基于FTA FMMEA的某型導(dǎo)彈發(fā)動機(jī)失效分析

摘 要：介紹了故障樹分析法（FTA）和故障模式、機(jī)理影響分析法（FMMEA）。運(yùn)用FTA建立 了某型導(dǎo)彈發(fā)動機(jī)失效模型，并根據(jù)定性分析結(jié)果，對發(fā)動機(jī)點(diǎn)火藥進(jìn)行FMMEA分析，確定故 障模式和故障機(jī)理，找出故障發(fā)生的根本原因，提出改進(jìn)措施以符合初始風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)（RPN）要 求，輸出FMMEA表格。這一分析方法對導(dǎo)彈其他部件潛在故障的分析具有借鑒意義。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)彈發(fā)動機(jī)；可靠性；故障樹分析；故障模式

中圖分類號：TJ760.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1673-5048（2014）06-0062-05

FailureAnalysisofaMissileEngineBasedonFTAFMMEA

LIZhiqiang1，WANGQian1，WUHongcheng2，MAXuejun3

（1.DepartmentofAviationAmmunition，AirForceLogisticsCollege，Xuzhou221000，China；2.PLA’sMilitaryRepresentative Officein149，Shanghai200245，China；3.Troop94750，Liancheng366200，China）

Abstract：Faulttreeanalysis（FTA）methodandfailuremode，mechanismsandeffectsanalysis（FM MEA）methodareintroduced.UsingFTA，themodeloffailureanalysisonmissileengineisestablished， andusingthequalitativeanalysisresults，theignitionpowderofengineisanalyzedbyFMMEA，thenthe failuremodeandmechanismsaredetermined，thefundamentalreasonsarefoundout.Improvementmeas uresareputforwardsothattheriskprioritynumber（RPN）issuitedforthemerits，andFMMEAtableis outputted.Thismethodisusefulwhenanalyzingthepotentialfailuresoftheotherpartsofthemissile.

Keywords：missileengine；reliability；faulttreeanalysis；failuremode

0 引 言

作為“長期儲存，一次使用”的高性能武器，空 空導(dǎo)彈中遠(yuǎn)距離發(fā)射、機(jī)動飛行的實(shí)現(xiàn)和優(yōu)良作戰(zhàn) 效能的發(fā)揮很大程度上取決于發(fā)動機(jī)的可靠性。當(dāng) 前有大量關(guān)于導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)可靠性的學(xué)術(shù)成果，而 在發(fā)動機(jī)可靠性方面研究較少。隨著失效物理分析 法（PoF）[1]越來越多地運(yùn)用于失效分析中，故障模 式、機(jī)理及影響分析（FailureMode，Mechanismsand EffectsAnalysis，F(xiàn)MMEA）在實(shí)踐中也推廣開來。

1 FTA-FMMEA綜合分析法

1.1 故障樹分析法

故障樹分析法（FaultTreeAnalysis，F(xiàn)TA）[2]，20 世紀(jì)60年代由Bell實(shí)驗(yàn)室提出，可以用于評價(jià)系統(tǒng) 的可靠性和安全性，也可以針對某一具體的故障進(jìn) 行分析，是一種綜合性的系統(tǒng)分析方法。FTA采用 樹狀結(jié)構(gòu)，層級分明，因果關(guān)系清晰。FTA將最不希 望發(fā)生的事件作為頂事件，自上而下，根據(jù)引起頂 事件發(fā)生的部件失效、環(huán)境變化、人為失誤等要素， 逐項(xiàng)建立中間事件和底事件；繼續(xù)分析中間事件， 直到到達(dá)故障樹底端，即故障樹底事件全為基本事 件的集合。由于具有從頂端到底端逐層細(xì)化、逐級劃分故障元素的特點(diǎn)，F(xiàn)TA適合于多重故障分析。

