系统安全工程-5

5故障类型及影响分析故障类型及影响分析(FMEA)是对系统的各组成部分、元素进行的分析。系统的组成部分或元素在运行过程中往往可能发生不同类型的故障。对系统产生不同的影响。这种分析方法首先找出系统中各组成部分及元素可能发生的故障及其类型，查明各种类型故障对邻近部分或元素的影响以及最终对系统的影响，然后提出避免或减少这些影响的措施。最初的故障类型和影响分析（FMEA）只能做定性分析，后来在分析中包括了故障发生难易程度的评价或发生的概率。更进一步地，把它与危险度分析结合起来，构成故障类型和影响、危险度分析。这样，如果确定了每个元素故障发生概率，就可以确定设备、系统或装置的故障发生概率，从而定量地描述故障的影响。5．1概述5．2故障类型及影响分析程序5．3故障类型及影响、危险度分析5．4致命度分析5．5故障类型及影响分析举例5．1概述（1）故障（2）故障的影响（3）故障模式、原因、机理及效应故障一般是指元件、子系统、系统在规定的运行时间、条件内，达不到设计规定的功能。一般机电产品、设备常见故障类型见下表从安全角度来说，事故、灾害是指“故障引起的人身伤亡和物质财产的损失”。也就是说，故障是事故、灾害的原因。一个系统或产品从正常发展成事故有一个过程：正常异常征兆状态故障事故是指即使判断为异常，还未达到故障以至事故与灾害状态。功能条件时间概率①故障模式故障模式是从不同表现形态来描述故障的，是故障现象的一种表征水泵、涡轮机、发电机的故障模式有：误起动、误停机、速度过快、反转、异常的负荷振动、发热、线圈漏电、运转部分破损等。容器的故障模式有：泄漏、不能降温、加热、断热、冷却过分等。热交换器、配管类的故障模式有：堵塞、流路过大、泄漏、变形、振动等。阀门、流量调节装置的故障模式有：不能开启或不能闭合、开关错误、泄漏、堵塞、破损等。表5-2(熟悉)②故障原因系统、产品的故障原因，主要来自两个方面：一是内在因素，从固有可靠性方面看，有以下原因：系统、产品的硬件设计不合理或存在潜在的缺陷二是外在因素，从使用可靠性方面看，引起故障的主要原因是环境条件和使用条件。如设计水平低，未采取防震、防湿、减荷、安全装置、冗余等设计对策；系统、产品中零、部件有缺陷；制造质量低，材质选用有错或不佳等；运愉、保管、安装不善。系统或产品的环境条件与使用条件越苛刻，越容易发生故障。湿度和温度过高或过低、振动、噪声、冲击、灰尘、有害气体等不仅是产品可靠性的有害因素，也是对操作人员有害的因素，这些都是促发故障的原因。③故障机理故障机理是指诱发零件、产品、系统发生故障的物理与化学过程、电学与机械学过程，也可以说是形成故障源的原因。在研究故障机理时，需要考虑下列三个原因。a.对象。对象是指发生故障的实体（系统或产品本身），以及其内部状态与潜在缺陷。对象的内部状态与结构，对故障的发生有抑制或促进作用。b.外部原因。指能引起系统或产品发生故障的外界破坏因素，如外部环境应力、时间因素、人为差错等故障诱因。即人、环境与机的关系。c.结果。指在外部原因作用于对象后，对象内部状态发生变化，当此变化量超过某一阈值，便形成故障。④故障效应指的是某一故障发生后，它对系统、子系统、部件有什么影响，影响程度有多大。⑤故障模式、故障机理与故障原因的关系故障原因孕育着故障机理，而故障模式反映着故障机理的差别。但是，故障模式相同，其故障机理并不一定相同。例如机械零件变形这一故障模式，其机理可能有冲击、温度、破坏等多种。同一故障机理，也可能出现不同的故障模式。例如疲劳的故障机理，就可以出现表面破裂、耗损、折断等故障模式。因此，考察一个部件，故障模式就可能不只一种，如阀门故障至少有，内部泄漏、外部泄漏、打不开、关不紧等四种模式。图5-1是交流接触器的故障过程，从图中可以清楚地看出故障模式、故障机理与故障原因之间的关系。5．2故障类型及影响分析程序本节将从7个方面讨论故障类型及影响分析的思路是:按照“系统-子系统-元件”顺序分解研究故障模式;再按逆过程，即“元件-子系统－系统”顺序研究故障的影响，选择对策，改进设计。