基于FMEA和FTA的溶解器可靠性分析

闞 琛 郭明超 盧超然

（中國(guó)核電工程有限公司，北京 100840）

0 引言

溶解器是后處理廠料液制備的關(guān)鍵工藝設(shè)備之一。為了避免核燃料后處理過(guò)程中可能出現(xiàn)的設(shè)備損壞、財(cái)產(chǎn)損失或環(huán)境損害事故，必須保證溶解器能可靠安全地運(yùn)行。本研究對(duì)溶解器進(jìn)行故障模式及其影響分析（FMEA），開(kāi)展故障樹(shù)分析（FTA），自上而下逐層歸納分析溶解器可能發(fā)生的故障模式對(duì)可靠性、安全性的影響，并提出設(shè)計(jì)改進(jìn)建議，確保溶解器在料液制備系統(tǒng)中能安全運(yùn)行。

1 溶解器故障模式及其影響分析

1.1 可靠性設(shè)計(jì)要求

遵循簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)的原則，在滿足技術(shù)要求的前提下，盡量減少零部件、元器件的規(guī)格、品種和數(shù)量，提高產(chǎn)品的固有可靠度，降低維修工作量和成本［1］。對(duì)于可引起Ⅰ、Ⅱ類故障的產(chǎn)品要遵循余度設(shè)計(jì)原則。溶解器的設(shè)計(jì)應(yīng)盡量在原有成熟產(chǎn)品的基礎(chǔ)上進(jìn)行開(kāi)發(fā)，不同時(shí)采用過(guò)多的新技術(shù)，盡量不使用不成熟的新技術(shù)。在容易出現(xiàn)差錯(cuò)的連接、裝配等部位，采用防差錯(cuò)結(jié)構(gòu)形式，即裝配錯(cuò)誤、正反裝不進(jìn)等。

1.2 故障判斷

在系統(tǒng)運(yùn)行或待機(jī)狀態(tài)下，凡是滿足不了溶解器設(shè)計(jì)指標(biāo)及要求的故障，都應(yīng)定為溶解器系統(tǒng)故障。具體故障情況如下。

1.2.1 零件級(jí)產(chǎn)品故障判據(jù)。受力件因不滿足強(qiáng)度、剛度要求而使結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，長(zhǎng)期工作使結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷。耗損件因長(zhǎng)期使用而使性能衰退。連接件因材料、工藝影響而引起的松動(dòng)等連接失效。由于特定的外界環(huán)境而引起的零件損傷，如面齒輪因長(zhǎng)期處于溶解液的環(huán)境中引起的腐蝕，扁平槽因盛放的溶解液而引起的腐蝕變形等［2］。

1.2.2 組部件級(jí)產(chǎn)品故障判據(jù)。扁平槽組件因沒(méi)有滿足強(qiáng)度、剛度的要求而使結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。傳動(dòng)系統(tǒng)因磨損或腐蝕引起傳動(dòng)精度下降，不能保證良好的同步性。反饋系統(tǒng)因機(jī)械故障不能及時(shí)反饋信號(hào)，使驅(qū)動(dòng)無(wú)法正常進(jìn)行或停止。

1.3 溶解器故障模式分析

綜合考慮溶解器在實(shí)際工作的使用載荷、溫度、濕度、振動(dòng)及其他環(huán)境參數(shù)，由此確定溶解器的載荷/環(huán)境應(yīng)力及其作用的時(shí)間，從環(huán)境和載荷兩方面出發(fā)，進(jìn)行故障模式分析。在此基礎(chǔ)上確定溶解器故障模式庫(kù)，即腐蝕（扁平槽密閉空間內(nèi)的硝酸及反應(yīng)氣體腐蝕零件）、變形（在外力作用下零部件的幾何形狀變化超出設(shè)計(jì)允許范圍）、磨損（零部件表層組織受損）、斷裂（軸、螺栓等關(guān)鍵承力鍵應(yīng)力超出強(qiáng)度極限、焊縫斷裂）、剪斷（鍵、螺栓等受剪件）、穿孔（由磨損導(dǎo)致盛料件穿孔）、卡滯（傳動(dòng)部分的軸承運(yùn)動(dòng)不暢）、松動(dòng)（連接件導(dǎo)致組件間聯(lián)結(jié)松動(dòng)）、膠合（高溫重載等導(dǎo)致接觸件發(fā)生膠合）、運(yùn)行不暢（減速箱、齒輪傳動(dòng)等）、不工作（空氣提升裝置、吹掃裝置等）、傳動(dòng)誤差過(guò)大（減速器傳動(dòng)比不合適、大轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)角）、不能正常檢修（各組間件連接件膠合，不便拆卸）、反應(yīng)不徹底（大轉(zhuǎn)輪位置精度低，分料裝置不能徹底分料）。