1.2 故障模式、機(jī)理及影響分析

故障模式、機(jī)理及影響分析[3]，20世紀(jì)90年 代由MichaelPecht教授提出，是一種定性分析方 法，可以確定所有潛在故障模式中的故障機(jī)理和 故障模型，對故障機(jī)理進(jìn)行優(yōu)先級劃分。FMMEA 通過對裝備部件潛在故障模式與對裝備功能、性 能和退化影響進(jìn)行分析，根據(jù)元部件的設(shè)計(jì)模型、 結(jié)構(gòu)、材料等提出改進(jìn)方案，為日常的維護(hù)使用提 出建議措施。相對于FMEA，F(xiàn)MMEA更加注重故 障機(jī)理的研究，有助于找出潛在故障的根本原因， 從真正意義上控制故障風(fēng)險(xiǎn)。

1.3 FTA-FMMEA分析法

采用自上而下分析方式的FTA適合于多因素 分析，采用自下而上方式的FMMEA適合對單一因 素進(jìn)行分析。如果把FTA與FMMEA結(jié)合起來，將 充分發(fā)揮兩種分析方法的優(yōu)勢：FTA可以彌補(bǔ)FM MEA單因素分析存在的不足；FMMEA可以針對 FTA中相對重要的因素進(jìn)行分析。

FTA-FMMEA綜合分析法的原理[4]：根據(jù)工 程實(shí)際需要，選擇一個(gè)故障事件作為故障樹分析 的頂事件，根據(jù)故障形成的原因?qū)ふ抑虚g事件和 底事件，建立故障樹。運(yùn)用定性分析方法與定量分 析方法，求出故障樹最小割集，確定引起故障的各 事件可能性。對于影響較大的事件，運(yùn)用FMMEA 進(jìn)行分析，根據(jù)故障模式可檢測的難易程度、嚴(yán)酷 度、發(fā)生可能性計(jì)算初始風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)RPN（Risk PriorityNumber）值，找出低層次故障模式與故障機(jī) 理，追溯事件發(fā)生的根本原因，并根據(jù)分析結(jié)果提 出改進(jìn)措施和建議，再次計(jì)算RPN值。如果RPN 值不滿足預(yù)先設(shè)定的范圍，就繼續(xù)改進(jìn)措施或者 改進(jìn)設(shè)計(jì)，當(dāng)RPN滿足要求之后，輸出分析結(jié)果。 FTA-FMMEA進(jìn)行故障分析的流程如圖1所示。

2 故障樹分析模型建立

某型導(dǎo)彈固體火箭發(fā)動機(jī)為單室雙推力發(fā)動 機(jī)，由燃燒室、點(diǎn)火系統(tǒng)、裝藥、長尾噴管等分組 件和有關(guān)直屬零件組成[5]。由于發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 故障模式與故障原因多種多樣，采用故障樹分析 法進(jìn)行分析，可以對故障進(jìn)行大致定位，判明可能 的故障機(jī)理。

2.1 頂事件確定

隨著推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，新材料、新型推進(jìn)劑等 的運(yùn)用，發(fā)動機(jī)的內(nèi)彈道性能、安定性等越來越優(yōu) 良[6]。但發(fā)動機(jī)故障依舊時(shí)常發(fā)生，一旦失效，將 影響整個(gè)導(dǎo)彈的作戰(zhàn)效能，輕者不能完成預(yù)定任 務(wù)、浪費(fèi)資源，重者威脅載機(jī)、造成嚴(yán)重事故。對 導(dǎo)彈發(fā)動機(jī)建立故障樹進(jìn)行分析時(shí)，以發(fā)動機(jī)失 效為頂事件T。

2.2 故障樹建立

由某型導(dǎo)彈發(fā)動機(jī)的組成可知，發(fā)動機(jī)失 效[7]主要由燃燒室損壞或爆炸、點(diǎn)火系統(tǒng)失效、噴 管失效、密封失效四個(gè)原因引起。燃燒室損壞主要 由殼體設(shè)計(jì)不合理、燃燒室工作壓強(qiáng)過高、絕熱層 設(shè)計(jì)不合理、材料隔熱性差、殼體材料缺陷引起； 點(diǎn)火系統(tǒng)失效主要由堵片脫落、點(diǎn)火藥柱點(diǎn)火失 效、點(diǎn)火具點(diǎn)火失效引起；密封失效主要由密封圈 失效、設(shè)計(jì)不合理、密封槽失效、裝配不當(dāng)、粘貼 劑失效引起。殼體設(shè)計(jì)不合理、燃燒室工作壓強(qiáng)過 高、點(diǎn)火藥柱點(diǎn)火失效、點(diǎn)火具點(diǎn)火失效原因由相 應(yīng)的底事件引起。根據(jù)故障引起的層級關(guān)系，建立 發(fā)動機(jī)失效的故障樹如圖2所示。故障樹事件明細(xì) 如表1所示。

