系統(tǒng)安全工程

1、5 故障類型及影響分析,故障類型及影響分析(FMEA) 是對系統(tǒng)的各組成部分、元素進行的分析。系統(tǒng)的組成部分或元素在運行過程中往往可能發(fā)生不同類型的故障。對系統(tǒng)產(chǎn)生不同的影響。這種分析方法首先找出系統(tǒng)中各組成部分及元素可能發(fā)生的故障及其類型，查明各種類型故障對鄰近部分或元素的影響以及最終對系統(tǒng)的影響，然后提出避免或減少這些影響的措施。,最初的故障類型和影響分析（FMEA）只能做定性分析，后來在分析中包括了故障發(fā)生難易程度的評價或發(fā)生的概率。更進一步地，把它與危險度分析結合起來，構成故障類型和影響、危險度分析。這樣，如果確定了每個元素故障發(fā)生概率，就可以確定設備、系統(tǒng)或裝置的故障發(fā)生概率，從而定

2、量地描述故障的影響。,51 概述,52 故障類型及影響分析程序,53 故障類型及影響、危險度分析,54 致命度分析,55 故障類型及影響分析舉例,51 概 述,（1）故障,（2）故障的影響,（3）故障模式、原因、機理及效應,故障一般是指元件、子系統(tǒng)、系統(tǒng)在規(guī)定的運行時間、條件內(nèi)，達不到設計規(guī)定的功能。,一般機電產(chǎn)品、設備常見故障類型見下表,從安全角度來說，事故、災害是指“故障引起的人身傷亡和物質(zhì)財產(chǎn)的損失”。也就是說，故障是事故、災害的原因。一個系統(tǒng)或產(chǎn)品從正常發(fā)展成事故有一個過程：,正常,異常,征兆狀態(tài),故障,事故,是指即使判 斷為異常， 還未達到故 障以至事故 與災害狀態(tài)。,功 能,條 件

3、,時 間,概 率, 故障 模式,故障模式是從不同表現(xiàn)形態(tài)來描述故障的，是故障現(xiàn)象的一種表征,水泵、渦輪機、發(fā)電機的故障模式有： 誤起動、誤停機、速度過快、反轉(zhuǎn)、異常的負荷振動、發(fā)熱、線圈漏電、運轉(zhuǎn)部分破損等。,容器的故障模式有： 泄漏、不能降溫、加熱、斷熱、冷卻過分等。,熱交換器、配管類的故障模式有： 堵塞、流路過大、泄漏、變形、振動等。,閥門、流量調(diào)節(jié)裝置的故障模式有： 不能開啟或不能閉合、開關錯誤、泄漏、堵塞、破損等。,表5-2 (熟悉), 故障 原因,系統(tǒng)、產(chǎn)品的故障原因，主要來自兩個方面：,一是內(nèi)在因素，從固有可靠性方面看，有以下原因： 系統(tǒng)、產(chǎn)品的硬件設計不合理或存在潛在的缺陷,二是

4、外在因素，從使用可靠性方面看，引起故障的主要原因是環(huán)境條件和使用條件。,如設計水平低，未采取防震、防濕、減荷、安全裝置、冗余等設計對策； 系統(tǒng)、產(chǎn)品中零、部件有缺陷； 制造質(zhì)量低，材質(zhì)選用有錯或不佳等； 運愉、保管、安裝不善。,系統(tǒng)或產(chǎn)品的環(huán)境條件與使用條件越苛刻，越容易發(fā)生故障。 濕度和溫度過高或過低、振動、噪聲、沖擊、灰塵、有害氣體等不僅是產(chǎn)品可靠性的有害因素，也是對操作人員有害的因素，這些都是促發(fā)故障的原因。, 故障 機理,故障機理是指誘發(fā)零件、產(chǎn)品、系統(tǒng)發(fā)生故障的物理與化學過程、電學與機械學過程，也可以說是形成故障源的原因。 在研究故障機理時，需要考慮下列三個原因。,a. 對象。 對象