通過(guò)FMEA分析，可采取以下措施來(lái)提高溶解器的可靠性。①考慮溶解器順利反應(yīng)任務(wù)的余度設(shè)計(jì)，進(jìn)行系統(tǒng)備份。②考慮到溶解器長(zhǎng)期使用，應(yīng)重視軸承等零件的功能衰退，對(duì)減速器、定位裝置等進(jìn)行良好的潤(rùn)滑，對(duì)輥?zhàn)訖C(jī)構(gòu)中的軸承定期檢查更換。③考慮承力件的剛度和強(qiáng)度，如支撐架要承受很大的應(yīng)力（其承受減速器設(shè)備及大轉(zhuǎn)輪反應(yīng)液等的重量），應(yīng)改進(jìn)支撐架的材料性能，提高其工作的穩(wěn)定性及可靠性。④對(duì)大轉(zhuǎn)輪進(jìn)一步開(kāi)展動(dòng)力學(xué)仿真和可靠性分析，以增加其工作精度。⑤考慮電機(jī)對(duì)溶解器工作過(guò)程的控制作用及其一旦發(fā)生故障的危害性，建議綜合考慮經(jīng)濟(jì)性和性能要求，選用工作穩(wěn)定、故障率低的電機(jī)。⑥改進(jìn)大轉(zhuǎn)輪的性能，提高工作的穩(wěn)定性和可靠性，建議對(duì)大轉(zhuǎn)輪的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證性試驗(yàn)，減少輪齒失效的概率。⑦對(duì)傳動(dòng)關(guān)鍵件（如蝸輪、蝸桿、齒輪軸等）校驗(yàn)其受力，降低出現(xiàn)膠合故障的概率。⑧綜合考慮安全性和經(jīng)濟(jì)性，合理選用連接螺栓的型號(hào)，并定期檢查其工作狀態(tài)，減少其對(duì)維修工作的不利影響。

FMEA是產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)分析的基礎(chǔ)，是一個(gè)由下而上、不斷回饋、持續(xù)改進(jìn)的迭代分析過(guò)程。在產(chǎn)品壽命期的不同階段，要選用不同的FMEA方法，并收集產(chǎn)品的相關(guān)信息，建立完善的數(shù)據(jù)庫(kù)和故障模式庫(kù)。FMEA得出的關(guān)鍵零部件及關(guān)鍵故障模式對(duì)后續(xù)的FTA分析提供參考。在選擇頂事件時(shí)，要注意考慮FMEA結(jié)論中的關(guān)鍵件對(duì)頂事件的影響，要注意與FTA和機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析模擬、載荷強(qiáng)度分析和環(huán)境影響分析等分析模擬方法的結(jié)合，同時(shí)將試驗(yàn)結(jié)果及時(shí)反映在FMEA分析表中。

1.4 分析結(jié)果

對(duì)溶解器工作過(guò)程進(jìn)行分析時(shí)，使用有限元進(jìn)行靜強(qiáng)度和變形分析計(jì)算，評(píng)估安全余量，進(jìn)行動(dòng)力學(xué)或運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析，并把分析結(jié)果反映在FMEA分析和輸出中。具有、Ⅲ類故障的零件，且故障發(fā)生頻度為C級(jí)及C級(jí)以上的零部件被定義為關(guān)鍵件。對(duì)溶解器進(jìn)行FMEA分析后可知，關(guān)鍵件有扁平槽本體、輥輪、面齒輪齒圈、蝸輪、蝸桿和齒輪軸。關(guān)鍵件的故障模式有變形過(guò)大（扁平槽槽體、輥輪、齒輪軸）、斷裂（支撐架、齒輪軸）、磨損（輥輪、面齒輪齒圈、蝸輪、蝸桿）、膠合（齒圈、齒輪軸、蝸輪、蝸桿）、腐蝕（大轉(zhuǎn)輪、扁平槽）。

本研究梳理出的關(guān)鍵件是溶解器系統(tǒng)中易發(fā)生故障、故障影響較大的零部件，關(guān)鍵故障模式也是在溶解器工作過(guò)程中易發(fā)生的，其組合會(huì)影響溶解器系統(tǒng)的傳動(dòng)過(guò)程、工作精度等，從而導(dǎo)致設(shè)備故障或停機(jī)。

2 溶解器故障樹(shù)分析

本研究根據(jù)故障樹(shù)分析法（FTA）的要求，參考溶解器故障模式影響分析結(jié)果，選定溶解器的2個(gè)重要事件作為頂事件，按照乏燃料溶解器產(chǎn)品層次由上至下的順序，依次分析頂事件發(fā)生的原因，逐級(jí)細(xì)化，最終得到零件的故障模式［3］。

