故障树分析

河北农业大学机电工程学院设备管理工程学第7章设备的故障与事故•一、设备故障的分类•（l）按故障发生的速度分类按故障发生的速度可分为突发性故障和渐发性故障。突发性故障是由于各种不利因素和偶然的外界影响的共同作用超出了设备所能承受的限度而突然发生的故障。这类故障一般无明显征兆，是突然发生的，依靠事前检查或监视不能预知的故障。•如因使用机器不当或超负荷使用而引起零部件损坏；•因润滑油中断而使零件产生热变形裂纹；•因电压过高、电流过大而引起元器件损坏而造成的故障。河北农业大学机电工程学院设备管理工程学渐发性故障是由于各种影响因素的作用使设备的初始参数逐渐劣化、衰减过程逐渐发展而引起的故障。一般与设备零部件的磨损、腐蚀、疲劳及老化有关，是在工作过程中逐渐形成的。这类故障的发生一般有明显的预兆，能通过预先检查或监视早期发现，如能采取一定的预防措施，可以控制或延缓故障的发生。河北农业大学机电工程学院设备管理工程学(2)按故障发生的后果分类按故障发生的后果可分为功能性故障与参数型故障。功能故障是指设备不能继续完成自己规定功能的故障。这类故障往往是由于个别零件损坏造成的，如内燃机不能发动，油泵不能供油。参数故障是指设备的工作参数不能保持在允许范围内的故障。这类故障属渐发性的，一般不妨碍设备的运转，但影响产品的加工质量，如机床加工精度达不到规定标准，动力设备出力达不到规定值的故障。河北农业大学机电工程学院设备管理工程学(3)按故障的损伤程度分类按故障的损伤是否容忍分为允许故障和不允许故障。允许故障是指考虑到设备在正常使用条件下，随着使用时间的增长，设备参数的逐渐劣化是不可避免的，因而允许发生某些损伤但不引起严重后果的故障，如零件的某些正常磨损、腐蚀和老化等。不允许故障是由于设计时考虑不周，制造装配质量不合格，违反操作规程所造成的故障，如设计强度不够造成的零件的断裂，超负荷使用设备造成的设备损坏等。河北农业大学机电工程学院设备管理工程学(4)按故障的易见性分类明显安全性故障是指可能直接危及作业安全的故障，这种故障发生在具有明显功能部件上。明显使用性故障是指对使用能力或完成作业任务有直接影响的故障。这种故障不是安全性的，也是发生在具有明显功能的部件上。明显非使用性故障是指对使用能力或完成作业任务没有不利的直接影响的故障。隐蔽安全性故障是指同另一故障（明显功能故障）结合后会危及作业安全的隐蔽功能故障。隐蔽经济性故障是指同另一故障（明显功能故障）结合后不会产生安全性后果，只有经济性影响的故障。河北农业大学机电工程学院设备管理工程学二、故障树分析法1、故障树的概念在系统设计过程中通过对可能造成系统失效的各种因素（包括硬件、软件、环境、人为因素）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或其发生概率，以计算系统故障概率，采取相应的纠正措施，以提高系统可靠性的一种设计分析方法。河北农业大学机电工程学院设备管理工程学河北农业大学机电工程学院设备管理工程学2、故障树分析FaultTree故障分析是以故障树作为模型对系统的可靠性进行分析的一种方法。故障树分析把系统最不希望发生的故障状态作为逻辑分析的目标，在故障树中称为顶事件，继而找出导致这一故障状态发生的所有可能直接原因，在故障树中称为中间事件。再跟踪找出导致这些中间故障事件发生的所有可能直接原因。直追寻到引起中间事件发生的全部部件状态，在故障树中称为底事件。河北农业大学机电工程学院设备管理工程学用相应的代表符号及逻辑门把顶事件、中间事件、底事件连接成树形逻辑图，则称此树形逻辑图为故障树。故障树是一种特殊的倒立树状逻辑因果关系图，它用事件符号、逻辑门符号和转移符号描述系统中各种事件之间的因果关系。