可靠性技术在耦合器插座中的应用

戴银燕 张乐 崔斌 项永金

摘要：本文主要论述了耦合器插座的失效模式以及提高产品可靠性的分析思路。从质量管理的核心环节——质量控制出发，创建了一个能突破性提高产品质量又无需提高产品生产成本的可靠性质量改善模式。通过汇总分析找出产品使用中最主要的问题点，深入分析，找出问题产生的根本原因，从产品使用可靠性方面对耦合器插座结构进行优化更改。使其更加满足售后使用环境，达到大幅度降低产品故障率的目的。同时产品的安全性也得到了提高。

关键词：耦合器插座；产品结构；可靠性

DOI：

10.396 9/j.issn.1005-5517.2018.8.015

O 引言

耦合器插座是A公司空调柜机电源专用插座，其安全性较高，旋钮操作，插头旋入插座锁死电源接通，插头解锁旋出插座电源断开，不同于常见的插拔式插座。其在用电安全和防触电保护方面有很大优势，因此进一步提高耦合器插座的可靠性意义重大。

本项目从大量售后故障件的分析情况找出影响产品质量的核心故障点，结合用户实验使用条件，从设计源头避免质量问题的发生。

1 可靠性开展策划

随着消费者对家电产品品质要求越来越高，拥有高可靠性的产品备受青睐，如何提高产品品质及安全性，依托的基础则是单个器件具有长寿命、高可靠性。研究耦合器插座，则是基于这一出发点。从单一产品可靠性研究出发，建立一套完整的可靠性分析方法，推广并运用，从而提高产品整体可靠性。

耦合器插座可靠性研究，充分运用可靠性技术确保设计的适用性及耐久性。在项目过程中，依照可靠性策划、可靠性分析、可靠性评审开展项目的整体设计，运用故障树分析、故障模拟、改善效果评估等分析手段保证设计工程的可靠性。

可靠性策划阶段，主要根据项目开展的目的，确认可靠性的定义和可靠性最终需要达到的指标，明确可靠性的要求。可靠性分析阶段，首先进行数据的收集分析，利用故障树分析确定要因，结合关键因素及设计相关要素，开展相关数值模拟，并进行验证，最终确认结构设计的可靠度[1]。依据设计测试结果，不断更新优化方案，最终整改效果对比评估，长期使用数据跟踪等评估手段，对设计方案进行修改或确认。设计实施流程图如图1所示。

2 用户使用问题汇总分析

2.1 运用故障树分析失效类别

2.1.1 数据统计分类

耦合器插座故障不仅影响着空调整机的可靠性，而且直接关系着用户用电安全，其可靠性提高顯得紧急且重要。而通过相关数据的收集，为成功开展数据分析并评价产品质量提供支撑。通过对该耦合器插座一段时间售后故障原因汇总分析，并根据故障类别进行区分如图2所示。

排名前两位的为插不到位烧坏（占比36.8%）及插套变形（22.2%），占总故障的59%；其次为安装使用不当，占总故障的11.5%；弹跳烧占比10.5%；接线不良占总故障的9.1%。

2.2 故障树分析

在利用故障树进行分析前，需梳理失效模式，找到问题发生的末端因素。结合耦合器插座使用情况的特点，我们将故障模式分为两大类加以梳理和研究：一是无法装配，插头旋转不到位：二是电源打火烧坏。通过提炼及归纳总结，耦合器插座失效故障树如图3所示。

通过故障树分析，可以看出导致耦合器插座失效因素主要有：物料结构缺陷（底座结构、弹簧结构、插套材质、滑块耐温）、用户使用、安装维修。

从以上分析的末端因素可以看出，对产品可靠性影响较大的是产品结构的缺陷：①通用性不强，与部分电源线配合易出现问题，如硬铜线，铝线等；②可操作性，该插座为电源插头与插座旋转接通电源，但是用户使用操作时，如未旋转到位，电源已经接通，会导致接触面积小出现电源打火，需要在结构上优化，增加可操作性：③售后安装维修，售后人员技术及工作粗心大意导致，此部分只能通过加强人员管理减少故障的发生。

综上，为提高产品本身可靠性，需优化结构设计，才能从根本上杜绝问题的发生。

3 可靠性整改方案

3.1 一种限位插套的下壳结构

3.1.1 故障原因分析

经过对一段时间反馈故障的地区统计发现，安徽、河南、河北、山东等地故障率较高，调查各地插座安装使用的电源线情况，发现河南、安徽、河北等地多使用单股硬铜线，广东地区多使用多股铜线。

现场调查安徽大部分地区安装耦合器插座使用的电线为2.5 mm2-3mm2的单芯硬铜线，为方便安装，一般电源线预留较长，接线后电线就会被弯折后盘在插座后面的墙洞中，如图4。

