田敬

（衢州學(xué)院，浙江 衢州 324000）

0 引言

近幾年我國(guó)螺桿式空壓機(jī)的設(shè)計(jì)與制造技術(shù)的發(fā)展迅速，但是與國(guó)外先進(jìn)水平相比還是存在明顯的差距，遠(yuǎn)銷歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家的中高端螺桿空壓機(jī)經(jīng)客戶反饋其控制器的故障頻發(fā)。數(shù)據(jù)顯示，工作在室外環(huán)境下的柴動(dòng)螺桿式空壓機(jī)控制器的故障率為2%，即平均故障間隔時(shí)間（MTBF）為50 h；即使是工作在室內(nèi)環(huán)境的電動(dòng)螺桿式空壓機(jī)控制器的故障率也高達(dá)0.3%，即其MTBF為300 h左右，相對(duì)于一般電子產(chǎn)品的故障率為10-6的要求（MTBF為1 000 000 h）來(lái)說(shuō)，其故障率非常高，因此給企業(yè)帶來(lái)用戶滿意度下降、維修保養(yǎng)費(fèi)用高等問(wèn)題。

為了快速地響應(yīng)市場(chǎng)需求，縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)和維護(hù)費(fèi)用，本文以單級(jí)螺桿空壓機(jī)控制器KS系列的某型產(chǎn)品為例，結(jié)合用戶提供的故障數(shù)據(jù)，對(duì)控制器的易損模塊采用故障模式及影響分析（FMEA）的方法，對(duì)控制器在使用過(guò)程中的各種潛在的故障模式、故障原因進(jìn)行定性和定量分析。確定其故障模式的嚴(yán)酷度、故障發(fā)生頻率和不可探測(cè)程度，并計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先度（RPN）的值；根據(jù)RPN值的大小給出系統(tǒng)等級(jí)和評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，找到控制器易損模塊的薄弱環(huán)節(jié)和潛在的失效關(guān)鍵件，進(jìn)行故障精確定位，為開展薄弱環(huán)節(jié)的可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)研究提供了理論依據(jù)。

1 KS系列某型控制器FMEA的目的

FMEA是一種歸納分析方法，它可以分析系統(tǒng)中每一種產(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、檢測(cè)難易程度和發(fā)生頻度予以分類。其目的在于找出系統(tǒng)或產(chǎn)品潛在的失效及其影響，為設(shè)計(jì)、制造和質(zhì)量控制提供可行的消除或減少潛在失效發(fā)生的措施與對(duì)策，及早地進(jìn)行設(shè)計(jì)與制造過(guò)程的改進(jìn)，提高產(chǎn)品質(zhì)量[1]。FMEA的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 FMEA的結(jié)構(gòu)框圖

首先，需要對(duì)電路進(jìn)行功能模塊劃分，梳理出每個(gè)功能模塊所包含的元器件。明確每個(gè)元器件的故障模式和功能電路模塊的故障表現(xiàn)形式[2]，根據(jù)元器件的故障模式對(duì)功能模塊電路的影響，得到元器件的故障模式與功能電路故障模式之間的關(guān)系。然后，再根據(jù)功能模塊電路的故障模式對(duì)整體電路所產(chǎn)生的影響，得到功能模塊電路的故障模式與整體電路的故障模式之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。最后，得到元器件的故障模式與功能模塊電路故障模式，以及整體電路故障模式之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

2 KS系列某型控制器數(shù)?；旌想娐吩砀攀?/h2>

本文所研究的對(duì)象是單級(jí)噴油螺桿空壓機(jī)KS系列某型控制器數(shù)?；旌习寮?jí)電路，該電路的功能框圖如圖2所示，包含8個(gè)單元電路模塊，分別是：主控模塊、電源模塊、存儲(chǔ)模塊、數(shù)據(jù)采樣模塊、電平測(cè)試模塊、液晶屏和觸摸屏驅(qū)動(dòng)模塊，以及接口電路模塊。