2.1 溶解器故障樹(shù)的建造

對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)而言，建樹(shù)時(shí)應(yīng)按系統(tǒng)層次逐級(jí)展開(kāi)（見(jiàn)圖1、圖2）。溶解器停止工作時(shí)，依次對(duì)減速器、分料裝置、棍子機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢查，即減速器發(fā)生故障時(shí)，應(yīng)從花鍵傳動(dòng)、花鍵、平鍵、軸套入手，進(jìn)行失效分析，并順序檢查維修。

2.2 故障樹(shù)的定性分析

圖1 溶解器停止工作故障樹(shù)

圖2 溶解器停止工作故障樹(shù)簡(jiǎn)化圖

定性分析是為了尋找導(dǎo)致頂事件發(fā)生的原因事件或原因事件組合，即識(shí)別導(dǎo)致頂事件發(fā)生的所有故障模式，發(fā)現(xiàn)潛在的故障和設(shè)計(jì)的薄弱環(huán)節(jié)，以便改進(jìn)設(shè)計(jì)，還可用于指導(dǎo)故障診斷，改進(jìn)使用和維修方案［4］。在故障樹(shù)的定性分析中，主要分析任務(wù)是確定所有的最小割集，常用的方法有上行法、下行法。本研究采用下行法求故障樹(shù)的最小割集（見(jiàn)表2）。

表2 溶解器停止工作故障樹(shù)最小割集

2.3 故障樹(shù)的定量分析

底事件或最小割集對(duì)頂事件發(fā)生的貢獻(xiàn)稱為該底事件或最小割集的重要度。

概率重要度的定義為第i個(gè)部件不可靠度變化引起系統(tǒng)不可靠度變化的程度。計(jì)算公式見(jiàn)式（1）。

式中：Δg i（t）為概率重要度；F i（t）為元、部件不可靠度；g［F（t）］為頂事件發(fā)生概率，F(xiàn)（t）=［F1（t），F(xiàn)2（t），F(xiàn)3（t），…，F(xiàn)n（t）］；Fs（t）為系統(tǒng)不可靠度，F(xiàn)s（t）=P（T）=g［F（t）］。

概率重要度是第i個(gè)部件是關(guān)鍵部件時(shí)，系統(tǒng)處于故障狀態(tài)的概率。溶解器意外停止工作的頂事件發(fā)生的概率為PT2=0.000 199 986。表3為故障樹(shù)T2部分最小割集的發(fā)生概率表。

表3 故障樹(shù)T2部分最小割集的發(fā)生概率

表3是按照故障樹(shù)T2的各個(gè)最小割集的發(fā)生概率降序排列的，一階最小割集X1電機(jī)停止工作、X10齒輪軸花鍵斷裂、X7定位銷斷裂、X2扁平槽幾何變形、X4平鍵斷裂、X3蝸桿斷裂、X5軸套斷裂、X6齒輪軸斷裂、X8螺栓M10×30斷裂、X9螺栓M16斷裂、X11內(nèi)花鍵斷裂的發(fā)生概率相對(duì)較高，在設(shè)計(jì)、選材、制造上應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注。表4為故障樹(shù)T2部分底事件的關(guān)鍵重要度水平。

表4是按照故障樹(shù)T2的各個(gè)底事件的重要度降序排列的，從表4可以看出，構(gòu)成一階最小割集的各個(gè)底事件的重要度水平比其他事件要高，尤其是電機(jī)。所以，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選擇合適的電機(jī)、零部件型號(hào)，校核零部件強(qiáng)度，盡量降低故障發(fā)生概率。

表4 故障樹(shù)T2部分底事件的關(guān)鍵重要度水平

2.4 分析結(jié)果

本研究采用的FTA分析是在FMEA分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，故障樹(shù)中所有底事件都是經(jīng)FMEA篩選后的比較重要的零部件故障模式。運(yùn)用所建立的故障樹(shù)和找到的最小割集，從系統(tǒng)角度出發(fā)，分析設(shè)計(jì)的薄弱環(huán)節(jié)，提出改進(jìn)和補(bǔ)償措施，如表5所示。

表5 結(jié)論

3 結(jié)語(yǔ)

本研究采用故障樹(shù)分析與FMEA相結(jié)合的方式，對(duì)溶解器進(jìn)行可靠性分析。通過(guò)FMEA對(duì)溶解器進(jìn)行定性分析，確定溶解器的潛在故障模式及其危險(xiǎn)等級(jí)。在FMEA分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行FTA分析，通過(guò)定量計(jì)算明確頂事件發(fā)生概率及重要度，最后從系統(tǒng)角度出發(fā)，分析設(shè)計(jì)的薄弱環(huán)節(jié)，并提出改進(jìn)和補(bǔ)償措施，以此來(lái)提高溶解器的可靠性。