其分析步骤如图5-2所示。（1）明确系统的情况和目的（2）确定分析的层次（3）绘制功能框图和可靠性框图（4）建立故障模式清单、分析故障模式及影响（5）研究故障检测方法（6）确定故障等级（7）故障类型及影响分析表格（1）明确系统的情况和目的在分析步骤中首先应对系统的任务、功能、结构和运行条件等诸方面有一个全面的了解。（2）确定分析的层次分析开始时就要根据系统的情况，决定分析到什么层次。这是一个重要的问题。图5-3是分析层次与故障模式及影响分析的关系。图5-3分析的层次和故障摸式及影响分析（3）绘制功能框图和可靠性框图根据对系统的分解和分析画出功能框图。可靠性框图是从可靠性的角度建立的模型，它把实际系统的物理、空间要素与现象表示为功能与功能之间的联系，尤其明确了它们之间的逻辑关系。图5-4是高压空气压缩机的可靠性框图。（4）建立故障模式清单、分析故障模式及影响这一步是实施故障模式及影响分析的核心，通过对可靠性框图所列全部项目的输出分析，根据理论知识、实践经验和有关故障资料，判明系统中所有实际可能出现的故障模式（即导致规定输出功能的异常和偏差）。选定、判明故障模式是一项技术性很强的工作，必须细致、准确。下面介绍6WH启发性分析方法要领。6WH方法，就是指Why（为什么）；What（什么）；Who（谁）；When（何时）；Where（何处）；How（怎样、如何）的总称；以提问方式来完成对故障事故的思考。为什么（Why）：为什么要有这个元件？为什么这个元件会发生故障？为什么不加防护装置？为什么不用机械代替人力？为什么不用特殊标志？为什么输出会出现偏差？什么（What）：功能是什么？工作条件是什么？与什么有关系？规范、标准是什么？在什么条件下发生故障？将会发生什么样的故障？采用什么样的检查方法？制定什么样的预防措施？谁（Who）：谁操作？故障一旦发生谁是受害者？谁是加害者?影响到哪些功能？谁来实施安全措施？何时（When）：何时发生故障？何时检测安全装置？何时完成预防措施计划？何地（Where）：在什么部位发生故障？防护装置装在什么地方最好？何处有同样的装置？监测、报警装置装在什么地方最好了何地需要安全标志？如何（How)：发生故障的后果如何？影响程度如何？如何避免故障发生？安全措施控制能力如何？如何改进设计？在故障分析时，应根据对象的不同采取不同的分析方法。但必须注意，切勿只见现象，不见真正的原因。要从全局出发，综合各种信息采取失效物理的微观分析，一般可按下面的程序进行。掌握全局性分析的综合调查从非破坏性的外部分析到解剖、破坏性的内部分析建立故障原因的假设，并进而求证（5）研究故障检测方法设定故障发生后，说明故障所表现的异常状态及如何检侧，例如通过声音的变化，仪表指示量的变化进行检测。对保护装置和警报装置，要研究能被检测出的程度如何并做出评价。（6）确定故障等级由于各种故降模式所引起的子系统、系统事故有很大的差别，因而在处理措施上就要分清轻重缓急区别对待。故障等级是衡量对系统任务、人员安全造成影响的尺度。确定故障等级的方法有以下二种。①简单划分法②评点法简单划分法将故障模式对子系统或系统影响的严重程度分四个等级，见表5-3所示，可根据实际情况进行分级。评点法。在难于取得可靠性数据的情况下，可采用此法，它比简单划分法较精确。该方法从5个方面来考虑故障对系统的影响程度，用一定点数表示程度的大小、通过计算，求出故障等级。评点数由下式求得：其评点因素的内容比较模糊，而且系数取值范围较大，不易评得准确。另一种求点数的方法列于表5-5，可根据评点因素求出点数，然后求和，得出总点数。以上两种评点方法求出的总点数，均可按表5-6评出故障等级。（7）故障类型及影响分析表格可以根据分析的目的、要求设立必要的栏目，简捷明了地显示全部分析内容。常用的分析表格见表5-7。5．3故障类型及影响、危险度分析危险度分析的目的在于评价系统每种故障类型的危险度，据此按轻重缓急确定校正措施。