圖2 KS系列某型控制器數(shù)?；旌想娐废到y(tǒng)功能框圖

a）主控模塊

主控模塊ECU由ARM芯片和相應(yīng)的輔助電路構(gòu)成，是該電路的核心部分，主要負(fù)責(zé)處理外部電路通過(guò)數(shù)據(jù)采集模塊傳輸進(jìn)來(lái)的信號(hào)，進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理；通過(guò)接口電路輸出給繼電器控制模塊，執(zhí)行相應(yīng)的操作，并將繼電器輸出模塊響應(yīng)結(jié)果通過(guò)接口電路模塊反饋給外部電路。

b）電源模塊

電源模塊主要由電壓轉(zhuǎn)換芯片構(gòu)成，負(fù)責(zé)將電源電壓轉(zhuǎn)換為各個(gè)功能模塊所需要的+36、+24、+18、+5、+3.3 V電壓。

c）存儲(chǔ)模塊

存儲(chǔ)模塊主要由內(nèi)部SRAM和外部FLASH閃存存儲(chǔ)芯片組成，負(fù)責(zé)對(duì)實(shí)時(shí)采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存；而且，主控模塊可以對(duì)存儲(chǔ)的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取和寫入。

d）數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊主要由ADC采樣芯片和數(shù)字通道隔離器芯片組成，負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采樣，并將采樣結(jié)果傳輸給主控電路模塊。

e）液晶顯示和觸控屏驅(qū)動(dòng)模塊

液晶顯示和觸控屏驅(qū)動(dòng)模塊是一種可接收觸頭等輸入訊號(hào)的感應(yīng)式液晶顯示裝置，當(dāng)接觸了屏幕上的圖形按鈕時(shí)，屏幕上的觸覺反饋系統(tǒng)可根據(jù)預(yù)先編程的方式來(lái)驅(qū)動(dòng)各種連結(jié)裝置，用于取代機(jī)械式的按鈕面板，并借由液晶顯示畫面制造出生動(dòng)的影音效果。

f）CAN總線和RS485通訊模塊

CAN總線和RS485通訊模塊可以快速、實(shí)時(shí)地通過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和編寫的程序從ECU主控芯片上讀取空壓機(jī)的轉(zhuǎn)速、氣壓、水溫、油位、氣溫、油壓、運(yùn)行時(shí)間、蓄電池電壓和運(yùn)行狀態(tài)等技術(shù)參數(shù)。

g）電平測(cè)試模塊

電平測(cè)試模塊主要用于對(duì)電平進(jìn)行測(cè)試。

h）接口電路模塊

接口電路模塊負(fù)責(zé)主控模塊與外部進(jìn)行通訊。

3 數(shù)據(jù)采集模塊和液晶顯示模塊故障信息整理

由于本文所研究的數(shù)模混合電路包含了8個(gè)功能模塊，涉及到上百個(gè)元器件，因此無(wú)法對(duì)所有的元器件及其故障模式一一列舉，本文選擇其中故障較頻發(fā)的數(shù)據(jù)采集模塊和液晶顯示模塊進(jìn)行分析研究。數(shù)據(jù)采集模塊和液晶顯示模塊的電路原理圖如圖3-5所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集模塊的電路原理圖

圖4 液晶顯示模塊電源電路原理圖

根據(jù)電路所包含的元器件，整理出這兩個(gè)功能模塊的故障信息清單，該信息清單包括元器件的類型、在原理圖中的標(biāo)志，以及元器件所包含的故障模式和故障產(chǎn)生的原因（即失效機(jī)理）。數(shù)據(jù)采集模塊和液晶顯示模塊的元器件故障信息清單如表1-2所示。

