張 強 胡榮芳

（1.海軍裝備部駐鄭州地區(qū)軍事代表室 鄭州 450015）（2.中國船舶重工集團公司第七一三研究所 鄭州 450015）

1 引言

電動調能機構作為發(fā)射動力系統實現能量調節(jié)可行方法，其主要包括雙弧形密封體密封滑塊、電動缸雙路控制機構、電動缸驅動-導軌定位導向機構、工位傳感器-磁鋼反饋工位信號機構，是實現能量精確調節(jié)的關鍵技術之一。隨著未來武器系統對實戰(zhàn)化需求的不斷提升［1～2］，電動調能機構作為新型的能量調節(jié)技術，在未來實戰(zhàn)化需求不斷提升的情況下，將面臨著更多可能存在的風險。為了降低故障率、使風險可控，必須令電動調能機構在使用壽命全過程可控，簡化機構，減少控制環(huán)節(jié)，實時監(jiān)測電動調能機構的狀態(tài)。

為了保障電動調能機構的可靠性，特別是避免出現設備的損壞或安全事故，本文基于FMEA和FTA分析方法［3～9］，首先建立了電動調能機構的故障樹模型，提出了電動調能機構可能存在的各種失效模式及各失效模式間的層次關系，然后在此基礎上對各個失效模式的影響進行FMEA分析，明確了各失效模式的風險指數，通過FTA分析（Fault Tree Analysis）建立頂事件故障樹，列出底事件；然后利用FMEA對列出的底事件進行分析評定［10］。最后根據評定結果對分析對象做出可靠性評價和調整。從而對主要風險問題有針對性地解決，以提高新研發(fā)的電動調能機構的可靠性。

2 電動調能機構的FTA分析

故障樹分析方法（FTA）是20世紀60年代發(fā)展起來的用于大型復雜系統可靠性、安全性分析和風險評價的一種方法。它采用邏輯的方法，通過對可能造成系統故障的各種因素（包括硬件、軟件、環(huán)境、人為因素等）進行分析，畫出邏輯框圖（即故障樹），找出最小割集，以判明系統故障的根本原因，計算系統故障概率，進行定量分析，采取相應的糾正措施，提高系統可靠性。

位于故障樹最上部的事件叫做頂事件，一般為造成嚴重后果的故障事件或事故，是故障樹分析、研究的對象。位于故障樹各分支末端的事件叫做基本事件，它們是造成頂事件發(fā)生的最初始的原因。位于故障樹頂事件與基本事件之間的諸事件被稱為中間事件，它們是造成頂事件發(fā)生的原因，又是基本事件造成的結果。

2.1 故障樹建立

FTA法的步驟因評價對象、分析目的、精細程度等的不同而不同，但一般按如下步驟進行：1）故障樹的建造；2）建立故障樹的數學模型；3）定性分析；4）定量計算；5）綜合分析得出結論。目前最為普遍的構建故障樹的方法包含演繹與合成兩個方面，現階段一般都會使用前一種，人員通過具體操作可以更清楚了解系統故障產生的原因，并以排查到最末端代表完成。通常把系統的故障狀態(tài)作為頂事件，然后找出系統故障與導致系統故障諸因素之間的邏輯關系，并將這些關系用邏輯門表示出來，由上而下逐級分解，直到不能分解為止。這樣就建成一顆倒置的故障樹。建立故障樹流程圖如圖 1所示［11］。

圖1 故障樹建樹流程圖

故障樹要反映出系統故障的內在關系，同時應能使人一目了然，形象地掌握這種聯系并按此進行正確的分析。

根據電動調能機構的工作進行分析，把電動調能機構檔位調節(jié)失效作為頂事件，引起失效的最直接而必要的原因為控制系統故障、電動缸驅動故障和調節(jié)機構故障，然后以其為次頂事件，對其原因進行分析，建立以邏輯門符號表示的完整的故障樹，如圖2所示。