结合以上两个地区差异的调查，发现使用单股硬铜线的地区售后故障普遍偏高。

插套变形主要是因为售后安装时，客户家里使用的是单股线，单股线材质硬，走线时插座背部受力，牵扯插套造成插套变形，与电源线插头配合后，插销旋转时滑出插套外冲击弹簧，造成变形，如图5。

将耦合器插座接上单芯硬铜线模拟耦合器插座安装情况，弯折下压铜线，当铜线弯折角度较大时，往下压铜线，插套位置偏移（图6），此时插头无法插入，松开铜线后恢复原状（图7），如图7所示。

查看耦合器结构，插套和两侧下壳之间间隙较大（图8），插套不能被固定。当铜线受力时会带动插套前后移动，插套位置会改变，使插头无法插入。

3.1.2 可靠性整改方案

从阻止插套移动方式提高产品可靠性，对下壳的结构优化，插套周围区域增加凸点限制插套移动范围。整改前，插套两侧无注塑件限位，可移动空间较大（如图9左），整改后，各电极插套都有注塑件限位（如图9右）。

3.1.3 可靠性整改效果确认

将整改后制品接上单芯硬铜丝，弯折、拉动铜丝后，整改后制品会出现轻微移动的情况，但是不影响插头旋入，在各插套位置作限位，限制插套不松动，解决了插套变形、插套开口尺寸及安装上无法旋转的问题。

3.2 不入则出的插装模式

3.2.1 故障原因分析

在耦合器故障中，因插头插不到位而烧的故障占了所有不良的36.8%，存在的主要原因为客户使用時插头未旋转到位，造成点接触或局部接触，长期使用温度过高，塑料部位热熔或烧熔（图10）。由于空调使用人群较复杂，除了在空调安装时对使用人员进行操作方法的培训之外，只能通过产品本身结构优化来杜绝此类问题。经过对故障件的分析，只有保持插头与插座之间的连接处于接通和断开两种装态，即不存在图10中的临界状态，才能避免上述问题的发生。

3.2.2 可靠性改善方案

通过对插座内部结构的研究，可以通过更改拉簧相关尺寸增加拉簧的拉力，当插头未旋转到位时，通过拉簧的拉力使插头回归初始位置。同时为配合拉簧相关尺寸的更改，改变防护门的结构。实物图片如图11所示。

整改后制品插头和插座之间不会出现半接通状态，只有断开和接通状态。插头在旋转过程中受到弹簧的回拉力，如果插头的解锁钮未旋转插座接通凹槽内，会被弹簧的拉力拉回，此时插头与插座处于断开状态。如果插头的解锁钮旋转到插座接通凹槽内，插头与插座正常接通，由于插座凹槽的阻碍，此时插头受到回拉的力也不会被拉回。

3.3 一种适用多材质导体的新型插套

3.3.1 故障调查

在售后返回32A耦合器插座中，发现大量插座接线位置烧熔，上面还残留有铝线熔融到一起。故障机器集中在H省，而其他省份较少。经调查H省农村地区大量使用铝线作为建筑布线，而其他省份一般使用铜线，铜线基本无同类故障反馈。

3.3.2 原因分析

客户家里连接插座的导线为铝线，而插座插套材质为铜，由于铜、铝的弹性模量和热膨胀系数相差很大，多次通电后，导体连接处的接触电阻变大。实物如图12所示。

3.3.3 可靠性整改方案

铜铝电气连接的问题在电力行业已经有成熟的研究，一般行业内有以下解决方法：

1）铜导体表面镀锡或镀银；

2）铜铝导体接触面垫入锌片：

3）铜铝导体接触面涂导电膏，也叫电力脂；

4）使用铜铝过渡设备线夹[2]。

对比上述四种方案，2）和4）对空调安装来说，不易防呆和受控，经过试验验证方案1）是最佳方案。因锡和铝的膨胀系数和弹性模量比较接近，理论和实际验证得出镀锡的方案最优。

3.3.4 可靠性效果确认

通过以上实验验证，插套镀锡方式从可操作性及质量改善方面是最优的方案，该种结构产品已经批量使用，通过实际使用情况来看插套烧熔问题得到了很大的改善。

4 总结

耦合器插座可靠性研究与应用，在整个家用电器领域及制造行业内具有广泛的可推广性，研究思路及方法可适用于各行业电子元器件、电器件等产品开发设计的改进与提高。对制造型企业强化产品质量控制，提高产品质量水平，具有十分重要的推广和借鉴作用。

参考文献：

[1]陈逵电子元器件失效分析的常用技术手段及应用大科技，2013（6）

[2]蒋寒薇居室环境中电源插座设计研究中南林业科技大学，2015-05-01