起重機(jī)故障模式及影響分析★

霍貴龍， 王 震， 胡敦忠

（1.太原重工股份有限公司技術(shù)中心， 山西 太原 030000；2.華能山東石島灣核電有限公司， 山東 威海 264200）

引言

起重機(jī)是乏燃料貯存系統(tǒng)中的乏燃料貯罐運(yùn)輸設(shè)備，其功能是按指令要求將起重機(jī)上屏蔽罩內(nèi)的乏燃料貯罐，運(yùn)送到指定的位置。

故障模式及影響分析（FMEA）起源于美國(guó)，最早被應(yīng)用于格魯門(mén)飛機(jī)主操作系統(tǒng)的研制中，后來(lái)逐漸拓展應(yīng)用到艦船等其他類(lèi)軍用裝備。國(guó)內(nèi)在20 世紀(jì)80 年代逐步接受FMEA 分析的觀(guān)念和方法，并于1985 年制定了我國(guó)的第一部FMEA 分析標(biāo)準(zhǔn)《系統(tǒng)可靠性分析技術(shù)失效模式與效應(yīng)分析（FMEA）》。

FMEA 分析在我國(guó)主要應(yīng)用于航空航天及軍工領(lǐng)域，目前逐漸向其他民用工業(yè)領(lǐng)域推廣。

1 起重機(jī)結(jié)構(gòu)組成與功能分析

1.1 結(jié)構(gòu)組成

起重機(jī)三維模型圖如圖1 所示。起重機(jī)主要設(shè)備部件包括：橋架、大車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)、貯罐起升機(jī)構(gòu)、貯罐吊具、井蓋起升機(jī)構(gòu)、井蓋吊具、底板對(duì)開(kāi)機(jī)構(gòu)、屏蔽條裝置、小車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)、屏蔽罩、小車(chē)架、附屬裝置等及所屬電氣控制系統(tǒng)。具體介紹如下：

圖1 起重機(jī)三維模型圖

1）起重機(jī)橋架由兩根主梁和端梁組成，主梁與端梁通過(guò)高強(qiáng)度螺栓連接。在大車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)中設(shè)置安全限位裝置、緩沖器、防偏斜裝置以及抱軌裝置等安全措施。小車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)僅限于操作時(shí)調(diào)整和控制起重機(jī)上屏蔽罩中心的位置，采用兩組滾輪裝置，使小車(chē)可沿著順橋架方向敷設(shè)的軌道移動(dòng)，一側(cè)軌道上的兩組滾輪運(yùn)行裝置各帶一組水平導(dǎo)向輪和防傾覆抱軌裝置。

2）屏蔽罩主要設(shè)備部件包括屏蔽罩成套設(shè)備（屏蔽罩筒體與頂蓋、對(duì)開(kāi)式活動(dòng)底板、風(fēng)機(jī)、蝶閥、吊罐起升機(jī)構(gòu)、貯罐吊具等、井蓋起升機(jī)構(gòu)以及屏蔽條裝置等）。

3）起重機(jī)上所裝設(shè)備的主要電氣及控制設(shè)備包括電動(dòng)機(jī)、電控箱、接線(xiàn)箱、電源箱、控制柜、編碼器、驅(qū)動(dòng)裝置、攝像裝置、現(xiàn)場(chǎng)按鈕控制盒、電纜、限位開(kāi)關(guān)和傳感器等。

1.2 功能分析

起重機(jī)的主要功能如下：抓取井蓋；井蓋Z 向移動(dòng)；井蓋、貯罐、屏蔽條X 向移動(dòng)；井蓋、貯罐、屏蔽條Y 向移動(dòng)；釋放井蓋；抓取貯罐；貯罐Z 向移動(dòng)；釋放貯罐；屏蔽條Z 向移動(dòng)；底板Y 向移動(dòng)；排出余熱；輻射防護(hù)；承載。

2 起重機(jī)故障模式分析

2.1 FMEA 分析說(shuō)明

針對(duì)起重機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行FMEA 分析[1]時(shí)，為保證報(bào)告的一致性，在具體分析中做如下約定：

1）在分析設(shè)備/部件的故障影響時(shí)，根據(jù)FMEA方法分為局部影響、高一層次影響和最終影響三個(gè)等級(jí)。其中在此定義，局部影響指故障模式對(duì)設(shè)備/部件自身功能的影響；高一層次影響指故障模式對(duì)起重機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生的影響；最終影響指故障模式可能對(duì)反應(yīng)堆停堆及操作間放射性危害的影響；影響描述中同時(shí)闡述造成這種影響的條件。

2）在進(jìn)行FMEA 分析時(shí)，根據(jù)關(guān)注的問(wèn)題，將最終后果分為兩大類(lèi)，即“反應(yīng)堆停堆”和“放射性后果”。對(duì)于“反應(yīng)堆停堆”主要是指設(shè)備/部件發(fā)生故障后需要立刻維修并可能無(wú)法在短時(shí)間（24 h）內(nèi)完成維修，從而導(dǎo)致反應(yīng)堆需要停堆等待的情況；“放射性后果”指設(shè)備/部件故障后可能會(huì)造成乏燃料操作間的放射性釋放，從而導(dǎo)致后續(xù)維修過(guò)程中對(duì)人員放射性劑量的影響。

3）根據(jù)設(shè)計(jì)，起重機(jī)系統(tǒng)中存在大量的支架、軌道等設(shè)施，由于在設(shè)計(jì)和制造中考慮了足夠的余量及保守性，且由于這類(lèi)非能動(dòng)部件失效的概率極低，因此在FMEA 分析中重點(diǎn)關(guān)注系統(tǒng)中的能動(dòng)部件，同時(shí)針對(duì)部分重要的非能動(dòng)部件進(jìn)行分析。

