張 彤， 陳 梅

（1. 北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081；2. 裝備指揮技術(shù)學(xué)院，北京 101416）

基于FTA-FMMEA綜合分析法的發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)可靠性研究

張 彤1， 陳 梅2

（1. 北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081；2. 裝備指揮技術(shù)學(xué)院，北京 101416）

為了提高發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的可靠度，采用FTA-FMMEA綜合分析法對(duì)其進(jìn)行分析。通過分析曲柄連桿機(jī)構(gòu)各零件的故障，建立故障樹模型，對(duì)其進(jìn)行定性分析找出對(duì)系統(tǒng)影響較大的故障模式；對(duì)其中的活塞環(huán)磨損這一故障模式進(jìn)行 FMMEA分析，得到了其故障原因及故障機(jī)理，確定了其故障影響，并根據(jù)分析結(jié)果提出改進(jìn)方案。改進(jìn)前后的RPN值對(duì)比結(jié)果表明，F(xiàn)TA-FMMEA綜合分析方法可以很好的分析系統(tǒng)故障并提高系統(tǒng)可靠性水平。

機(jī)械設(shè)計(jì)；可靠性分析；故障模式、機(jī)理及影響分析；故障樹分析；發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)

FTA（Fault Tree Analysis，故障樹分析）由美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室于20世紀(jì)60年代首先提出，并成功應(yīng)用于民兵導(dǎo)彈的發(fā)射控制系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)研究中，用它來預(yù)測(cè)導(dǎo)彈發(fā)射的隨機(jī)故障概率。FTA是一種自上而下的演繹分析法，從系統(tǒng)的某一“不希望發(fā)生的事件（頂事件）”開始，自上而下地逐步追查導(dǎo)致頂事件發(fā)生的原因，直到“基本事件（底事件）”，即由果到因。該方法便于考慮多重故障。

FMMEA（Failure Mode、Mechanisms and Effects Analysis，故障模式、機(jī)理及影響分析）是 20世紀(jì) 90年代，美國(guó)馬里蘭大學(xué) Michael Pecht教授在FMEA技術(shù)研究和應(yīng)用的基礎(chǔ)上提出的。與FMEA相比，F(xiàn)MMEA更加注重故障機(jī)理的研究，有助于找出潛在故障的根本原因，從真正意義上控制故障風(fēng)險(xiǎn)。FMMEA方法是一種自下而上的歸納分析法，通常由系統(tǒng)的最低分析層次（如元件、部件級(jí)）開始，自下向上直至約定分析層次（如系統(tǒng)級(jí)），即由因到果[1]。該方法本質(zhì)上是一種單因素分析法，而在系統(tǒng)的全部故障模式中，多重故障模式往往要占一定的比例。要解決這些問題，就需要對(duì)單純的FMMEA法作一些改進(jìn)。

從上述兩種方法特點(diǎn)的分析中可看出：FTA可以彌補(bǔ)FMMEA的某些不足，而FMMEA又是FTA的基礎(chǔ)。在分析復(fù)雜系統(tǒng)時(shí)，為了充分發(fā)揮二者的優(yōu)點(diǎn)，本文提出了FMMEA與FTA相結(jié)合的綜合分析思路。

FTA-FMMEA綜合分析法的基本原理是：根據(jù)系統(tǒng)的功能要求和故障定義，首先選擇一個(gè)或多個(gè)致命故障為頂事件做FTA分析，建立起相應(yīng)的故障樹，求出最小割集，特別的列出一階割集里的底事件清單，然后利用FMMEA技術(shù)對(duì)重要的底事件中的關(guān)鍵元件進(jìn)行分析評(píng)估，并對(duì)由FTA生成的故障樹進(jìn)行深入的定性分析或定量計(jì)算。

1 曲柄連桿機(jī)構(gòu) FTA-FMMEA分析步驟

在了解FMMEA和FTA各自分析步驟的基礎(chǔ)上，總結(jié)出 FTA-FMMEA的具體實(shí)施步驟如圖1所示。

圖1 FTA-FMMEA分析步驟

分析對(duì)象為曲柄連桿機(jī)構(gòu)，此處采用結(jié)構(gòu)劃分法對(duì)其進(jìn)行約定層次的劃分，如圖2所示。

圖2 曲柄連桿機(jī)構(gòu)約定層次的劃分

2 曲柄連桿機(jī)構(gòu)FTA分析

2.1 確定頂事件

曲柄連桿一旦動(dòng)力不足，就會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力不足，這對(duì)于具有“汽車心臟”稱號(hào)的發(fā)動(dòng)機(jī)來說是個(gè)很大的威脅。因此，選擇曲柄連桿機(jī)構(gòu)動(dòng)力不足作為此次 FTA-FMMEA分析中的故障樹的頂事件。

