武器裝備故障模式影響及危害性分析方法

李紅才

（國(guó)營(yíng)長(zhǎng)虹機(jī)械廠，廣西 桂林 541002）

0 引言

故障模式影響及危害性分析（Failure Mode， Effects and Criticality Analysis，F(xiàn)MECA）方法是一種常用的系統(tǒng)可靠性分析技術(shù)，它通過分析系統(tǒng)組成單元及其元器件所有可能發(fā)生的故障模式，以及對(duì)系統(tǒng)功能產(chǎn)生的所有不良影響，定性分析故障模式的發(fā)生度、嚴(yán)重度、探測(cè)度，獲得風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)，定量計(jì)算故障模式對(duì)可靠性的危害度，從而找出系統(tǒng)研發(fā)設(shè)計(jì)、材料選擇、制造工藝、延壽修理的潛在缺陷，確定薄弱環(huán)節(jié)，并制定預(yù)防性維護(hù)措施及可靠性改善措施，為提高系統(tǒng)質(zhì)量和可靠性水平提供理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)[1]。

1 武器裝備故障模式影響及危害性分析

1.1 武器裝備FMECA方法基本原理

FMECA 由FMEA 和CA 2 個(gè)部分組成，如圖1 所示，F(xiàn)MEA（Failure Mode and Effects Analysis）是通過對(duì)武器裝備系統(tǒng)組成單元及其元器件故障模式及影響進(jìn)行定性分析，并制定預(yù)防性維護(hù)措施形成閉環(huán)控制，以此來提高武器裝備系統(tǒng)可靠性的一種分析技術(shù)。CA 是通過對(duì)武器裝備故障模式危害度進(jìn)行定量計(jì)算，在FMEA 分析的基礎(chǔ)上，通過分層次建立武器裝備故障模式危害度分析模型，從部件危害度分析到系統(tǒng)危害度，找出武器裝備關(guān)鍵子系統(tǒng)以及在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇及制造工藝、延壽修理上的潛在缺陷，確定薄弱環(huán)節(jié)，制定預(yù)防性維護(hù)措施及可靠性改善措施，CA 是對(duì)FMEA 的有效補(bǔ)充和深度擴(kuò)展，使武器裝備故障模式對(duì)可靠性危害度的分析工作更加準(zhǔn)確充分。FMECA 將武器裝備故障模式及影響分析（FMEA）和定量計(jì)算（CA）相結(jié)合，從而使武器裝備故障模式分析工作變得更加科學(xué)合理、深入透徹，同時(shí)為武器裝備系統(tǒng)潛在缺陷及薄弱環(huán)節(jié)的確定，以及預(yù)防維修維護(hù)措施及可靠性改善措施的制定，提供定性信息和定量依據(jù)[2]。

FMECA 是工程實(shí)際中最常用的武器裝備系統(tǒng)可靠性薄弱環(huán)節(jié)分析技術(shù)之一[3]。其基本原理為：根據(jù)武器裝備系統(tǒng)技術(shù)質(zhì)量文件及歷史服役故障數(shù)據(jù)，分析武器裝備系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成、實(shí)際作戰(zhàn)環(huán)境條件及儲(chǔ)存、運(yùn)輸過程維護(hù)措施，鑒別失效模式，進(jìn)而分析引起武器裝備系統(tǒng)失效的根本原因及故障發(fā)生機(jī)理，并采用概率統(tǒng)計(jì)方法，根據(jù)發(fā)生度、嚴(yán)重度、探測(cè)度，定性分析武器裝備故障模式的風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)，定性分析武器裝備故障模式影響并定量計(jì)算武器裝備故障模式對(duì)整體可靠性的危害度，找出武器裝備系統(tǒng)的潛在缺陷，確定薄弱環(huán)節(jié)，制定預(yù)防性維護(hù)措施及可靠性改善措施，保證武器裝備的作戰(zhàn)性能。

圖1 FMECA 方法基本原理邏輯圖

1.2 武器裝備不同壽命周期選用的FMECA方法及目的

武器裝備在不同的壽命周期分析潛在缺陷及薄弱環(huán)節(jié)的目的不同，因此在不同壽命周期選用的FMECA 分析技術(shù)也有所不同，武器裝備壽命周期各階段選用的FMECA 技術(shù)及目的見表1。

1.3 武器裝備FMECA方法分析過程

武器裝備FMECA 主要的分析步驟有4 個(gè)。1）武器裝備系統(tǒng)定義。2）武器裝備故障模式及影響分析（FMEA）。3）武器裝備故障模式危害性分析（CA）。4）輸出武器裝備FMECA 報(bào)告。

2 危害度分析方法

常用的武器裝備故障模式危害性分析（CA）有風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)（Risk Priority Number，RPN）分析法和危害性矩陣分析法，風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)（RPN）分析法在工程中的應(yīng)用較為廣泛。

