基于FMEA和FTA的電動(dòng)調(diào)能機(jī)構(gòu)的失效分析?

張 強(qiáng) 胡榮芳

（1.海軍裝備部駐鄭州地區(qū)軍事代表室 鄭州 450015）（2.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一三研究所 鄭州 450015）

1 引言

電動(dòng)調(diào)能機(jī)構(gòu)作為發(fā)射動(dòng)力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)能量調(diào)節(jié)可行方法，其主要包括雙弧形密封體密封滑塊、電動(dòng)缸雙路控制機(jī)構(gòu)、電動(dòng)缸驅(qū)動(dòng)-導(dǎo)軌定位導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、工位傳感器-磁鋼反饋工位信號(hào)機(jī)構(gòu)，是實(shí)現(xiàn)能量精確調(diào)節(jié)的關(guān)鍵技術(shù)之一。隨著未來(lái)武器系統(tǒng)對(duì)實(shí)戰(zhàn)化需求的不斷提升［1～2］，電動(dòng)調(diào)能機(jī)構(gòu)作為新型的能量調(diào)節(jié)技術(shù)，在未來(lái)實(shí)戰(zhàn)化需求不斷提升的情況下，將面臨著更多可能存在的風(fēng)險(xiǎn)。為了降低故障率、使風(fēng)險(xiǎn)可控，必須令電動(dòng)調(diào)能機(jī)構(gòu)在使用壽命全過(guò)程可控，簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)，減少控制環(huán)節(jié)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電動(dòng)調(diào)能機(jī)構(gòu)的狀態(tài)。

為了保障電動(dòng)調(diào)能機(jī)構(gòu)的可靠性，特別是避免出現(xiàn)設(shè)備的損壞或安全事故，本文基于FMEA和FTA分析方法［3～9］，首先建立了電動(dòng)調(diào)能機(jī)構(gòu)的故障樹(shù)模型，提出了電動(dòng)調(diào)能機(jī)構(gòu)可能存在的各種失效模式及各失效模式間的層次關(guān)系，然后在此基礎(chǔ)上對(duì)各個(gè)失效模式的影響進(jìn)行FMEA分析，明確了各失效模式的風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，通過(guò)FTA分析（Fault Tree Analysis）建立頂事件故障樹(shù)，列出底事件；然后利用FMEA對(duì)列出的底事件進(jìn)行分析評(píng)定［10］。最后根據(jù)評(píng)定結(jié)果對(duì)分析對(duì)象做出可靠性評(píng)價(jià)和調(diào)整。從而對(duì)主要風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題有針對(duì)性地解決，以提高新研發(fā)的電動(dòng)調(diào)能機(jī)構(gòu)的可靠性。

2 電動(dòng)調(diào)能機(jī)構(gòu)的FTA分析

故障樹(shù)分析方法（FTA）是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來(lái)的用于大型復(fù)雜系統(tǒng)可靠性、安全性分析和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的一種方法。它采用邏輯的方法，通過(guò)對(duì)可能造成系統(tǒng)故障的各種因素（包括硬件、軟件、環(huán)境、人為因素等）進(jìn)行分析，畫(huà)出邏輯框圖（即故障樹(shù)），找出最小割集，以判明系統(tǒng)故障的根本原因，計(jì)算系統(tǒng)故障概率，進(jìn)行定量分析，采取相應(yīng)的糾正措施，提高系統(tǒng)可靠性。

位于故障樹(shù)最上部的事件叫做頂事件，一般為造成嚴(yán)重后果的故障事件或事故，是故障樹(shù)分析、研究的對(duì)象。位于故障樹(shù)各分支末端的事件叫做基本事件，它們是造成頂事件發(fā)生的最初始的原因。位于故障樹(shù)頂事件與基本事件之間的諸事件被稱(chēng)為中間事件，它們是造成頂事件發(fā)生的原因，又是基本事件造成的結(jié)果。