故障树符号见p129图7-2和7-3河北农业大学机电工程学院设备管理工程学GB7829《故障树分析程序》告诉我们，在绘制故障树时，要熟悉产品系统，列出故障事件，分析各故障之间的逻辑关系，逐级有层次地放置基本的独立的故障事件，采用故障树符号联接表示因果关系，简化和整理故障树，消除任何反馈通道等。河北农业大学机电工程学院设备管理工程学河北农业大学机电工程学院设备管理工程学3、故障树的建立步骤a、选择和确定顶事件：顶事件是系统最不希望发生的事件，或是指定进行逻辑分析的故障事件。b、分析顶事件：寻找引起顶事件发生的直接的必要和充分的原因。将顶事件作为输出事件，将所有直接原因作为输入事件，并根据这些事件实际的逻辑关系用适当的逻辑门相联系。河北农业大学机电工程学院设备管理工程学c、分析每一个与顶事件直接相联系的输入事件。如果该事件还能进一步分解，则将其作为下一级的输出事件，如同b中对顶事件那样进行处理。d、重复上述步骤，逐级向下分解，直到所有的输入事件不能再分解或不必要再分解为止，即建成了一棵倒置的故障树。河北农业大学机电工程学院设备管理工程学4、建树时要注意：(1)忽略小概率事件并不意味着可以忽小部件的故障和小故障事件，这是两个不同的概念。挑战者号航天飞机的爆炸就是一个密封圈失效的“小故障”；(2)有的故障发生概率虽小，可是一旦发生则后果严重，为了安全以备万一，这种事件就不能忽略；(3)故障定义必须明确，避免多义性，否则会使故障树逻辑混乱出现错误；河北农业大学机电工程学院设备管理工程学(4)先抓主要矛盾，开始建树应先考虑主要的、可能性很大的以及关键性‘以致命度、重要度衡量)的故障事件，然后在逐步细化分解过程中再考虑次要的、不常发生的以及后果不严重的次要故障事件；(5)强调严密的逻辑性和系统中事件的逻辑关系，条件必须清楚，不可紊乱和自相矛盾。河北农业大学机电工程学院设备管理工程学泰坦尼克海难船体断裂Tatanic号船体沉没，船上三分之二人员死亡与门与门4213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河北农业大学机电工程学院设备管理工程学画出“电动机过热”的故障树。河北农业大学机电工程学院设备管理工程学河北农业大学机电工程学院设备管理工程学•故障树分析（FTA）通过对可能造成产品故障的硬件、软件、环境、人为因素进行分析，画出故障树，从而确定产品故障原因的各种可能组合方式和(或)其发生概率。–定性分析–定量分析河北农业大学机电工程学院设备管理工程学FTA目的–帮助判明可能发生的故障模式和原因；–发现可靠性和安全性薄弱环节，采取改进措施，以提高产品可靠性和安全性；–计算故障发生概率；–发生重大故障或事故后，FTA是故障调查的一种有效手段，可以系统而全面地分析事故原因，为故障“归零”提供支持；–指导故障诊断、改进使用和维修方案等。河北农业大学机电工程学院设备管理工程学FTA的应用各工程领域广泛应用：核工业、航空、航天、机械、电子、兵器、船舶、化工等。切尔诺贝利核泄露事故、美国的挑战者号升空后爆炸和印度的博帕尔化学物质泄露。河北农业大学机电工程学院设备管理工程学故障树示例工人坠落死亡工作高度超过XX米，下方无阻挡门工人坠落·安全带设施不起作用工人失足坠落1＋身体重心在船台外工作面打滑工人身体失去平衡安全带设施不起作用1＋安全带设施的缺陷未使用安全带＋＋安全带支撑物坏安全带坏为移动工作地点而卸除工人疏忽未用飞机因发动机故障不能飞行2/3发动机A故障发动机C故障＋EEX3X6发动机B故障DX1X4·X2X5＋DD事件符号X7～X12事件符号X13～X18河北农业大学机电工程学院设备管理工程学建立故障树的结构函数：1）与门结构故障树的结构函数:2)或门结构故障树的结构函数:3）“与”门“或”门之间的关系：1(1)nniiiixx123()min(,,.........)niniXxxxxx123()max(,,.........)niniXxxxxx河北农业大学机电工程学院设备管理工程学1）故障树定性分析•寻找顶事件的原因事件及原因事件的组合（最小割集）–发现潜在的故障–发现设计的薄弱环节，以便改进设计–指导故障诊断，改进使用和维修方案•割集、最小割集概念–割集：故障树中一些底事件的集合，当这些底事件同时发生时，顶事件必然发生；–最小割集：若将割集中所含的底事件任意去掉一个就不再成为割集了，这样的割集就是最小割集。