5、是指發(fā)生故障的實體（系統(tǒng)或產(chǎn)品本身），以及其內(nèi)部狀態(tài)與潛在缺陷。對象的內(nèi)部狀態(tài)與結構，對故障的發(fā)生有抑制或促進作用。,b. 外部原因。 指能引起系統(tǒng)或產(chǎn)品發(fā)生故障的外界破壞因素，如外部環(huán)境應力、時間因素、人為差錯等故障誘因。即人、環(huán)境與機的關系。,c. 結果。 指在外部原因作用于對象后，對象內(nèi)部狀態(tài)發(fā)生變化，當此變化量超過某一閾值，便形成故障。, 故障 效應,指的是某一故障發(fā)生后，它對系統(tǒng)、子系統(tǒng)、部件有什么影響，影響程度有多大。, 故障模式、故障機理與故障原因的關系,故障原因孕育著故障機理，而故障模式反映著故障機理的差別。但是，故障模式相同，其故障機理并不一定相同。例如機械零件變形這一故障模

6、式，其機理可能有沖擊、溫度、破壞等多種。同一故障機理，也可能出現(xiàn)不同的故障模式。例如疲勞的故障機理，就可以出現(xiàn)表面破裂、耗損、折斷等故障模式。因此，考察一個部件，故障模式就可能不只一種，如閥門故障至少有，內(nèi)部泄漏、外部泄漏、打不開、關不緊等四種模式。,圖5-1是交流接觸器的故障過程，從圖中可以清楚地看出故障模式、故障機理與故障原因之間的關系。,52 故障類型及影響分析程序,本節(jié)將從7個方面討論,故障類型及影響分析的思路是: 按照“系統(tǒng)-子系統(tǒng)-元件”順序分解研究故障模式; 再按逆過程，即“元件-子系統(tǒng)系統(tǒng)”順序研究故障的影響，選擇對策，改進設計。 其分析步驟如圖5-2所示。,（1）明確系統(tǒng)的情

7、況和目的,（2）確定分析的層次,（3）繪制功能框圖和可靠性框圖,（4）建立故障模式清單、分析故障模式及影響,（5）研究故障檢測方法,（6）確定故障等級,（7）故障類型及影響分析表格,（1）明確系統(tǒng)的情況和目的,在分析步驟中首先應對系統(tǒng)的任務、功能、結構和運行條件等諸方面有一個全面的了解。,（2）確定分析的層次,分析開始時就要根據(jù)系統(tǒng)的情況，決定分析到什么層次。這是一個重要的問題。圖5-3是分析層次與故障模式及影響分析的關系。,圖 5-3 分析的層次和故障摸式及影響分析,（3）繪制功能框圖和可靠性框圖,根據(jù)對系統(tǒng)的分解和分析畫出功能框圖。 可靠性框圖是從可靠性的角度建立的模型，它把實際系統(tǒng)的物理

8、、空間要素與現(xiàn)象表示為功能與功能之間的聯(lián)系，尤其明確了它們之間的邏輯關系。圖5-4是高壓空氣壓縮機的可靠性框圖。,（4）建立故障模式清單、分析故障模式及影響,這一步是實施故障模式及影響分析的核心，通過對可靠性框圖所列全部項目的輸出分析，根據(jù)理論知識、實踐經(jīng)驗和有關故障資料，判明系統(tǒng)中所有實際可能出現(xiàn)的故障模式（即導致規(guī)定輸出功能的異常和偏差）。 選定、判明故障模式是一項技術性很強的工作，必須細致、準確。下面介紹6WH啟發(fā)性分析方法要領。,6WH方法，就是指Why（為什么）； What（什么）； Who（誰）；When（何時）；Where（何處）；How（怎樣、如何）的總稱； 以提問方式來完成對

9、故障事故的思考。,為什么（Why）： 為什么要有這個元件？為什么這個元件會發(fā)生故障？為什么不加防護裝置？為什么不用機械代替人力？為什么不用特殊標志？為什么輸出會出現(xiàn)偏差？,什么（What）： 功能是什么？工作條件是什么？與什么有關系？規(guī)范、標準是什么？在什么條件下發(fā)生故障？將會發(fā)生什么樣的故障？采用什么樣的檢查方法？制定什么樣的預防措施？,誰（Who）： 誰操作？故障一旦發(fā)生誰是受害者？誰是加害者?影響到哪些功能？誰來實施安全措施？,何時（When）： 何時發(fā)生故障？何時檢測安全裝置？何時完成預防措施計劃？,何地（Where）： 在什么部位發(fā)生故障？防護裝置裝在什么地方最好？何處有同樣的裝置？

