11.故障模式

1长3乙火箭发射失败1996年2月15日凌晨3时01分，长三乙遥一火箭在西昌卫星发射中心发射INTELSAT-7A卫星时受到重创，火箭起飞2s后惯性基准发生变化，22s后撞在附近的山头上，星箭俱毁，惨遭失败。这一事件，在国际航天界引起轰动，中国航天事业蒙受着巨大损失。2长3乙火箭1996年2月18日，长三乙火箭首发飞行故障分析委员会、调查委员会、审查委员会开始工作，其中分析委员会由长三乙火箭的设计师系统组成。经过三个月挑灯夜战、艰难困苦的工作，他们提出了四种可能的故障模式，完成了12大类共125项(次)地面试验及大量的理论分析，终于在5月18百分之百地复现了故障现象。故障原因是由一只电子元器件的制造工艺缺陷，使其功能突然失效，造成平台随动环稳定回路28V供电电路开路，致使惯性基准倾倒，火箭飞行失败。又经过三个月的紧张工作，设计师系统提出并且完成了44项256条改进措施。36.故障模式、影响及危害度分析6.1故障模式、影响及危害度分析6.1.1概述故障模式影响分析FMEA(failuremodeeffectanalysis)在产品设计过程中，通过对产品各组成单元潜在的各种故障模式及其对产品功能的影响进行分析，并把每一个潜在故障模式按它的严酷程度予以分类，提出可以采取的预防改进措施，以提高产品可靠性的一种设计分析方法。4故障模式影响危害度分析FMECA(failuremodeeffectandcriticalityanalysis)在FMEA的基础上增加一层任务，即判断这种故障模式影响的致命程度有多大，使分析量化。56.1.2FMEA方法中的基本概念(1)故障模式是指故障的表现形式。只讨论零件是怎样失效的，并不讨论零件为什么失效。(2)失效机理是指导致零件失效的物理、机械或热(化学)等内在原因，讨论零件为什么会失效，如蠕变、腐蚀、磨损、冲击断裂、疲劳、热等。(3)危害度是对失效模式及其出现频率的严重性的相对量度。6(4)故障模式分析是指将分析系统的各单元可能发生的失效或故障分门别类，分析每一模式发生的概率大小,但不一定要分析发生的原因。要求尽可能列举所有的故障模式，以便分析其影响和危害度。(5)故障影响分析是指分析系统的元器件、零件的故障模式对组件、部件、设备、分系统和系统的影响，要特别注意分析那些后果严重的致命性影响的故障模式。(6)危害度分析是指将失效所产生的影响按照其后果的危害程度加以分类，并计算造成每类危害的概率(即危害度)，针对这些危害性的大小，采用各种相应的措施改进设计。7(1)定义系统对系统的完整定义，应包括系统的主要和次要功能、用途、预期性能、应用范围以及系统的故障判据。(2)作可靠性框图弄清设备的硬件、软件、操作人员与产品的关系，弄清设备的部件、元器件、分系统、系统之间的关系，根据设备的基本功能单元，作可靠性框图。(3)编号列表将构成各功能单元的元器件、部件编号列表，如表（一）所示。(4)列举故障模式研究分析所有可能出现的故障模式、出现这种故障模式的条件和应力，将所含元器件、部件可能出现的故障模式填入表（二）中，如果可能就将相应的失效率也一并填入。6.1.3FMECA的列表分析法89(5)分析故障模式发生的原因在每种故障模式旁边要列举使其增加的原因，但有时不可能。因此，可以将其归纳为几种类型。例如，在分析系统的故障原因时，将放大器输出下降的各种电子电路的故障原因全部列举出来很困难，这时可概括为“电路故障”，在以后分析放大器故障与其内部电路时，再一条一条列举出来。(6)分析故障模式的影响分析时由完成最基本功能的最低一级的故障模式开始逐级往上一级的故障模式进行，直到系统级为止，看有什么影响，如先分析元件的故障模式对部件的影响，再分析部件的故障模式对分系统的影响，最后分析分系统的故障模式对系统的影响。