或选择一款风扇。第一步就是理论计算。那就是根据对风扇的使用条件,比如转速,工作温度,润滑油参数,机械尺寸等,按雷诺方程[2](公式1 Reynolds 方程)去计算轴承的承载力。然后根据风扇架设方向判断轴承产生的承载力是否能大于离心力和重力之和。离心力可参考ISO1940[3],根据不平衡量和实际使用情况计算出,重力可以根据架设方向按照牛顿力学去分析。


        如果公式计算结果能够满足,那么轴承在运动过程中轴芯和轴套间理论上是完全的动压油膜润滑。当然这是理想情况,所以第二步我们还要用通电测试方法确认轴芯和轴套间是否在实际工作中真的存在动压油膜润滑。这里之所以再三强调动压油膜是因为动压油膜轴承的理论寿命是10~15年[2]。只有存在动压油膜润滑,风扇的寿命才会有一定的保障。当轴承间金属滑动摩擦发生后,风扇会很快失效。导电测试如图13所示。导电测试需要考虑到实际应用中最糟糕的情况,比如最高温度,最大不平衡量等。

图13 导电测试
 2)实验验证和寿命评估方法
       可靠性实验验证常用的方法是老化测试,为了节约时间,加速测试是必不可少的。结合前面的失效机理和寿命影响因素,这里主要介绍的是高温老化测试方法。但这个高温老化测试会结合风扇的架设方向,灰尘测试和开关老化测试。目的是主要评估润滑油在高温情况下的挥发情况,还有离心力,重力,灰尘和频繁开关对轴承寿命的影响。

表1是实际案例采用的测试条件
注:
1)风扇开关次数和风扇开关周期可根据实际情况设定,但要考虑油温冷却时间。
2)IP防护等级可根据实际使用情况设定。测试完的样品建议继续老化测试并与普通高温老化样品的样品对比。
3) 失效标准:噪音增加3分贝或者转速,启动电流增大15%。


 这里建议使用两个老化温度测试,这样可以用实验数据验证风扇的寿命加速因子,而不是直接采用IPC 建议的10度两倍的关系去计算寿命[4]。在老化测试中把风扇测试到失效会需要很长的时间,这边建议可以测试主要参数的退化来评估寿命,比如把转速降低15%,启动电流增加15% 或噪音增加3分贝作为失效时间,这样既可以缩短时间,又可以拿到比较真实的数据[4]。
(3)数据分析
表2是按照表1设定条件得到的两组老化测试数据。这里我们采用ALTA软件建议的威布尔分布和阿伦纽斯模型去分析数据[5]。如图14我们可以得到风扇失效的形参β=8.9268和活化能Ea=0.0667。


  表2  老化测试数据




图14   ALTA分析结果
       从分析结果我们可以看到,实际数据的分析结果和IPC-9591建议的形状参数和活化能差很多。因此对于高可靠性要求的产品,现有的参考可能标准并不适用。


结论:
       目前,风扇在各个行业中都有广泛的运用。随着消费者对系统产品的可靠性要求越来越高,势必迫使我们在设计中选用可靠性更好的风扇。在这种情况下,参考使用现有的标准去评估风扇可靠性可能会有些局限性,造成不能满足客户要求的潜在风险。本论文通过介绍风扇种类,含油轴承的失效机理和寿命影响因素,并通过实际案例结合理论计算和实验验证相结合的方法,为设计人员提供一个新的思路去评估一款风扇的可靠性,从而满足设计要求并达到系统的最优化设计。


参考文献
1.     http://www.apple.com/cn/macbook/
2.     樊红朝,动压油膜轴承的承载性能分析与研究, 2003.5.10豆丁网
3.     ISO1940-1-2003, Mechanical vibration - Balance quality requirements for rotors ina constant (rigid) state - Part 1: Specification and verification of balancetolerances
4.     IPC-9591,Performance Parameters (Mechanical, Electrical, Environmental andQuality/Reliability) For Air Moving Devices, Proposed Standard for Ballot,February, 2006
5.     Reliasoft,Life Data Analysis Reference, Published by Reliasoft Publishing, USA
 

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