10、監(jiān)測、報警裝置裝在什么地方最好了何地需要安全標志？,如何（How)： 發(fā)生故障的后果如何？影響程度如何？如何避免故障發(fā)生？安全措施控制能力如何？如何改進設計？,在故障分析時，應根據(jù)對象的不同采取不同的分析方法。但必須注意，切勿只見現(xiàn)象，不見真正的原因。要從全局出發(fā)，綜合各種信息采取失效物理的微觀分析，一般可按下面的程序進行。,掌握全局性分析的綜合調(diào)查,從非破壞性的外部分析到 解剖、破壞性的內(nèi)部分析,建立故障原因的假設， 并進而求證,（5）研究故障檢測方法,設定故障發(fā)生后，說明故障所表現(xiàn)的異常狀態(tài)及如何檢側，例如通過聲音的變化，儀表指示量的變化進行檢測。對保護裝置和警報裝置，要研究能被檢測出的程

11、度如何并做出評價。,（6）確定故障等級,由于各種故降模式所引起的子系統(tǒng)、系統(tǒng)事故有很大的差別，因而在處理措施上就要分清輕重緩急區(qū)別對待。故障等級是衡量對系統(tǒng)任務、人員安全造成影響的尺度。 確定故障等級的方法有以下二種。, 簡單劃分法, 評點法,簡單劃分法將故障模式對子系統(tǒng)或系統(tǒng)影響的嚴重程度分四個等級，見表5-3所示，可根據(jù)實際情況進行分級。,評點法。在難于取得可靠性數(shù)據(jù)的情況下，可采用此法，它比簡單劃分法較精確。該方法從5個方面來考慮故障對系統(tǒng)的影響程度，用一定點數(shù)表示程度的大小、通過計算，求出故障等級。評點數(shù)由下式求得：,其評點因素的內(nèi)容比較模糊，而且系數(shù)取值范圍較大，不易評得準確。 另一

12、種求點數(shù)的方法列于表5-5，可根據(jù)評點因素求出點數(shù)，然后求和，得出總點數(shù)。,以上兩種評點方法求出的總點數(shù)，均可按表5-6評出故障等級。,（7）故障類型及影響分析表格,可以根據(jù)分析的目的、要求設立必要的欄目，簡捷明了地顯示全部分析內(nèi)容。常用的分析表格見表5-7。,53 故障類型及影響、危險度分析,危險度分析的目的在于評價系統(tǒng)每種故障類型的危險度，據(jù)此按輕重緩急確定校正措施。一般地，采用概率-嚴重度來評價故障類型的危險度。,（1)故障概率,（2）嚴重度,（3）風險矩陣法,（1)故障概率,故障概率，是指在一特定時間內(nèi)，故障類型所出現(xiàn)的次數(shù)。時間可規(guī)定為一定的期限，如一年、一月等；或根據(jù)大修間隔期；完

13、成一項任務的周期或其他被認為適應的期間來決定。 可以使用定性和定量方法確定單個故障類型的概率,定性分類法： I級故障概率很低，元件操作期間出現(xiàn)的機會可以忽略。 級故障概率低，元件操作期間不易出現(xiàn)。 級故障概率中等，元件操作期間出現(xiàn)的機會為50。 級故障概率高，元件操作期間易于出現(xiàn)。,定量分類法： I級在元件工作期間，任何單個故障類型出現(xiàn)的概率，小于全部故障概率的O.01。 級在元件工作期間，任何單個故障類型出現(xiàn)的概率，大于全部故障概率的0.01而小于0.10。 級在元件工作期間，任何單個故障類型出現(xiàn)的概率，大于全部故障概率的O.10而小于0.20。 級在元件工作期間，任何單個故障類型出現(xiàn)的概率