10(7)分析故障模式的危害等级把各个故障模式的后果进行定性分类，按照表的内容，判定各故障模式的危害度等级。11(8)计算故障模式的频数比若单元i在规定时间内执行任务时各种故障模式发生的总次数为ni，第j种故障模式发生的次数为nij，则aij=nij/ni某些产品的故障模式及其频数比如表所示。12(9)确定故障模式的故障率或故障概率及概率等级确定每种故障模式的故障率或故障概率时，可以查阅可靠性数据手册，当数据不足时，可请有经验的分析者打分评级。在可靠性标准中，将故障模式发生概率分为四级，如表所示。13（10）计算故障模式对系统的危害度14(11)提出预防和消除故障模式的措施。(12)提出储存、运输、维护、使用的注意事项。(13)将故障模式按危害度等级、故障概率等级、危害度分别排队。(14)提交FMECA报告，供工程技术管理者决策参考。156.2故障树分析法（FTA,FaultTreeAnalysis）6.2.1特点在系统设计中，通过对可能造成系统故障的各种因素进行分析，画出逻辑框图（故障树），从而确定系统故障原因的各种可能组合方式及其概率，计算系统故障概率，以采取相应的纠正措施，提高系统可靠性的一种设计方法。16(2)FTA法是一种图形演绎法是对故障事件在一定条件下的逻辑推理方法。它可以围绕某些特定的故障状态进行层层深入的分析。因而在清晰的故障树图形下，表达系统内在联系，并指出元部件故障与系统故障之间的逻辑关系，找出系统的薄弱环节。(1)它具有很大的灵活性即不是局限于对系统可靠性进行一般的分析，而是可以分析系统的各种故障状态。不仅可以分析某些元部件故障对系统的影响，还可以对导致这些元部件故障的特殊原因(例如环境的、甚至人为的原因)进行分析，予以统一考虑。17(3)进行FTA的过程，也是一个对系统更深入认识的过程它要求分析人员把握系统的内在联系，弄清各种潜在因素对故障发生影响的途径和程度，因而许多问题在分析的过程中就被发现和解决了，从而提高了系统的可靠度。(4)通过FTA可以定量地计算复杂系统的故障概率及其它可靠性参数，为改善和评价系统可靠性提供定量数据。(5)故障树建成后，对不曾参与系统设计的管理和维修人员来说，相当于一个形象的管理、维修指南，因此对培训使用系统的人员更有意义。186.2.2应用（1）早期设计阶段——判明故障模式；（2）详细设计和样机生产后、批量生产前——证明系统是否满足可靠性和安全性要求。用途：(a)用于系统的可靠性分析，可以进行定性分析及定量分析。(b)用于系统的事故分析及安全性分析。(c)可以在产品设计时，利用故障树帮助判明系统的潜在故障。(d)在系统使用阶段可以用来进行故障诊断，预测系统故障时最可能造成故障发生的原因，并可用来制订检修计划等。船体断裂Tatanic号船体沉没，船上三分之二人员死亡与门与门42132020/4/1719泰坦尼克海难海难后果船体钢材不适应海水低温环境，造成船体裂纹观察员、驾驶员失误，造成船体与冰山相撞船上的救生设备不足，使大多数落水者被冻死距其仅20海里的California号无线电通讯设备处于关闭状态，无法收到求救信号，不能及时救援顶事件逻辑门中间事件底事件206.2.3故障树中使用的符号6.2.3.1事件及其符号（1）底事件（2）结果事件21（3）特殊事件6.2.3.2逻辑门及其符号（１）或门22（２）与门（３）非门23（４）特殊门246.2.3.3转移符号（１）相同转移符号（２）相似转移符号256.2.4故障树的建立由单元本身引起的事件称为“一次事件”，由人的因素或环境条件引起的事件称为“二次事件”。(1)顶事件的确定系统最不希望发生的故障作为该系统故障分析的顶事件。