基于FMECA的某型船舶報(bào)警系統(tǒng)的故障分析

摘 要： 為了提高某型船舶報(bào)警系統(tǒng)的可靠性，首先對(duì)報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行了FMECA分析，明確了系統(tǒng)設(shè)計(jì)中存在的潛在隱患；然后通過(guò)可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)，暴露了系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的缺陷和薄弱部分。可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)的結(jié)果和系統(tǒng)FMECA分析的結(jié)果相吻合，二者的結(jié)合為提高系統(tǒng)的可靠性提供了改進(jìn)方法和措施。

關(guān)鍵詞： FMECA； 可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)； 故障分析； 報(bào)警系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)： TN710?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2013）17?0101?04

0 引 言

隨著船舶自動(dòng)化技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，船舶系統(tǒng)的自動(dòng)化程度越來(lái)越高，設(shè)備的復(fù)雜度也越來(lái)越高。船舶上的自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)是保證船員生命安全，船舶動(dòng)力裝置安全、可靠運(yùn)行的重要組成部分。為保證其可靠運(yùn)行，故障分析是很必要和有效的環(huán)節(jié)。故障分析分為事前分析和事后分析。事前分析指在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程中的預(yù)測(cè)分析，如可靠度預(yù)計(jì)、故障模式影響及危害性分析（Failure Mode Effect and Criticality Analysis，F(xiàn)MECA）、故障樹(shù)分析（FTA）等。事后分析是指產(chǎn)品在使用過(guò)程中發(fā)生故障后，工程技術(shù)人員憑借自己的經(jīng)驗(yàn)和理論知識(shí)，并借助必要的檢測(cè)設(shè)備，完成故障診斷，找出故障原因。由于設(shè)備復(fù)雜程度越來(lái)越高，事后分析很難適應(yīng)當(dāng)今設(shè)備的要求，迫切需要把事前分析引入到設(shè)備故障分析中[1]。

故障模式影響及危害性分析（Failure Mode Effects and Criticality Analysis，F(xiàn)MECA）是分析系統(tǒng)中每一產(chǎn)品所有可能產(chǎn)生的故障模式及其對(duì)系統(tǒng)造成的所有可能影響，并按每一個(gè)故障模式的嚴(yán)重程度及其發(fā)生概率予以分類(lèi)的一種歸納分析方法，是屬于單因素的分析方法[2]。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段進(jìn)行故障模式、影響及危害性分析（FMECA），是為了識(shí)別產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的薄弱環(huán)節(jié)和關(guān)鍵因素，為評(píng)價(jià)和改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)以及實(shí)施控制提供有效的信息和依據(jù)。

1 概 述

本文對(duì)某型船舶報(bào)警系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì)進(jìn)行了FMECA定性分析，明確了設(shè)計(jì)方案中重要組成單元在產(chǎn)品以后工作中存在的潛在隱患。并對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行了可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)，暴露出了產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的薄弱環(huán)節(jié)和缺陷。這些都為改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供了有效的信息。

FMECA的工作步驟是：首先是系統(tǒng)定義，確定系統(tǒng)中進(jìn)行FMECA的產(chǎn)品范圍，描述系統(tǒng)的功能任務(wù)及系統(tǒng)在完成各種功能任務(wù)時(shí)所處的環(huán)境條件，指定判斷系統(tǒng)及系統(tǒng)中的產(chǎn)品正常與故障的準(zhǔn)則、選擇FMECA方法等；其次是進(jìn)行FMEA工作，包括故障模式分析，故障原因分析，故障影響分析，故障檢測(cè)方法分析，補(bǔ)償措施分析；再次是CA分析，按每一故障模式的嚴(yán)重程度及該故障模式發(fā)生的概率所產(chǎn)生的綜合影響對(duì)系統(tǒng)中的產(chǎn)品分類(lèi)，以便全面評(píng)估系統(tǒng)中各種可能出現(xiàn)的產(chǎn)品故障的影響；最后編制FMECA報(bào)告，含系統(tǒng)的功能原理、系統(tǒng)定義、繪制系統(tǒng)功能和可靠性框圖、結(jié)論與建議和附件等[3]。