表1 武器裝備壽命周期各階段選用的FMECA 技術(shù)及目的

2.1 故障模式及影響分析（FMEA）

風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)（RPN）分析法是根據(jù)武器裝備故障模式風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)（RPN）值的大小，對(duì)武器裝備故障模式進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)定性排序，通過制定預(yù)防性維護(hù)措施形成閉環(huán)控制，使武器裝備故障模式RPN 值降到可接受的最低水平。它利用武器裝備故障模式發(fā)生度（Occurrence Probability Ranking，OPR）、嚴(yán)重度（Effect Severity Ranking，ESR）、探測(cè)度（Detectability Difficulty Ranking，DDR）進(jìn)行定性分析，確定評(píng)分等級(jí)，計(jì)算武器裝備故障模式風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)（RPN）值。風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)（RPN）分析法是開展武器裝備可靠性分析、保障性分析、維修性分析的基礎(chǔ)。武器裝備故障模式風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)（RPN）值定性分析計(jì)算公式[4]為：

式中：S（Severity）表示發(fā)生度，O（Occurrence）表示嚴(yán)重度，D（Detectivity）表示探測(cè)度。

針對(duì)武器裝備RPN 值高的故障模式，在制定預(yù)防性維護(hù)措施及可靠性改善措施形成閉環(huán)控制時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)考慮降低武器裝備故障模式的發(fā)生度及嚴(yán)重度，同時(shí)提高武器裝備故障模式探測(cè)度3 個(gè)方面的問題。

2.2 危害度定量分析（CA）

FMEA 方法中的RPN 分析是針對(duì)武器裝備故障模式的定性分析，危害度分析（CA）是在FMEA 分析的基礎(chǔ)上，針對(duì)武器裝備故障模式進(jìn)行的定量計(jì)算，包括武器裝備故障模式危害度定量計(jì)算和武器裝備系統(tǒng)危害度定量計(jì)算，武器裝備故障模式危害度定量分析（CA）是對(duì)FMEA 進(jìn)行的有力補(bǔ)充和深度擴(kuò)展，從而使武器裝備故障模式和潛在缺陷及薄弱環(huán)節(jié)的研究更加準(zhǔn)確充分，為制定預(yù)防維護(hù)措施和可靠性改善措施提供工程指導(dǎo)依據(jù)，促進(jìn)武器裝備可靠性增長(zhǎng)。

武器裝備故障模式危害度的定量計(jì)算公式為：

式中：Cmj為武器裝備在工作時(shí)間t內(nèi)，以第j種故障模式發(fā)生的某嚴(yán)酷度等級(jí)下的危害度。αj為武器裝備故障模式頻率比。βj為武器裝備故障模式影響概率。λj為武器裝備執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)階段內(nèi)的故障率。t為武器裝備執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)階段內(nèi)的工作時(shí)間。

武器裝備系統(tǒng)危害度指各故障模式危害度Cmj的總和，其定量計(jì)算公式為：

式中：Cp為武器裝備系統(tǒng)危害度。j=1，2，…，n為武器裝備系統(tǒng)在相應(yīng)嚴(yán)酷度等級(jí)下的故障模式數(shù)目。

危害度Cp計(jì)算是故障模式對(duì)武器裝備作戰(zhàn)性能和持續(xù)作戰(zhàn)能力影響結(jié)果定量化分析的關(guān)鍵步驟。系統(tǒng)危害度分析是對(duì)武器裝備系統(tǒng)故障后果危害程度的綜合度量，反映武器裝備子系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，對(duì)武器裝備作戰(zhàn)性能及持續(xù)作戰(zhàn)能力和整體可靠性的影響程度。通過故障模式危害度定性分析和定量計(jì)算，可以找出武器裝備系統(tǒng)研發(fā)設(shè)計(jì)、材料選擇、制造工藝、延壽修理的潛在缺陷，確定武器裝備系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，并以此為依據(jù)，針對(duì)武器裝備故障模式制定預(yù)防性維護(hù)措施及可靠性改善措施，從而提高武器裝備使用和儲(chǔ)存可靠性水平，促進(jìn)武器裝備可靠性的不斷增長(zhǎng)，保證武器裝備作戰(zhàn)性能和持續(xù)作戰(zhàn)能力。

3 結(jié)論

FMECA 是通過對(duì)武器裝備系統(tǒng)組成單元及其元器件各種故障模式，對(duì)其系統(tǒng)作戰(zhàn)功能及持續(xù)作戰(zhàn)能力產(chǎn)生的影響與后果的嚴(yán)重程度進(jìn)行定性分析、定量計(jì)算，根據(jù)武器裝備故障模式風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)及危害度制定預(yù)防性維護(hù)措施及可靠性改善措施，是提高武器裝備使用和儲(chǔ)存可靠性水平及保證裝備戰(zhàn)斗力的一種重要分析技術(shù)。

運(yùn)用FMECA 方法分層次建立武器裝備故障模式危害度計(jì)算模型，對(duì)武器裝備進(jìn)行故障模式影響及危害性分析，發(fā)現(xiàn)研發(fā)設(shè)計(jì)、材料選擇、制造工藝、延壽修理的潛在缺陷，從根本上為武器裝備可靠性增長(zhǎng)決策和維修決策提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。