河北农业大学机电工程学院设备管理工程学最小割集的意义•最小割集对降低复杂系统潜在事故风险具有重大意义–如果能使每个最小割集中至少有一个底事件恒不发生(发生概率极低)，则顶事件就恒不发生(发生概率极低)，系统潜在事故的发生概率降至最低•消除可靠性关键系统中的一阶最小割集，可消除单点故障–可靠性关键系统不允许有单点故障，方法之一就是设计时进行故障树分析，找出一阶最小割集，在其所在的层次或更高的层次增加“与门”，并使“与门”尽可能接近顶事件。河北农业大学机电工程学院设备管理工程学•最小割集可以指导系统的故障诊断和维修–如果系统某一故障模式发生了，则一定是该系统中与其对应的某一个最小割集中的全部底事件全部发生了故障。进行维修时，如果只修复某个故障部件，虽然能够使系统恢复功能，但其可靠性水平还远未恢复。根据最小割集的概念，只有修复同一最小割集中的所有部件故障，才能恢复系统可靠性、安全性设计水平。河北农业大学机电工程学院设备管理工程学写出该树的结构函数，并找出最小割集和最小路集。河北农业大学机电工程学院设备管理工程学如何找出故障树的最小路集和最小割集？最小割集：常用的方法有观察法（对于简单的小故障树）、故障树结构函数法和下行法求故障树的最小割集。最小路集：用对偶故障树求最小路集。下面介绍一下用下行法求最小割集的方法：河北农业大学机电工程学院设备管理工程学故障树定性分析•示例–根据与、或门的性质和割集的定义，可方便找出该故障树的割集是：{X1},{X2,X3},{X1,X2,X3},{X2,X1}，{X1,X3}–根据与、或门的性质和割集的定义，可方便找出该故障树的最小割集是：{X1},{X2,X3}•最小割集求解方法–常用的有下行法与上行法两种河北农业大学机电工程学院设备管理工程学Fussell将Vesely提出的下行法应用于手工算法中。其原理是，与门增加割集的大小，或门增加割集的数量。其步骤是由顶事件开始逐渐向下以输入事件替换输出事件，把与门的输入写成一行，把或门的输入写成一列，直到完全变成底事件的矩阵为止。矩阵的每一行代表一个割集，整个矩阵代表故障树的全部割集。将非最小割集剔除，剩下的就是最小割集了。河北农业大学机电工程学院设备管理工程学故障树示例写出故障树的结构函数并求解最小割集顶事件TM1M2M3M4M5M6x1x3x4x5x6x7x8x6X2G1G2G3G6G5G4河北农业大学机电工程学院设备管理工程学下行法求解最小割集步骤123456过程x1x1x1x1x1x1M1M2M4,M5M4,M5x4,M5x4,x6x2M3M3x3x5,M5x4,x7x2x2M6X3x5,x6x2M6x5,x7x2x3x6x8x2故障树河北农业大学机电工程学院设备管理工程学最小割集比较•根据最小割集含底事件数目(阶数)排序，在各个底事件发生概率比较小，且相互差别不大的条件下，可按以下原则对最小割集进行比较：–阶数越小的最小割集越重要–在低阶最小割集中出现的底事件比高阶最小割集中的底事件重要–在最小割集阶数相同的条件下，在不同最小割集中重复出现的次数越多的底事件越重要河北农业大学机电工程学院设备管理工程学写出故障树的结构函数顶事件T中间事件M1中间事件M2中间事件M3x4中间事件M4x1x3中间事件M5中间事件M6x5x2x3x2x5G6G7G5G4G3G2G1河北农业大学机电工程学院设备管理工程学结构函数23515234xxxxxxxxX对于复杂系统来说，其结构函数是相当冗长繁杂的，可根据逻辑运算规则或最小割集的概念，对结构函数进行改写，以利于故障树的定性分析和定量计算