2 實(shí)例分析

為了更好地說(shuō)明FMECA的工作步驟以及對(duì)產(chǎn)品的重要作用，以下是某船舶報(bào)警系統(tǒng)在設(shè)計(jì)階段利用FMECA定性分析并明確設(shè)計(jì)方案中重要組成單元可能存在的潛在隱患的分析過(guò)程。

2.1 功能描述

在某型船舶報(bào)警系統(tǒng)包括聲光報(bào)警箱和延伸報(bào)警系統(tǒng)兩個(gè)模塊。當(dāng)有危險(xiǎn)情況時(shí)，聲光報(bào)警箱通過(guò)聲音和各種光向船員發(fā)出示警信號(hào)；延伸報(bào)警系統(tǒng)是為了滿(mǎn)足用戶(hù)對(duì)警號(hào)響度和警號(hào)位置的特殊要求，將主機(jī)接警信號(hào)通過(guò)信號(hào)線(xiàn)、無(wú)線(xiàn)信號(hào)或者網(wǎng)絡(luò)方式送達(dá)需要的位置（如駕駛室、輪機(jī)長(zhǎng)室、值班員住所、公共場(chǎng)所等），并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。報(bào)警系統(tǒng)的功能原理圖如圖1所示，實(shí)物電路如圖2所示。

2.2 功能框圖

根據(jù)報(bào)警系統(tǒng)功能，可將其分成幾個(gè)獨(dú)立的功能單元，如圖3所示。

2.3可靠性框圖

實(shí)際使用中，報(bào)警系統(tǒng)完成相關(guān)功能，需要各組成部分均工作，各部分之間為串聯(lián)關(guān)系。其任務(wù)可靠性框圖如圖4所示。

2.4FMECA定性分析

根據(jù)FMECA定性分析結(jié)果，將產(chǎn)品所有潛在的故障模式的嚴(yán)酷度和概率列出，見(jiàn)表1。并用危害性矩陣進(jìn)行直觀的表示，如圖5所示。

從表1、圖5得知，該報(bào)警系統(tǒng)共31個(gè)故障模式，其中嚴(yán)酷度為Ⅰ類(lèi)的有9個(gè)、Ⅱ類(lèi)的有17個(gè)、Ⅲ類(lèi)的有5個(gè)，但考慮故障模式發(fā)生概率的因素，危害性最大的是故障模式識(shí)別號(hào)為303（輸入信號(hào)不能與其他信號(hào)隔離）、302（信號(hào)輸入錯(cuò)誤）、701（指示燈開(kāi)路）和702（指示燈短路），將其定為關(guān)鍵的故障模式。在設(shè)計(jì)改進(jìn)時(shí)需重點(diǎn)注意。

3 可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)

可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)（Reliability Enhancement Testing，RET）是對(duì)受試產(chǎn)品施加單一或綜合的環(huán)境應(yīng)力（應(yīng)力水平遠(yuǎn)超過(guò)正常使用環(huán)境），以快速激發(fā)產(chǎn)品潛在缺陷，通過(guò)故障原因、失效模式分析和改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高產(chǎn)品可靠性[4]。

可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)的目的是盡快激發(fā)現(xiàn)場(chǎng)可能存在的隱患和尋找極限應(yīng)力，健壯產(chǎn)品設(shè)計(jì)。它采取強(qiáng)化環(huán)境條件，激發(fā)效率高，能快速地激發(fā)出產(chǎn)品的潛在缺陷，消除隱患，加固薄弱環(huán)節(jié)，提高產(chǎn)品的使用質(zhì)量和可靠性，加快產(chǎn)品研制和交付的周期[5]。

可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)有如下技術(shù)特點(diǎn)[6]：

（1）可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)不要求模擬環(huán)境的真實(shí)性，而是強(qiáng)調(diào)環(huán)境應(yīng)力的激發(fā)效應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)研制階段產(chǎn)品可靠性的快速增長(zhǎng)；