14、，大于全部故障概率的0.20。,(2) 嚴 重 度,嚴重度指的是故障類型對系統(tǒng)功能的影響程度。它可以分為四個等級，見表5-8所示。,(3)風險矩陣法,故障的發(fā)生可能性和故障發(fā)生后引起的后果，經(jīng)綜合考慮后，能得出一個比較準確的衡量標準，稱這個標準為風險率(或稱危險度)，它代表故障概率和嚴重度的綜合評價。 有了嚴重度和故障概率的數(shù)據(jù)后，就可運用風險矩陣的評價法，因為用這兩個特性就可表示出故障類型的實際影響。以故障類型發(fā)生概率為縱坐標，嚴重度為橫坐標，綜合這兩個特性，畫出風險率矩陣。,54 致命度分析,（1）致命度分析的含意,（2）致命度分析的目的,（3）致命度指數(shù)的計算,（4）致命度分析表格形式,

15、(1)致命度分析的含意,致命度分析(Criticality Analysis，縮寫為CA)是在故障模式及影響分析的基礎上擴展出來的。在系統(tǒng)進行初步分析（如故障模式及影響分析）之后，對其中特別嚴重的故障模式（如級有時，也對級）單獨再進行詳細分析。致命度分析就是對系統(tǒng)中各個不同的嚴重故障模計算臨界值 - 致命度指數(shù)，即給出某故障模式產(chǎn)生致命度影響的概率，它是一種定量分橋方法。與故障模式及影響分析結合使用時，稱為故障模式、影響及致命度分析（FMECA）。,(2)致命度分析的目的,致命度分析的主要目的有： 盡量消除致命度高的故障模式； 當無法消除故障模式時，應盡量從設計、制造、使用和維修等方面去降低其

16、致命度和減少其發(fā)生的概率； 根據(jù)故障模式不同的致命度，對其零、部件或產(chǎn)品提出相應的不同質(zhì)量要求，以提高其可靠性和安全性； 根據(jù)不同情況可采取對產(chǎn)品或部件的有關部位增設保護裝置、監(jiān)測預報系統(tǒng)等措施。,(3)致命度指數(shù)的計算,致命度指數(shù)按式5-2計算：,(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,55 故障類型及影響分析舉例,例1 美國艦船用的高壓空氣壓縮機。 圖5-6是壓縮機系統(tǒng)的功能框圖，表示出五個子系統(tǒng)和功能輸出之間的關系。,(1)功能說明,該高壓空氣壓縮機的功能是提供操作用全部高壓空氣。在分析中不考慮外電源和壓縮機貯罐的故障以及操作人員的誤操作。,(2)功能分解,壓

17、縮機系統(tǒng)由一臺電動機驅(qū)動，采用閉路循環(huán)水冷卻。該系統(tǒng)由五個子系統(tǒng)組成： 電動機。向壓縮機、潤滑、冷卻各子系統(tǒng)輸送扭矩； 監(jiān)測器系統(tǒng)。包括各種壓力表、安全閥、壓力開關、溫度監(jiān)測和報警器等，監(jiān)測壓力、溫度可起到安全保護的作用； 冷卻與除濕系統(tǒng)。冷卻水流經(jīng)內(nèi)冷卻器、后部冷卻器、潤滑油冷卻器、氣缸夾套及端部冷卻器來完成冷卻作用。除濕部分的功能是將進入壓縮機的空氣的水分除掉； 潤滑系統(tǒng)。保證壓縮機各運動副接觸之間的潤滑和氣缸的良好潤滑； 壓縮機。裝有自身潤滑裝置、冷卻液自動排放系統(tǒng)和電動計時器等。,(3)可靠性框圖,可靠性框圖見圖5-4。從圖中可看出，由電動機（10）到壓縮機(50)各組件相互之間是串聯(lián)關系；在部件（零件）級，除過濾器（44A）到過濾器（44B）是并聯(lián)外，其余均是申聯(lián)的關系。,(4) 故障類 型及影 響分析,故障類型及影響分析表見表5-11。,續(xù)表5-11 故障類型及影響分析表,續(xù)表5-11 故障類型及影響分析表,例2 對起重機的兩種主要故障(鋼絲繩過卷和切斷)進行的故障類型與影響分析如表5-12。 表5-12 起重機的故障類型與影響、危險度分析(部分),注：危險的嚴重度：大(危險) 中(臨界) 小(安全) 校正措施： (立即停止作業(yè)) (看準機會修理) 注意 發(fā)生概率：非常容易發(fā)生的110-1；容易發(fā)