2.2 故障樹分析

故障樹中各底事件均為“或”的關系，每個底事件是一個最小割集。通過分析，控制系統所包含的過程比較復雜，引起故障的底事件較多，底事件重要性較高。其中針對螺紋連接松動，支承架連接螺母松動，微調螺桿松動，導軌材料剛度差等底事件已經采取了有效措施，可靠性已經得到提高，不再進行FMEA分析。列出重要底事件清單，如表1所示。

圖2 電動調能機構檔位調節(jié)失效故障樹

表1 重要底事件清單

由以上底事件中確定出FMEA分析對象，并對其進行FMEA分析。

3 電動調能機構的FMEA分析

故障模式影響分析（FMEA）是一種預防型質量管理方法，通過分析系統中每一產品所有可能產生的故障模式及其對系統造成的所有可能影響，在前期發(fā)現系統潛在的失效模式，為設計、制造、質量控制提供可行的對策，及早進行設計與制造過程的改進，提高產品質量［12～13］。

FMEA通過分析系統結構鑒別系統的每一個潛在的故障模式，分析引起故障的原因，然后利用統計方法估算評估指標嚴酷度（s），故障發(fā)生度（o）以及探測度（d），計算風險優(yōu)先值（RPN），根據RPN值的大小判斷系統是否有必要進行改進或者確定改進的優(yōu)先級別。

其中（S）是指潛在故障模式發(fā)生時，對系統造成的沖擊的嚴重程度。（O）是指某一故障在一段時間內出現的次數和頻率。（D）是指發(fā)現故障原因的難易程度，是故障可以被檢測出來的能力的指標。評估指標需要建立對應的評分等級，現階段1～10等級被廣泛應用［4］，一方面容易理解，另一方面計算精度也較為科學。

3.1 FMEA的分析流程

FMEA將每一個底事件相關的部件作為元件，對每一元件可能出現的故障模式和影響因素，通過經驗和數據討論來確定故障模式的嚴酷度、故障發(fā)生度、探測度的等級和評估標準。

對于嚴重度、發(fā)生度、和探測度的評價準則因FMEA表的類型不同而不同，電動調能機構用于發(fā)射動力系統能量調節(jié)時，其評價準則如表2～4所示。

圖3 FMEA分析步驟

表2 FMEA嚴重度評價準則

表3 FMEA發(fā)生度評價準則

表4 FMEA探測度評價準則

表5 電動調能機構潛在故障模式及效果分析（FMEA）表

3.2 電動調能機構的FMEA分析

將電動調能機構潛在故障模式及影響制成FMEA工作表（如表5），并請相關專業(yè)人員依據評估標準進行評估打分，最終確定失效模式的風險優(yōu)先度。

1）從表5中可以看出，電動缸調能機構最容易發(fā)生故障的部位是驅動器的接插件故障，由于設計中驅動器采用外置方案，與控制器和能量調節(jié)機構之間存在較多接口，人員操作過程中容易出現連接錯誤或者連接不牢固等情況，與實際作業(yè)中發(fā)生的故障情況吻合。

2）調節(jié)機構故障的底事件較多，這與調節(jié)機構組成較為復雜有關，在產品交付之前需要進行大量的調試試驗，機構運動表面容易被污染，導致調節(jié)機構整體性能受到影響，因此需要對調節(jié)機構進行簡化設計，控制調試環(huán)境，提高產品質量。

3）通過FMEA分析，風險優(yōu)先度最高的是紫銅墊圈腐蝕和磁鋼感應強度下降，出現故障的原因均是長期使用條件下元件的性能下降造成的，且故障的可探測度較差，反應了工位傳感器和位置信號反饋機構存在的潛在弱點。

4 結語

電動調能機構作為能量調節(jié)的核心部件，在電氣控制和能量調節(jié)機構設計方面，與之前的產品相比都變得更為復雜，因此其故障發(fā)生的可能性也大為提高。在FTA的基礎上運用FMEA，綜合分析其可靠性，充分發(fā)揮兩種方法的優(yōu)點，可以快速對潛在風險進行評估分析，找出設計中的薄弱環(huán)節(jié)，及時采取有針對性的措施，對提高產品的可靠性具有重大意義。