2.2 建立曲柄連桿故障樹模型

活塞、氣缸、連桿、曲軸是整個(gè)曲柄連桿機(jī)構(gòu)中的重要零件，對(duì)他們進(jìn)行可靠性分析，具有代表意義。在確定曲柄連桿機(jī)構(gòu)動(dòng)力不足為整棵故障樹的頂事件后，就可以直接在這些重要的零件中尋找導(dǎo)致頂事件發(fā)生的原因。參考大量的文獻(xiàn)，在了解了活塞、氣缸、連桿、曲軸等的故障模式和故障原因的前提下[2-7]，建立曲柄連桿機(jī)構(gòu)的故障樹。鑒于作者所進(jìn)行的FMMEA分析是針對(duì)活塞及活塞環(huán)的，此處的建樹簡(jiǎn)化為對(duì)活塞故障的故障樹，如圖3所示。

圖3 曲柄連桿機(jī)構(gòu)活塞故障樹

2.3 故障樹定性分析

建樹完成后需要對(duì)故障樹進(jìn)行定性分析，即求出故障樹的所有最小割集。定性分析的主要目的是找出導(dǎo)致頂事件發(fā)生的所有可能的故障模式，得到對(duì)系統(tǒng)影響較大的故障模式。通過計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行割集的計(jì)算，結(jié)果為，曲柄連桿機(jī)構(gòu)活塞的故障有1個(gè)二階故障（最小割集中的底事件個(gè)數(shù)為2），有14個(gè)單點(diǎn)故障（最小割集中的底事件個(gè)數(shù)為1）?？煽啃躁P(guān)鍵系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求不允許有單點(diǎn)故障，即系統(tǒng)中不允許有一階最小割集，在設(shè)計(jì)的過程中如果能做到使每個(gè)最小割集中至少有一個(gè)底事件恒不發(fā)生（或發(fā)生概率極低），則頂事件就恒不發(fā)生（或發(fā)生概率極低），保證了在設(shè)計(jì)階段把系統(tǒng)潛在事故的發(fā)生概率降至最低。

3 曲柄連桿機(jī)構(gòu)FMMEA分析

3.1 FMMEA分析步驟

本文選取活塞環(huán)磨損這個(gè)最小割集作為線索，對(duì)組成曲柄連桿機(jī)構(gòu)的重要零件活塞開展FMMEA分析。分析步驟如圖4所示。

圖4 設(shè)計(jì)FMMEA分析步驟

3.2 故障原因和故障機(jī)理分析

FMMEA分析的故障機(jī)理可分為3個(gè)步驟，即：① 故障原因分析；② 由故障原因?qū)ふ夜收蠙C(jī)理；③ 根據(jù)故障機(jī)理確定故障發(fā)生的條件和故障發(fā)生的過程，從而找到故障模式的根原因。FMMEA分析人員就可以依據(jù)故障機(jī)理提出建議改進(jìn)措施，工程設(shè)計(jì)人員也可以參考故障機(jī)理改進(jìn)設(shè)計(jì)。

本文主要研究FMMEA的工程應(yīng)用，分析活塞所有部件的故障原因的工作量很龐大，活塞環(huán)在高溫、高壓、高速和潤(rùn)滑困難的條件下工作，是發(fā)動(dòng)機(jī)中磨損最快的零件之一，因此在接下來的分析中選擇活塞的活塞環(huán)為分析對(duì)象，分析活塞環(huán)的故障機(jī)理。

根據(jù)故障機(jī)理的分析步驟，緊扣個(gè)體差異、靜態(tài)載荷、動(dòng)態(tài)載荷、人為因素四個(gè)方面分析活塞環(huán)磨損這個(gè)故障模式的故障原因。分析看來，積炭、磨?；驖?rùn)滑油雜質(zhì)是活塞環(huán)產(chǎn)生磨損的直接因素。下面從斷裂、磨損、變形、裂紋、腐蝕這五個(gè)方面尋找活塞環(huán)磨損的故障機(jī)理，如表1所示。

表1 活塞環(huán)故障原因及故障機(jī)理

從上述的表格可以看出，活塞環(huán)磨損涉及到的故障機(jī)理主要是磨損機(jī)理，包括磨粒磨損機(jī)理、表面疲勞磨損機(jī)理和粘著磨損機(jī)理。

3.3 故障影響分析

表2按照GJB 1391-92的標(biāo)準(zhǔn)給出了汽車產(chǎn)品常用的故障嚴(yán)重程度的定義。

對(duì)照表2，活塞環(huán)磨損故障模式的嚴(yán)重程度是Ⅱ級(jí)。值得注意的是，每個(gè)故障模式所產(chǎn)生的并不止一個(gè)后果，而經(jīng)常是一連串的連鎖反映，因此必須找出所有可能的連鎖反映，從而比較全面地考慮各種潛在的后果。以活塞環(huán)磨損為例，分析其后果。