2.2 FMEA 分析方法

嚴(yán)重度（S）——后果嚴(yán)重性評(píng)估：嚴(yán)重度是與所給的失效模式的最嚴(yán)重后果相符的一個(gè)值。嚴(yán)重度是在單獨(dú)FMEA 的范圍內(nèi)的相對(duì)排序。嚴(yán)重度具體分級(jí)從無(wú)影響到無(wú)警告的嚴(yán)重危害為嚴(yán)重度數(shù)賦值1～10。

頻度（O）——失效模式出現(xiàn)可能性大小評(píng)估：在設(shè)計(jì)壽命內(nèi)，由于該原因/機(jī)理而產(chǎn)生的失效模式出現(xiàn)的可能性。頻度發(fā)生率可能性的排序值比絕對(duì)值更有意義。應(yīng)使用一致的頻度排序體系以確保連貫性。頻度值是在FMEA 范圍內(nèi)的相對(duì)排序，不能反映發(fā)生的實(shí)際可能性。頻度從失效發(fā)生的可能性極低到很高為頻度數(shù)賦值1～10。

探測(cè)度（D）——失效控制方法有效性的評(píng)估：探測(cè)度是對(duì)在現(xiàn)有設(shè)計(jì)控制探測(cè)欄中列出的最好的探測(cè)控制的對(duì)應(yīng)等級(jí)?，F(xiàn)有設(shè)計(jì)控制探測(cè)度的建議方法是假設(shè)失效已經(jīng)發(fā)生，然后評(píng)價(jià)現(xiàn)有設(shè)計(jì)控制探測(cè)失效模式的能力。探測(cè)度是在單獨(dú)的FMEA范圍內(nèi)相對(duì)的排序。探測(cè)度從探測(cè)性幾乎肯定到絕對(duì)不肯定賦值1～10。

關(guān)鍵故障模式風(fēng)險(xiǎn)順序數(shù)（RPN）[2]等于以上三項(xiàng)數(shù)值的乘積，即RPN=SOD。

將RPN 劃分為3 個(gè)等級(jí)：紅線(xiàn)——RPN＞125（相當(dāng)于5×5×5），風(fēng)險(xiǎn)嚴(yán)重；黃線(xiàn)——RPN＞64（相當(dāng)于4×4×4），風(fēng)險(xiǎn)較大；綠線(xiàn)——RPN＞27（相當(dāng)于3×3×3），風(fēng)險(xiǎn)較??；綠線(xiàn)以下——RPN≤27，風(fēng)險(xiǎn)極小。

2.3 起重機(jī)故障模式分析

表1 列出一部分較為關(guān)鍵的故障分析結(jié)果。

表1 起重機(jī)FMEA 分析表

起重機(jī)RPN 排序匯總見(jiàn)下頁(yè)表2。

表2 起重機(jī)RPN 排序匯總表

可以看出，所有故障模式中：風(fēng)險(xiǎn)極小故障模式138 個(gè)，占比91.4%；風(fēng)險(xiǎn)較小故障模式13 個(gè)，占比8.6%；無(wú)風(fēng)險(xiǎn)較大以上的故障模式。

3 修復(fù)手段及預(yù)防措施

FMEA 分析過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，針對(duì)比較重要的部件，設(shè)計(jì)過(guò)程、生產(chǎn)、使用過(guò)程中均采取了有效的控制措施保證零部件的可靠性，這些措施在其他類(lèi)似產(chǎn)品研制、生產(chǎn)使用中被證明是有效的，歸納如下：

1）主要鋼結(jié)構(gòu)采用經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的焊接工藝，并在焊接完成后開(kāi)展無(wú)損檢測(cè)，檢查焊接質(zhì)量保證焊接可靠性。

2）對(duì)于密封圈、緩沖器等橡膠件，根據(jù)使用強(qiáng)度，定期更換維護(hù)，保證相應(yīng)功能完好。

3）針對(duì)運(yùn)動(dòng)部件，定期采取潤(rùn)滑、使用前保養(yǎng)等措施，延緩部件的磨損，提高部件可靠性。

4）在電氣設(shè)計(jì)方面，控制回路及動(dòng)力回路設(shè)計(jì)采用冗余方式。電氣系統(tǒng)中的冗余控制，令高風(fēng)險(xiǎn)機(jī)構(gòu)可以直接切換或屏蔽故障，檢測(cè)元器件在緊急情況也可進(jìn)行遠(yuǎn)程屏蔽處理，保證設(shè)備基本運(yùn)行狀態(tài)。

5）對(duì)于電氣設(shè)備元器件，定期檢查，注意報(bào)警提示設(shè)備，更換老化部件，保證性能完好。

6）對(duì)電氣故障報(bào)警機(jī)制及處理措施進(jìn)行了改進(jìn)和完善。在起重機(jī)控制界面中完成故障分析及報(bào)警軟件設(shè)計(jì)，在故障報(bào)警的同時(shí)給出分析和解決故障的幫助信息及鏈接處理手冊(cè)，大大縮短處理故障所需要的時(shí)間及人員，將風(fēng)險(xiǎn)降至最低。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)采用FMEA 分析方法針對(duì)起重機(jī)進(jìn)行故障模式及影響分析，搞清楚了該起重機(jī)的故障模式、影響程度及后果，并給出了修復(fù)手段及預(yù)防措施。本文的研究工作對(duì)于起重機(jī)日常維護(hù)及安全運(yùn)行有著重要的借鑒價(jià)值。