（2）可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)是一種加速應(yīng)力試驗(yàn)，采用步進(jìn)應(yīng)力方法，施加的環(huán)境應(yīng)力是變化的，而且是遞增的，可以超出規(guī)范極限甚至到破壞極限；

（3）可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)對(duì)產(chǎn)品施加三軸六自由度振動(dòng)和高溫變率；

（4）為了試驗(yàn)的有效性，可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)必須在能夠代表設(shè)計(jì)、元器件、材料和生產(chǎn)中所使用的制造工藝都已基本落實(shí)的樣件上進(jìn)行，并且應(yīng)盡早進(jìn)行，以便進(jìn)行改進(jìn)。

結(jié)合可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)的特點(diǎn)，為了快速地激發(fā)系統(tǒng)的潛在缺陷，消除隱患，加固薄弱環(huán)節(jié)，對(duì)此報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行了可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)。

在制定可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)方案前，需要對(duì)試驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行環(huán)境因素和敏感應(yīng)力的分析，找出影響產(chǎn)品可靠性的主要因素和對(duì)產(chǎn)品可靠性影響較大的敏感應(yīng)力，并以此為依據(jù)制定相應(yīng)的可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)方案[7?8]。本文的研究對(duì)象所經(jīng)歷的主要環(huán)境因素有運(yùn)輸環(huán)境、工作環(huán)境和自然環(huán)境，對(duì)產(chǎn)品影響最大的應(yīng)力因素主要有振動(dòng)、環(huán)境溫度等因素。因此本文的可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)以溫度、振動(dòng)為主要應(yīng)力條件來(lái)激發(fā)系統(tǒng)的潛在缺陷。

本文的具體試驗(yàn)條件依據(jù)文獻(xiàn)[9?11]中提到的有關(guān)可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)應(yīng)力剖面的選擇原則進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

根據(jù)上述試驗(yàn)出現(xiàn)的故障，分析其原因，改進(jìn)結(jié)論如下：

密封膠、漆的脫落是因粘貼劑強(qiáng)度低，固化后太脆，可在后續(xù)的改進(jìn)中更換粘貼劑并改進(jìn)粘貼方式。蜂鳴器在91℃高溫時(shí)不響，原因?yàn)樵摲澍Q器的正常工作環(huán)境溫度為-20～50 ℃，可在后續(xù)整改中更換為工作溫度更高的EAO蜂鳴器。發(fā)光管發(fā)光暗淡是由試驗(yàn)溫度超過(guò)其額定溫度導(dǎo)致高溫?fù)p傷，指示燈故障是由于振動(dòng)試驗(yàn)過(guò)程中震斷了發(fā)光管管腳，在后續(xù)整改設(shè)計(jì)中應(yīng)在指示燈與PCB板間加硅膠固定。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文從報(bào)警系統(tǒng)的實(shí)際功能出發(fā)，對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中各個(gè)模塊進(jìn)行了FMECA分析，明確了產(chǎn)品潛在的故障，為設(shè)計(jì)的改進(jìn)提供了參考建議。同時(shí)在產(chǎn)品進(jìn)行可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)過(guò)程中暴露出產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的薄弱環(huán)節(jié)，也為設(shè)計(jì)改進(jìn)提供了切實(shí)的意見(jiàn)。事前分析（FMECA）和試驗(yàn)相結(jié)合對(duì)提高產(chǎn)品可靠性起到了很大的作用。在FMECA報(bào)告中將指示燈作為危害性最大的故障模式給以提出，而在實(shí)際的可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)中系統(tǒng)的指示燈也出現(xiàn)了故障。FMECA給出的危害性分析結(jié)論和可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)出現(xiàn)的故障現(xiàn)象是吻合的，進(jìn)一步證明了FMECA工作的科學(xué)性和有效性。

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作者簡(jiǎn)介：黃金娥 1975年出生，湖北鐘祥人，碩士研究生，現(xiàn)為海軍裝備研究院工程師。研究方向?yàn)橘|(zhì)量與可靠性。