2.1 故障樹(shù)建立

FTA法的步驟因評(píng)價(jià)對(duì)象、分析目的、精細(xì)程度等的不同而不同，但一般按如下步驟進(jìn)行：1）故障樹(shù)的建造；2）建立故障樹(shù)的數(shù)學(xué)模型；3）定性分析；4）定量計(jì)算；5）綜合分析得出結(jié)論。目前最為普遍的構(gòu)建故障樹(shù)的方法包含演繹與合成兩個(gè)方面，現(xiàn)階段一般都會(huì)使用前一種，人員通過(guò)具體操作可以更清楚了解系統(tǒng)故障產(chǎn)生的原因，并以排查到最末端代表完成。通常把系統(tǒng)的故障狀態(tài)作為頂事件，然后找出系統(tǒng)故障與導(dǎo)致系統(tǒng)故障諸因素之間的邏輯關(guān)系，并將這些關(guān)系用邏輯門(mén)表示出來(lái)，由上而下逐級(jí)分解，直到不能分解為止。這樣就建成一顆倒置的故障樹(shù)。建立故障樹(shù)流程圖如圖 1所示［11］。

圖1 故障樹(shù)建樹(shù)流程圖

故障樹(shù)要反映出系統(tǒng)故障的內(nèi)在關(guān)系，同時(shí)應(yīng)能使人一目了然，形象地掌握這種聯(lián)系并按此進(jìn)行正確的分析。

根據(jù)電動(dòng)調(diào)能機(jī)構(gòu)的工作進(jìn)行分析，把電動(dòng)調(diào)能機(jī)構(gòu)檔位調(diào)節(jié)失效作為頂事件，引起失效的最直接而必要的原因?yàn)榭刂葡到y(tǒng)故障、電動(dòng)缸驅(qū)動(dòng)故障和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)故障，然后以其為次頂事件，對(duì)其原因進(jìn)行分析，建立以邏輯門(mén)符號(hào)表示的完整的故障樹(shù)，如圖2所示。

2.2 故障樹(shù)分析

故障樹(shù)中各底事件均為“或”的關(guān)系，每個(gè)底事件是一個(gè)最小割集。通過(guò)分析，控制系統(tǒng)所包含的過(guò)程比較復(fù)雜，引起故障的底事件較多，底事件重要性較高。其中針對(duì)螺紋連接松動(dòng)，支承架連接螺母松動(dòng)，微調(diào)螺桿松動(dòng)，導(dǎo)軌材料剛度差等底事件已經(jīng)采取了有效措施，可靠性已經(jīng)得到提高，不再進(jìn)行FMEA分析。列出重要底事件清單，如表1所示。

圖2 電動(dòng)調(diào)能機(jī)構(gòu)檔位調(diào)節(jié)失效故障樹(shù)

表1 重要底事件清單

由以上底事件中確定出FMEA分析對(duì)象，并對(duì)其進(jìn)行FMEA分析。

3 電動(dòng)調(diào)能機(jī)構(gòu)的FMEA分析

故障模式影響分析（FMEA）是一種預(yù)防型質(zhì)量管理方法，通過(guò)分析系統(tǒng)中每一產(chǎn)品所有可能產(chǎn)生的故障模式及其對(duì)系統(tǒng)造成的所有可能影響，在前期發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)潛在的失效模式，為設(shè)計(jì)、制造、質(zhì)量控制提供可行的對(duì)策，及早進(jìn)行設(shè)計(jì)與制造過(guò)程的改進(jìn)，提高產(chǎn)品質(zhì)量［12～13］。

FMEA通過(guò)分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)鑒別系統(tǒng)的每一個(gè)潛在的故障模式，分析引起故障的原因，然后利用統(tǒng)計(jì)方法估算評(píng)估指標(biāo)嚴(yán)酷度（s），故障發(fā)生度（o）以及探測(cè)度（d），計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先值（RPN），根據(jù)RPN值的大小判斷系統(tǒng)是否有必要進(jìn)行改進(jìn)或者確定改進(jìn)的優(yōu)先級(jí)別。

