曹曙瑛

(上海航天第804研究所,上海 201109)

基于FMEA的沖擊工裝故障模式分析

曹曙瑛

(上海航天第804研究所,上海 201109)

針對沖擊試驗過程中,出現(xiàn)的沖擊工裝結(jié)構(gòu)變形、焊縫開裂情況,采用故障模式與影響分析(FMEA)方法進行問題機理分析。通過定制故障分析機制,對故障進行分析,最終定位最大故障模式。根據(jù)分析結(jié)果,提出質(zhì)量改進措施,杜絕故障發(fā)生隱患。

FEMA 故障模式與影響分析 沖擊工裝

沖擊工裝是機柜進行沖擊試驗時用于聯(lián)接機柜與試驗臺的工藝裝備。沖擊工裝自身需要承受試驗條件要求的非重復性的嚴重沖擊條件，并通過螺紋聯(lián)接方式，將相應沖擊能量傳遞給機柜，不會大幅度放大或衰減試驗量級。在實際使用過程中，工裝在沖擊試驗結(jié)束后，出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形、焊縫開裂現(xiàn)象(見圖1)，同時試驗結(jié)果不合格，試驗圖譜峰值超紅線。為此需要對沖擊工裝出現(xiàn)此故障進行分析。

1 FMEA與FTA 分析方法

故障模式與影響分析(簡稱FMEA)主要針對分析系統(tǒng)中每一產(chǎn)品所有可能產(chǎn)生的故障模式及其對系統(tǒng)造成的所有可能影響，并按每一個故障模式的嚴重程度、檢測難易程度以及發(fā)生頻度予以分類的一種歸納分析方法。其根本目的是通過各個環(huán)節(jié)的分析對象同步地識別、梳理所有可能發(fā)生的故障，分析其影響或后果，并尋找其原因，針對原因采取相應的糾正與預防措施，從而保證和提高產(chǎn)品的固有可靠性。[1][2]

故障樹分析又稱失效樹分析(簡稱FTA)。故障樹以系統(tǒng)所不希望發(fā)生的事件(故障事件)作為分析的目標，先找出導致這一事件(頂事件)發(fā)生的所有直接因素和可能的原因，結(jié)合則將這些直接因素和可能原因做為第2級，在往下找出造成第2級事件的全部直接原因和可能原因，并依此逐級地找下去，直至追查到那些原始的直接原因。采用相應的符號表示這些事件，在用描述事件間邏輯因果關(guān)系的邏輯門符號把頂事件中間事件與底事件聯(lián)接成倒立的樹狀圖形，這就形成故障樹。以故障樹作為分析手段對系統(tǒng)的失效進行分析的方法成為故障樹分析法。[1][2]

圖1 沖擊工裝焊縫開裂

由其定義可以看出來FMEA(FMECA)由系統(tǒng)的最底分析層次(如零件)開始，由底向上直至約定分析層次，即由因到果。而FTA是從系統(tǒng)的某一“不希望發(fā)生的事件”開始，從上而下，逐步追查導致頂事件發(fā)生的原因，直至基本事件，即由果到因。FMEA(FMECA)是一種單模式分析法，它針對單故障進行分析，且在反映環(huán)境條件對設(shè)備可靠性的影響方面具有局限性。FTA可彌補這些不足。FTA通過對故障的各種因素(包括硬件、軟件、環(huán)境、人為因素等)對頂事件影響的分析，采取相應措施提高設(shè)備可靠性。可以利用F M EA(FMECA)對系統(tǒng)中每一故障模式的歸納分析結(jié)果，依據(jù)FMEA(FMECA)中的嚴酷度級別從高嚴酷度級別所對應的故障模式中選擇一個作為故障樹的頂事件，建立系統(tǒng)的故障樹并利用FMEA(FMECA)過程中得到底事件故障率數(shù)據(jù)對故障樹進行定性分析與定量計算。

