基于FMEA和FTA的电动调能机构的失效分析∗

张 强 胡荣芳

（1.海军装备部驻郑州地区军事代表室 郑州 450015）（2.中国船舶重工集团公司第七一三研究所 郑州 450015）

1 引言

电动调能机构作为发射动力系统实现能量调节可行方法，其主要包括双弧形密封体密封滑块、电动缸双路控制机构、电动缸驱动-导轨定位导向机构、工位传感器-磁钢反馈工位信号机构，是实现能量精确调节的关键技术之一。随着未来武器系统对实战化需求的不断提升［1～2］，电动调能机构作为新型的能量调节技术，在未来实战化需求不断提升的情况下，将面临着更多可能存在的风险。为了降低故障率、使风险可控，必须令电动调能机构在使用寿命全过程可控，简化机构，减少控制环节，实时监测电动调能机构的状态。

为了保障电动调能机构的可靠性，特别是避免出现设备的损坏或安全事故，本文基于FMEA和FTA分析方法［3～9］，首先建立了电动调能机构的故障树模型，提出了电动调能机构可能存在的各种失效模式及各失效模式间的层次关系，然后在此基础上对各个失效模式的影响进行FMEA分析，明确了各失效模式的风险指数，通过FTA分析（Fault Tree Analysis）建立顶事件故障树，列出底事件；然后利用FMEA对列出的底事件进行分析评定［10］。最后根据评定结果对分析对象做出可靠性评价和调整。从而对主要风险问题有针对性地解决，以提高新研发的电动调能机构的可靠性。

2 电动调能机构的FTA分析

故障树分析方法（FTA）是20世纪60年代发展起来的用于大型复杂系统可靠性、安全性分析和风险评价的一种方法。它采用逻辑的方法，通过对可能造成系统故障的各种因素（包括硬件、软件、环境、人为因素等）进行分析，画出逻辑框图（即故障树），找出最小割集，以判明系统故障的根本原因，计算系统故障概率，进行定量分析，采取相应的纠正措施，提高系统可靠性。

位于故障树最上部的事件叫做顶事件，一般为造成严重后果的故障事件或事故，是故障树分析、研究的对象。位于故障树各分支末端的事件叫做基本事件，它们是造成顶事件发生的最初始的原因。位于故障树顶事件与基本事件之间的诸事件被称为中间事件，它们是造成顶事件发生的原因，又是基本事件造成的结果。

2.1 故障树建立

FTA法的步骤因评价对象、分析目的、精细程度等的不同而不同，但一般按如下步骤进行：1）故障树的建造；2）建立故障树的数学模型；3）定性分析；4）定量计算；5）综合分析得出结论。目前最为普遍的构建故障树的方法包含演绎与合成两个方面，现阶段一般都会使用前一种，人员通过具体操作可以更清楚了解系统故障产生的原因，并以排查到最末端代表完成。通常把系统的故障状态作为顶事件，然后找出系统故障与导致系统故障诸因素之间的逻辑关系，并将这些关系用逻辑门表示出来，由上而下逐级分解，直到不能分解为止。这样就建成一颗倒置的故障树。建立故障树流程图如图 1所示［11］。

图1 故障树建树流程图

故障树要反映出系统故障的内在关系，同时应能使人一目了然，形象地掌握这种联系并按此进行正确的分析。

根据电动调能机构的工作进行分析，把电动调能机构档位调节失效作为顶事件，引起失效的最直接而必要的原因为控制系统故障、电动缸驱动故障和调节机构故障，然后以其为次顶事件，对其原因进行分析，建立以逻辑门符号表示的完整的故障树，如图2所示。

2.2 故障树分析

故障树中各底事件均为“或”的关系，每个底事件是一个最小割集。通过分析，控制系统所包含的过程比较复杂，引起故障的底事件较多，底事件重要性较高。其中针对螺纹连接松动，支承架连接螺母松动，微调螺杆松动，导轨材料刚度差等底事件已经采取了有效措施，可靠性已经得到提高，不再进行FMEA分析。列出重要底事件清单，如表1所示。

图2 电动调能机构档位调节失效故障树

表1 重要底事件清单

由以上底事件中确定出FMEA分析对象，并对其进行FMEA分析。

3 电动调能机构的FMEA分析

故障模式影响分析（FMEA）是一种预防型质量管理方法，通过分析系统中每一产品所有可能产生的故障模式及其对系统造成的所有可能影响，在前期发现系统潜在的失效模式，为设计、制造、质量控制提供可行的对策，及早进行设计与制造过程的改进，提高产品质量［12～13］。

FMEA通过分析系统结构鉴别系统的每一个潜在的故障模式，分析引起故障的原因，然后利用统计方法估算评估指标严酷度（s），故障发生度（o）以及探测度（d），计算风险优先值（RPN），根据RPN值的大小判断系统是否有必要进行改进或者确定改进的优先级别。

其中（S）是指潜在故障模式发生时，对系统造成的冲击的严重程度。（O）是指某一故障在一段时间内出现的次数和频率。（D）是指发现故障原因的难易程度，是故障可以被检测出来的能力的指标。评估指标需要建立对应的评分等级，现阶段1～10等级被广泛应用［4］，一方面容易理解，另一方面计算精度也较为科学。

3.1 FMEA的分析流程

FMEA将每一个底事件相关的部件作为元件，对每一元件可能出现的故障模式和影响因素，通过经验和数据讨论来确定故障模式的严酷度、故障发生度、探测度的等级和评估标准。

对于严重度、发生度、和探测度的评价准则因FMEA表的类型不同而不同，电动调能机构用于发射动力系统能量调节时，其评价准则如表2～4所示。

图3 FMEA分析步骤

表2 FMEA严重度评价准则

表3 FMEA发生度评价准则

表4 FMEA探测度评价准则

表5 电动调能机构潜在故障模式及效果分析（FMEA）表

3.2 电动调能机构的FMEA分析

将电动调能机构潜在故障模式及影响制成FMEA工作表（如表5），并请相关专业人员依据评估标准进行评估打分，最终确定失效模式的风险优先度。

1）从表5中可以看出，电动缸调能机构最容易发生故障的部位是驱动器的接插件故障，由于设计中驱动器采用外置方案，与控制器和能量调节机构之间存在较多接口，人员操作过程中容易出现连接错误或者连接不牢固等情况，与实际作业中发生的故障情况吻合。

2）调节机构故障的底事件较多，这与调节机构组成较为复杂有关，在产品交付之前需要进行大量的调试试验，机构运动表面容易被污染，导致调节机构整体性能受到影响，因此需要对调节机构进行简化设计，控制调试环境，提高产品质量。

3）通过FMEA分析，风险优先度最高的是紫铜垫圈腐蚀和磁钢感应强度下降，出现故障的原因均是长期使用条件下元件的性能下降造成的，且故障的可探测度较差，反应了工位传感器和位置信号反馈机构存在的潜在弱点。

4 结语

电动调能机构作为能量调节的核心部件，在电气控制和能量调节机构设计方面，与之前的产品相比都变得更为复杂，因此其故障发生的可能性也大为提高。在FTA的基础上运用FMEA，综合分析其可靠性，充分发挥两种方法的优点，可以快速对潜在风险进行评估分析，找出设计中的薄弱环节，及时采取有针对性的措施，对提高产品的可靠性具有重大意义。