活塞嚴(yán)重磨損后，氣缸密封性能變壞發(fā)生漏氣現(xiàn)象，甚至還會(huì)產(chǎn)生敲擊聲并進(jìn)一步加劇磨損，使內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和啟動(dòng)性變壞，曲軸箱內(nèi)溫度增高，機(jī)油耗量增大，缸內(nèi)積炭增多，排氣冒藍(lán)煙，甚至有機(jī)油霧粒排出。

3.4 危害度及改進(jìn)措施分析

本文運(yùn)用風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)法對(duì)活塞磨損這一故障模式進(jìn)行危害度分析。根據(jù)活塞磨損產(chǎn)生的最終影響，可以確定活塞磨損這一故障模式的發(fā)生概率等級(jí)OPR=8，故障影響嚴(yán)重度等級(jí)ESR=6，檢測(cè)難度等級(jí) DDR=5，則 RPN=OPR*ESR*DDR=8*6*5=240。

在標(biāo)準(zhǔn)的FMMEA中，應(yīng)通過所有分析的故障模式的風(fēng)險(xiǎn)順序數(shù)的排序來確定需要采取措施的項(xiàng)目。本文僅對(duì)活塞磨損這一故障模式進(jìn)行了FMMEA分析，而沒有分析其他的故障模式，因此，此時(shí)要根據(jù)活塞磨損的故障原因、故障機(jī)理和故障影響采取相應(yīng)的改進(jìn)措施，總結(jié)如下：

（1） 更換標(biāo)準(zhǔn)件，裝配時(shí)注意保持合理的側(cè)隙和背隙；

（2） 選用耐磨的缸套材料，減輕活塞與氣缸之間的磨損；

（3） 降低活塞的表面粗糙度，提高材料的硬度（同時(shí)提高活塞環(huán)硬度）；

（4） 選用規(guī)定牌號(hào)的潔凈潤(rùn)滑油，防止水或塵?；烊?，改善潤(rùn)滑條件；

（5） 隨時(shí)觀察機(jī)油壓力，防止機(jī)油壓力過低造成活塞與汽缸潤(rùn)滑不良，避免磨損和敲缸異響；

（6） 保持發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作溫度，避免發(fā)動(dòng)機(jī)過熱，增加活塞頭冷卻油腔。且不要長(zhǎng)時(shí)間超負(fù)荷作業(yè)。

采取改進(jìn)措施后需要修正 RPN值。從上述的分析來看，采取改進(jìn)措施后的OPR減小，ESR不變，DDR減小，得到改進(jìn)后的OPR=5，ESR=6，DDR=3，則其RPN=OPR* ESR* DDR=90，故障風(fēng)險(xiǎn)數(shù)序數(shù)顯著下降。

表2 汽車產(chǎn)品故障嚴(yán)重程度定義

4 結(jié) 論

從以上結(jié)果可以看出，使用 FTA-FMMEA綜合分析法能夠有效的提高系統(tǒng)的可靠度。同時(shí)，在分析的過程中通過FTA分析找出對(duì)系統(tǒng)影響大的故障進(jìn)行FMMEA分析，減少工作量的同時(shí)也提高了工作的效率，可以更深入的進(jìn)行故障原因及機(jī)理的分析，從而找出有效的改進(jìn)方案。FTA-FMMEA綜合分析法是對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析的高效方法。

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Research on the Reliability of the Engine Crank Rod System Based on FTA-FMMEA Comprehensive Analysis

ZHANG Tong1, CHEN Mei2
( 1. School of Mechanical and Vehicular, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China;2. The Academy of Equipment Command and Technology, Beijing 101416, China )

FTA-FMMEA comprehensive analysis method can be used to improve the reliability of engine crank rod system. The analysis process can be described as follows：firstly,establish the fault tree model based on the analysis of the part failures of the crank rod system, and find the hazardous failure mode according to FTA qualitative analysis; then analyze the mode“scuffing” of the piston ring by using FMMEA, get the failure cause and failure mechanism, find the failure effect, and finally give the correction measures according to the analytical results. The comparison result of RPN value before and after correction indicated that FTA-FMMEA comprehensive analysis can effectively analyze system failures and improve the system reliability.

mechanical design; reliability analysis; FMMEA; FTA; crank rod system of engine

TH 122

A

1003-0158(2010)05-0146-05

2010-03-16

張 彤（1966-），女，陜西西安人，副教授，主要研究方向?yàn)楣こ虉D學(xué)及機(jī)械可靠性。