圖2 焊縫開裂失效故障樹

表1 沖擊工裝FMEA表格

表2 故障影響評估、檢出可能性評估、故障發(fā)生頻率評估因子表

2 沖擊工裝FMEA分析

圖3 工裝仿真效果圖

通過對機柜沖擊試驗過程運用FMEA(FMECA)，根據(jù)實際情況制定FMEA(FMECA)表格。其中對沖擊工裝進行統(tǒng)計如表1所示。

表1中嚴酷度等級按照故障模式最終對沖擊工裝影響的最壞潛在后果，對其劃分為 4類：Ⅰ類災難、Ⅱ類致命勝、Ⅲ類嚴重的、Ⅳ類輕度。PRN表示風險優(yōu)先系數(shù)，又稱風險度。它是風險分析的一種方法，目的是按每一故障模式的嚴重程度及該故障模式發(fā)生的概率所產(chǎn)生的綜合影響對系統(tǒng)中的產(chǎn)品劃等分類，以便全面評價系統(tǒng)中各種可能出現(xiàn)的產(chǎn)品故障的影響，它是一種相對定量的分析方法?？梢栽u估使用過程的品質(zhì)改善，應盡早評估某種特定故障模式的檢出可能性，因為評估越早，越容易提前采取改善對策，以免該故障影響產(chǎn)品正常使用。

通過對FMEA表分析可得到嚴酷度最大的故障模式為焊縫開裂。將焊縫開裂作為FTA中頂事件進行分析。并由FMEA表中對應的故障原因可以得到故障樹如圖2所示。

通過對焊縫開裂故障樹分析，進行邏輯運算推導得到

沖擊工裝系統(tǒng)最小割集有6個，它們都是一階割集，即只要它們中有一個發(fā)生就會導致沖擊工裝的失效發(fā)生。

從故障樹底事件中得出焊縫開裂失效原因，可以從3個方面來歸納分析：

(1)設(shè)計階段階段。能引起開裂因素包括設(shè)計不合理、載荷過大。它們都會造成沖擊工裝的焊縫開裂；

(2)材料方面。能引起開裂因素包括材質(zhì)不良、焊接性不良、材料管理有誤。其中以前兩者關(guān)系最大；

(3)制造階段。此階段能引起開裂包括焊工技術(shù)不良、焊接工藝錯誤、材料加工不恰當、熱處理不恰當?shù)?。上述因素中均能導致焊縫開裂。

3 提高沖擊工裝質(zhì)量措施

綜合沖擊工裝變形、焊縫開裂、試驗不通過的故障模式，同時為了提高沖擊工裝質(zhì)量，可從以下幾方面采取措施：

(1)重新對沖擊工裝進行了設(shè)計，改進了工裝結(jié)構(gòu)，對工裝薄弱的結(jié)構(gòu)進行了加強，通過多次優(yōu)化后工裝的固有頻率達到了130HZ。通過仿真軟件的分析(見圖3)，工裝能夠滿足試驗的要求；

(2)加強材料供應的材料供應，以保證符合設(shè)計要求，并對材料進行材料分析；

(3)為保證結(jié)構(gòu)件焊后尺寸，防止變形，拼裝時允許預留尺寸、點固剛性拉肋，但焊后須清除并鏟磨平整；

(4)焊接前必須將坡口和焊接部位兩端的銹蝕、油污、氧化皮、水分及其他對焊接有害的物質(zhì)清除干凈。為保證鋼材良好的焊接性能，防止產(chǎn)生較大的焊接殘余應力和焊接變形，焊接時必須進行預熱和溫度控制。合理地安排焊接順序，以對稱交錯的原則對結(jié)構(gòu)件進行施焊，可有效地控制結(jié)構(gòu)件的焊接變形。在焊接過程中所有焊縫應盡量采取平焊，嚴禁下坡焊。

4 結(jié)語

通過對沖擊工裝故障模式影響分析，可以得到最大嚴酷度為焊縫開裂。通過對焊縫開裂采用FMEA分析，得到引起焊縫開裂根本原因并制定相應提高質(zhì)量措施，為防止或減少故障發(fā)生提供依據(jù)。

[1]周正伐.可靠性工程基礎(chǔ)[M].北京：中國宇航出版社,2009.

[2]周正伐.可靠性工程技術(shù)問答200例[M].北京：中國宇航出版社,2011.

曹曙瑛(1982—),女,黑龍江哈爾濱人,工學學士,上海航天電子技術(shù)研究所副主任工藝師,工程師,現(xiàn)就讀上海交通大學機械與動力工程學院工程碩士。