2.3 故障樹定性分析

故障樹定性分析即求解故障樹的割集和最小 割集。割集是指故障樹底事件的集合，當(dāng)這些事件 發(fā)生時(shí)，故障必然發(fā)生，若某個(gè)割集中的某一項(xiàng)事 件不發(fā)生，故障也就不發(fā)生，那么這個(gè)割集就是最 小割集。

對空空導(dǎo)彈發(fā)動機(jī)失效故障樹進(jìn)行定性分析， 可以通過上行法和下行法進(jìn)行，此處采用上行法 求解。故障樹模型如下：

T=X1+X2+X3+X4+X5+X6+X7+X8+

X9+X10+X11+X12+X13+X14+X15+

X16+X17+X18+X19·X20

在所求割集中，階數(shù)越小的最小割集越重要， 重復(fù)出現(xiàn)次數(shù)越多的底事件越重要。由T的簡式 可知，發(fā)動機(jī)失效的故障有1個(gè)二階故障，18個(gè) 單點(diǎn)故障。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選擇時(shí)候，把單 點(diǎn)故障消除或者通過技術(shù)使之保持在一個(gè)極小的 水平，也就是在對空空導(dǎo)彈發(fā)動機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過 程中，通過采用成本較高而可靠性較好的零部件， 使單點(diǎn)故障趨于零。

3 導(dǎo)彈發(fā)動機(jī)FMMEA

3.1 FMMEA分析流程

對某型導(dǎo)彈發(fā)動機(jī)進(jìn)行FMMEA時(shí)，需要選 取對故障影響較大的最小割集為研究對象，因此 以發(fā)動機(jī)點(diǎn)火具失效為線索，進(jìn)行FMMEA。根據(jù) 發(fā)動機(jī)組成和FTA結(jié)果，選取點(diǎn)火具失效為研究 對象，分析其潛在的故障模式，找出故障原因， 確定故障機(jī)理，并確定對上一級系統(tǒng)和整體系統(tǒng) 的影響。根據(jù)故障的可探測度、嚴(yán)酷等級、發(fā)生 概率，確定RPN值，提出改進(jìn)措施，計(jì)算實(shí)施改 進(jìn)方案之后的RPN值，當(dāng)滿足要求之后，輸出 FMMEA表格。對發(fā)動機(jī)進(jìn)行FMMEA的流程如圖 3所示。

3.2 失效原因和失效機(jī)理分析

導(dǎo)彈發(fā)動機(jī)組成較為復(fù)雜，就整個(gè)發(fā)動機(jī)系 統(tǒng)進(jìn)行故障機(jī)理分析，工作量偏大，此處選取 X20———點(diǎn)火藥失效進(jìn)行分析。點(diǎn)火藥性能的好壞 直接關(guān)系到能不能正常點(diǎn)火，發(fā)動機(jī)能不能正常 工作，對其進(jìn)行分析具有代表性。

點(diǎn)火藥失效的故障原因分析[8]如下：

（1）個(gè)體差異。點(diǎn)火藥的藥型設(shè)計(jì)會影響燃 燒快慢和充分性。如果設(shè)計(jì)不合理，點(diǎn)火藥就有可 能燃燒太快而沒有充足點(diǎn)火時(shí)間，也有可能燃燒 太慢或者熄火，以致沒法釋放點(diǎn)火熱量。點(diǎn)火藥的 選擇和藥量多少也會影響點(diǎn)火藥能量的釋放。如 果在選擇點(diǎn)火藥時(shí)，選用焦耳熱較小的，藥量又 少，點(diǎn)火就更加困難。

（2）隨時(shí)間變化。點(diǎn)火藥粒度會影響燃燒速 度，進(jìn)而影響釋放能量的持續(xù)時(shí)間。如果藥粒過 細(xì)，燃燒太快，就沒有足夠的點(diǎn)火時(shí)間；如果藥粒 板結(jié)，燃燒太慢，單位時(shí)間放能太少。長期貯存 中，藥粒如果慢慢變細(xì)，或者結(jié)成小塊，使點(diǎn)火藥 粒度不均勻，會嚴(yán)重影響燃燒規(guī)律。