其中（S）是指潛在故障模式發(fā)生時(shí)，對(duì)系統(tǒng)造成的沖擊的嚴(yán)重程度。（O）是指某一故障在一段時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)的次數(shù)和頻率。（D）是指發(fā)現(xiàn)故障原因的難易程度，是故障可以被檢測(cè)出來(lái)的能力的指標(biāo)。評(píng)估指標(biāo)需要建立對(duì)應(yīng)的評(píng)分等級(jí)，現(xiàn)階段1～10等級(jí)被廣泛應(yīng)用［4］，一方面容易理解，另一方面計(jì)算精度也較為科學(xué)。

3.1 FMEA的分析流程

FMEA將每一個(gè)底事件相關(guān)的部件作為元件，對(duì)每一元件可能出現(xiàn)的故障模式和影響因素，通過(guò)經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)討論來(lái)確定故障模式的嚴(yán)酷度、故障發(fā)生度、探測(cè)度的等級(jí)和評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。

對(duì)于嚴(yán)重度、發(fā)生度、和探測(cè)度的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則因FMEA表的類(lèi)型不同而不同，電動(dòng)調(diào)能機(jī)構(gòu)用于發(fā)射動(dòng)力系統(tǒng)能量調(diào)節(jié)時(shí)，其評(píng)價(jià)準(zhǔn)則如表2～4所示。

圖3 FMEA分析步驟

表2 FMEA嚴(yán)重度評(píng)價(jià)準(zhǔn)則

表3 FMEA發(fā)生度評(píng)價(jià)準(zhǔn)則

表4 FMEA探測(cè)度評(píng)價(jià)準(zhǔn)則

表5 電動(dòng)調(diào)能機(jī)構(gòu)潛在故障模式及效果分析（FMEA）表

3.2 電動(dòng)調(diào)能機(jī)構(gòu)的FMEA分析

將電動(dòng)調(diào)能機(jī)構(gòu)潛在故障模式及影響制成FMEA工作表（如表5），并請(qǐng)相關(guān)專(zhuān)業(yè)人員依據(jù)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)估打分，最終確定失效模式的風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先度。

1）從表5中可以看出，電動(dòng)缸調(diào)能機(jī)構(gòu)最容易發(fā)生故障的部位是驅(qū)動(dòng)器的接插件故障，由于設(shè)計(jì)中驅(qū)動(dòng)器采用外置方案，與控制器和能量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)之間存在較多接口，人員操作過(guò)程中容易出現(xiàn)連接錯(cuò)誤或者連接不牢固等情況，與實(shí)際作業(yè)中發(fā)生的故障情況吻合。

2）調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)故障的底事件較多，這與調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組成較為復(fù)雜有關(guān)，在產(chǎn)品交付之前需要進(jìn)行大量的調(diào)試試驗(yàn)，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)表面容易被污染，導(dǎo)致調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)整體性能受到影響，因此需要對(duì)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，控制調(diào)試環(huán)境，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

3）通過(guò)FMEA分析，風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先度最高的是紫銅墊圈腐蝕和磁鋼感應(yīng)強(qiáng)度下降，出現(xiàn)故障的原因均是長(zhǎng)期使用條件下元件的性能下降造成的，且故障的可探測(cè)度較差，反應(yīng)了工位傳感器和位置信號(hào)反饋機(jī)構(gòu)存在的潛在弱點(diǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

電動(dòng)調(diào)能機(jī)構(gòu)作為能量調(diào)節(jié)的核心部件，在電氣控制和能量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，與之前的產(chǎn)品相比都變得更為復(fù)雜，因此其故障發(fā)生的可能性也大為提高。在FTA的基礎(chǔ)上運(yùn)用FMEA，綜合分析其可靠性，充分發(fā)揮兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，可以快速對(duì)潛在風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估分析，找出設(shè)計(jì)中的薄弱環(huán)節(jié)，及時(shí)采取有針對(duì)性的措施，對(duì)提高產(chǎn)品的可靠性具有重大意義。