一般地，采用概率-严重度来评价故障类型的危险度。（1)故障概率（2）严重度（3）风险矩阵法（1)故障概率故障概率，是指在一特定时间内，故障类型所出现的次数。时间可规定为一定的期限，如一年、一月等；或根据大修间隔期；完成一项任务的周期或其他被认为适应的期间来决定。可以使用定性和定量方法确定单个故障类型的概率定性分类法：①I级故障概率很低，元件操作期间出现的机会可以忽略。②Ⅱ级故障概率低，元件操作期间不易出现。③Ⅲ级故障概率中等，元件操作期间出现的机会为50％。④Ⅳ级故障概率高，元件操作期间易于出现。定量分类法：①I级在元件工作期间，任何单个故障类型出现的概率，小于全部故障概率的O.01。②Ⅱ级在元件工作期间，任何单个故障类型出现的概率，大于全部故障概率的0.01而小于0.10。③Ⅲ级在元件工作期间，任何单个故障类型出现的概率，大于全部故障概率的O.10而小于0.20。④Ⅳ级在元件工作期间，任何单个故障类型出现的概率，大于全部故障概率的0.20。(2)严重度严重度指的是故障类型对系统功能的影响程度。它可以分为四个等级，见表5-8所示。(3)风险矩阵法故障的发生可能性和故障发生后引起的后果，经综合考虑后，能得出一个比较准确的衡量标准，称这个标准为风险率(或称危险度)，它代表故障概率和严重度的综合评价。有了严重度和故障概率的数据后，就可运用风险矩阵的评价法，因为用这两个特性就可表示出故障类型的实际影响。以故障类型发生概率为纵坐标，严重度为横坐标，综合这两个特性，画出风险率矩阵。5．4致命度分析（1）致命度分析的含意（2）致命度分析的目的（3）致命度指数的计算（4）致命度分析表格形式(1)致命度分析的含意致命度分析(CriticalityAnalysis，缩写为CA)是在故障模式及影响分析的基础上扩展出来的。在系统进行初步分析（如故障模式及影响分析）之后，对其中特别严重的故障模式（如Ⅳ级有时，也对Ⅲ级）单独再进行详细分析。致命度分析就是对系统中各个不同的严重故障模计算临界值-致命度指数，即给出某故障模式产生致命度影响的概率，它是一种定量分桥方法。与故障模式及影响分析结合使用时，称为故障模式、影响及致命度分析（FMECA）。(2)致命度分析的目的致命度分析的主要目的有：①尽量消除致命度高的故障模式；②当无法消除故障模式时，应尽量从设计、制造、使用和维修等方面去降低其致命度和减少其发生的概率；③根据故障模式不同的致命度，对其零、部件或产品提出相应的不同质量要求，以提高其可靠性和安全性；④根据不同情况可采取对产品或部件的有关部位增设保护装置、监测预报系统等措施。(3)致命度指数的计算致命度指数按式5-2计算：(4)致命度分析表格形式致命度分析所用的表格形式如表5-10所示5．5故障类型及影响分析举例例1美国舰船用的高压空气压缩机。图5-6是压缩机系统的功能框图，表示出五个子系统和功能输出之间的关系。(1)功能说明该高压空气压缩机的功能是提供操作用全部高压空气。在分析中不考虑外电源和压缩机贮罐的故障以及操作人员的误操作。(2)功能分解压缩机系统由一台电动机驱动，采用闭路循环水冷却。该系统由五个子系统组成：①电动机。向压缩机、润滑、冷却各子系统输送扭矩；②监测器系统。包括各种压力表、安全阀、压力开关、温度监测和报警器等，监测压力、温度可起到安全保护的作用；③冷却与除湿系统。冷却水流经内冷却器、后部冷却器、润滑油冷却器、气缸夹套及端部冷却器来完成冷却作用。除湿部分的功能是将进入压缩机的空气的水分除掉；④润滑系统。保证压缩机各运动副接触之间的润滑和气缸的良好润滑；⑤压缩机。装有自身润滑装置、冷却液自动排放系统和电动计时器等。(3)可靠性框图可靠性框图见图5-4。从图中可看出，由电动机（10）到压缩机(50)各组件相互之间是串联关系；在部件（零件）级，除过滤器（44A）到过滤器（44B）是并联外，其余均是申联的关系。(4)故障类型及影响分析故障类型及影响分析表见表5-11。续