（3）操作使用。按照相應(yīng)的操作規(guī)程，技術(shù)陣地或工廠需要定期對導(dǎo)彈各個(gè)部位進(jìn)行檢查，更 換干燥劑和失效零部件。如果在濕度較大的天氣 進(jìn)行開殼操作，或者導(dǎo)彈重新組裝不到位，或者忘 記更換干燥劑，都會使得點(diǎn)火藥受潮，影響其燃燒 性能。導(dǎo)彈運(yùn)輸途中，機(jī)械搬運(yùn)過程中，如果操作 動作過大，會對導(dǎo)彈產(chǎn)生較大的振動沖擊。

（4）系統(tǒng)干涉。發(fā)動機(jī)點(diǎn)火藥采用綢布、錫箔 封裝，具有一定的密封性，但由于點(diǎn)火藥為散裝粒 狀，相對成型的點(diǎn)火藥來說，其燃燒規(guī)律不夠穩(wěn) 定，并且還有可能在沒有充分燃燒時(shí)，隨著火焰噴 氣一起噴出，造成能量源損失，影響能量釋放，進(jìn)而影響點(diǎn)火系統(tǒng)的正常點(diǎn)火工作。

（5）外部環(huán)境。外部環(huán)境因素主要是指導(dǎo)彈 在運(yùn)輸、儲存、掛飛過程中受到的振動沖擊，這些 會影響點(diǎn)火藥的粒度，也會對零部件造成影響，比 如引起螺母松動或者脫落。在儲存保管和運(yùn)輸中， 環(huán)境溫濕度超出規(guī)定范圍，也會影響點(diǎn)火藥點(diǎn)火 性能。如果密封和防潮措施不到位，潮氣很容易就 進(jìn)入彈體內(nèi)部。

根據(jù)導(dǎo)致故障的原因，從設(shè)計(jì)機(jī)理、退化機(jī) 理、人為失誤、振動沖擊和溫濕度控制五個(gè)角度確 定故障機(jī)理，如表2所示。

從表2可以看出，設(shè)計(jì)機(jī)理出現(xiàn)了4次，這就 要求在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，必須充分考慮點(diǎn)火藥的藥型、 選藥、用藥量等，在源頭上減小影響可靠性的因 素。對于在役的發(fā)動機(jī)，重新改進(jìn)設(shè)計(jì)不現(xiàn)實(shí)，只 有在實(shí)際工作中對可能出現(xiàn)的影響因素進(jìn)行分析。 影響點(diǎn)火藥性能的故障機(jī)理主要是貯存保管和勤 務(wù)處理中受到的振動沖擊和溫濕度失控。振動沖 擊和溫濕度失控很常見，稍不注意就會發(fā)生，而且 對點(diǎn)火藥有很大、很明顯的影響。退化機(jī)理、人為 失誤歸根結(jié)底，也是通過振動沖擊和溫濕度失控 產(chǎn)生影響的。在維持發(fā)動機(jī)處于穩(wěn)定環(huán)境中的同 時(shí)，加強(qiáng)對技術(shù)人員的教育和培訓(xùn)，增強(qiáng)責(zé)任意 識、法規(guī)意識，確保人為失誤零發(fā)生。

3.3 故障風(fēng)險(xiǎn)值確定

RPN[9]常用來評定故障模式的風(fēng)險(xiǎn)等級，反 映了對故障模式發(fā)生可能性、后果嚴(yán)重性和檢測 難度的綜合衡量。RPN由故障模式發(fā)生可能性 （O）、嚴(yán)酷度等級（S）和檢測難易程度（D）相乘得 到，即

RPN=O×S×D

RPN取值越大，表示故障模式越重要，必須通 過故障機(jī)理尋找故障原因，制定改進(jìn)措施或者方 案，及時(shí)解決。在對故障模式進(jìn)行RPN評定時(shí)，一 般要制定一個(gè)指標(biāo)。根據(jù)實(shí)際情況，作出RPN評定，如果該值達(dá)不到指標(biāo)要求，則改進(jìn)設(shè)計(jì)或者優(yōu) 化操作流程，降低故障發(fā)生的可能性、降低嚴(yán)酷度 等級或者增加故障可檢測性，再計(jì)算新的RPN，直 到滿足指標(biāo)為止。由于O，S，D的取值具有相對的 主觀性，一般通過專家評定，專家打分，然后求平 均值確定[10]。