(2)故障树的建立过程在顶事件确立以后，则将它作为故障树分析的起始端，找出导致顶事件所有可能的直接原因，作为第一级中间事件。266.2.4故障树的建立(2)故障树的建立过程将这些事件用相应的事件符号表示，并用适合于它们之间逻辑关系的逻辑门符号与上一级事件(最上一级为顶事件)相连接。依次类推，逐级向下发展。直至找出引起系统故障的全部毋须再追究下去的原因，作为底事件。27故障树的建立28故障树的建立29故障树的建立30故障树的建立316.2.5故障树的定性分析找出故障树的全部最小割集或全部最小路集的过程。6.2.5.1割集与路集（１）割集一棵故障树的全部最小割集的完整集合代表了顶事件发生的所有可能性，即系统的全部故障。最小割集指出了处于故障状态的系统所必须修理的基本故障，指出了系统的最薄弱环节。32（２）路集例：33割集：最小割集：路集：最小路集：例：346.2.5.2最小割集的求法（１）Fussell-Vesely算法根据逻辑与门仅增加割集的容量，而逻辑或门才增加割集的个数这一性质，由上而下，遇到与门就把与门下面所有输入事件均排列于同一行，遇到或门就把或门下面的所有输入事件均排列于同一列，依此类推，一直到不能分解为止。所得到的基本事件集合是割集，但不一定是最小割集。35Fussell-Vesely算法366.2.5.2最小割集的求法（１）Fussell-Vesely算法找出最小割集方法：让每一个底事件依次对应一个素数，把每个割集也对应一个数，该数是割集中底事件对应的素数的乘积，经排列后可得到一串由小到大的数列N1，N2，…，Nm。m为割集总数。把这些数依次相除，例如若N2能被N1整除，则它们对应的割集即为所求的最小割集。37Fussell-Vesely算法38（2）Semanderes算法称为“上行法”。每进行一步，根据故障树的逻辑关系，并用布尔代数运算规则进行运算并简化，算到最后即得到最小割集。39Semanderes算法40Semanderes算法416.2.5.3故障树的规范化1.顺序与门变换为与门2.表决门变换为或门和与门组合3.异或门变换为或门、与门和非门组合4.禁门变换为与门42顺序与门变换为与门表决门变换为或门和与门组合43异或门变换为或门、与门和非门组合禁门变换为与门446.2.6故障树的定量分析1.最小割集之间不相交的情况2.最小割集之间相交的情况近似：系统不可靠度：45故障树定量分析466.3设备的故障诊断技术6.3.1故障诊断技术的内容6.3.1.1诊断对象在设备正常运转、没有故障时可以不停机，在发现故障前兆时能及时停机，按诊断出故障的性质和部位，有目的地进行检修，这就是预知维修技术。诊断对象包括：(1)机械零部件的技术诊断(2)机器的技术诊断(3)系统的技术诊断476.3.1.2诊断过程“信息的采集、处理系统”“状态识别、故障诊断和决策系统”486.3.1.3诊断的分类(1)功能诊断和运行诊断(2)定期诊断和在线监控(3)直接诊断和间接诊断(4)常规诊断和特殊诊断(5)简易诊断和精密诊断496.3.2诊断信息的采集和分类处理技术6.3.2.1诊断信息的采集6.3.2.2诊断故障信号的处理(1)直接观察法(2)振动和噪声检测法(3)磨损残余物检测法(4)整机性能检测法信号处理(或称数据处理)技术就是用来从传感器输出的信号中分离出所需要的特性参数曲线技术。另一个重要作用就是寻找诊断用的特性指标，要求这个指标对系统故障要具有敏感性。5051525354柴油机监控及故障诊断系统5556汽车故障诊断仪57机械设备故障诊断仪58轴承故障诊断仪/点检数据采集59“海因里希法则”——它是美国著名安全工程师海因里希在研究大量事故之后提出的一个理论：每一起重大事故背后必然有29次轻微事故，还有300次潜在的隐患和预兆。60作业P215:8-1~8-6,8-8