通過抽樣檢測，對該型導(dǎo)彈發(fā)動機(jī)點(diǎn)火藥進(jìn) 行性能評判。經(jīng)過咨詢專家，進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，計(jì)算 平均值，得到故障模式出現(xiàn)概率O=6、嚴(yán)酷度等 級S=6、檢測度難易程度D=4，求得RPN=144。 制定的RPN指標(biāo)為60，計(jì)算結(jié)果超出指標(biāo)，需要 進(jìn)行改進(jìn)。

3.4 改進(jìn)措施

根據(jù)表2故障原因和故障機(jī)理，提出可行的改 進(jìn)方案，可以有效地降低RPN值：在設(shè)計(jì)上改進(jìn) 藥型、選用能量比更高的火藥、增大藥量、改良封 裝措施；對于在役的導(dǎo)彈發(fā)動機(jī)，改進(jìn)現(xiàn)有的貯存 保管方法、勤務(wù)保障模式。

由于該型導(dǎo)彈包裝儲運(yùn)，受到的振動主要是 保障過程中的機(jī)械振動、搬運(yùn)過程中的磕碰以及 運(yùn)輸過程中的顛簸和慣性沖擊。隨著技術(shù)的成熟， 如果在導(dǎo)彈包裝箱內(nèi)安裝傳感器系統(tǒng)，就可以實(shí) 時(shí)監(jiān)測導(dǎo)彈受到的振動和沖擊，同時(shí)在包裝箱內(nèi) 做好固定裝置和緩沖襯件，一旦遇到較大的加速度或慣性力，導(dǎo)彈將有一定的緩沖能力。在包裝箱 內(nèi)安置溫濕度傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測導(dǎo)彈的溫濕度。在 不影響導(dǎo)彈性能結(jié)構(gòu)的情況下，可以根據(jù)導(dǎo)彈內(nèi) 部結(jié)構(gòu)，在點(diǎn)火藥處安置溫濕度一體微型傳感器， 記錄點(diǎn)火藥所處環(huán)境中的溫濕度。在進(jìn)行保障方 式改進(jìn)的同時(shí)，加強(qiáng)人員的技術(shù)培訓(xùn)，增強(qiáng)官兵的 愛裝愛軍意識，使得裝備和人能夠更好地發(fā)揮作 用。

采取改進(jìn)措施后，專家對RPN進(jìn)行修正，求取平均值后O=4，S=4，D=2，得出RPN=32，滿 足指標(biāo)，說明改進(jìn)方案可取。

3.5 FMMEA表格輸出

根據(jù)某型導(dǎo)彈發(fā)動機(jī)點(diǎn)火藥失效的故障模式、 故障原因和故障機(jī)理，找出故障發(fā)生的根本原因， 采取相應(yīng)的改進(jìn)措施，使得發(fā)動機(jī)點(diǎn)火藥的故障可 能性、嚴(yán)酷度等級和可探測程度得到了很大的改善。 整個(gè)FMMEA理論分析過程，到此結(jié)束，類比FMEA 表格，建立FMMEA表格[11]，如表3所示。

4 結(jié) 束 語

隨著精確制導(dǎo)技術(shù)、火箭推進(jìn)技術(shù)的迅速發(fā) 展，大量高技術(shù)器件運(yùn)用到導(dǎo)彈上，導(dǎo)彈的成本也 隨之增加?！敖?jīng)濟(jì)可承受性”問題越來越突出，研 究導(dǎo)彈的可靠性，提高導(dǎo)彈的作戰(zhàn)效能已顯得越 來越重要。作為導(dǎo)彈助推器的發(fā)動機(jī)是一個(gè)核心 而又薄弱的環(huán)節(jié)，加強(qiáng)對發(fā)動機(jī)的研究將對導(dǎo)彈 可靠性的提高發(fā)揮非常明顯的效果。

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