表1 數(shù)據(jù)采集模塊元器件故障信息清單

表2 液晶顯示模塊故障元器件信息清單

續(xù)表2

4 KS系列某型控制器數(shù)據(jù)采集模塊和液晶顯示模塊的FMEA過(guò)程

FMEA將每一個(gè)底事件相關(guān)的部件作為元件，對(duì)每一種元件可能出現(xiàn)的問(wèn)題及影響其工作的因素即故障模式和影響因素，通過(guò)經(jīng)驗(yàn)論證和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的方法來(lái)確定故障模式的嚴(yán)酷度（S）、故障發(fā)生頻率（O）和不可探測(cè)程度（D），并計(jì)算RPN（S×O×D）的值，最后根據(jù)RPN值的大小判斷系統(tǒng)等級(jí)和評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。其中，S是指潛在故障模式發(fā)生時(shí)，對(duì)下一道工序或系統(tǒng)影響后果的嚴(yán)重程度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。要減少故障后果的嚴(yán)重程度，只能通過(guò)修改設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)。一般分為災(zāi)難的、致命的、臨界的和輕微的等幾個(gè)等級(jí)，取值在1～10之間；O是指某一故障的起因或機(jī)理出現(xiàn)的可能性。一般可分為極高、高、中等和低等幾個(gè)等級(jí)，取值在1～10之間；D是指發(fā)現(xiàn)故障原因的難易程度，是探測(cè)故障模式或原因的能力的指標(biāo)，一般分為極難、難、可能和能等幾個(gè)等級(jí)，取值在1～10之間。KS系列某型控制器是單級(jí)螺桿空壓機(jī)的“靈魂大腦”，通過(guò)數(shù)據(jù)采集模塊和液晶顯示模塊對(duì)外部壓力、溫度、油位和轉(zhuǎn)速等重要數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和顯示，也是用戶反饋故障率比較高的2個(gè)模塊。對(duì)于嚴(yán)重度、發(fā)生度和難檢度的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則因FMEA表的類型不同而有些不同，KS系列某型控制器FMEA表的參數(shù)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則如表3-6所示。

表3 FMEA嚴(yán)酷度評(píng)價(jià)準(zhǔn)則

綜上所述，將KS系列某型控制器數(shù)據(jù)采集模塊和液晶顯示模塊的潛在失效模式、原因及影響制成FMEA表（如表7所示），并請(qǐng)相關(guān)專業(yè)人員依據(jù)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)估，最終確定失效模式的RPN。由表7可知如下結(jié)果。

表7 KS系列某型控制器潛在故障模式及效果分析（FMEA）表

a）首先，KS系列某型控制器數(shù)據(jù)采集模塊和液晶顯示模塊最容易發(fā)生故障的是數(shù)據(jù)采集模塊的光電耦合器、電阻和液晶顯示模塊中的儲(chǔ)能電容；其次，是整流二極管和肖特基二極管，這5個(gè)部位的故障頻率遠(yuǎn)高于其他部位。這與實(shí)際作業(yè)中傳感器和繼電器的信號(hào)失去控制和液晶屏出現(xiàn)線條和黑屏的故障情況相吻合。

表4 發(fā)生概率評(píng)價(jià)準(zhǔn)則

表5 FMEA探測(cè)度評(píng)價(jià)準(zhǔn)則

表6 故障等級(jí)（RPN）

續(xù)表7

b）通過(guò)FMEA，可找到該智能型制動(dòng)器的薄弱環(huán)節(jié)和潛在弱點(diǎn)，為接下來(lái)開展薄弱環(huán)節(jié)的可靠性增長(zhǎng)研究提出改進(jìn)措施，為防止或減少故障的發(fā)生提供了理論依據(jù)。

5 結(jié)束語(yǔ)

KS系列某型控制器作為單級(jí)螺桿空壓機(jī)的核心部件，由于其工作環(huán)境惡劣，溫度、濕度和振動(dòng)等干擾信號(hào)隨機(jī)變化和其數(shù)?；旌想娐饭δ苣K多，電子元器件復(fù)雜，其故障發(fā)生的可能性也相較于普通控制器大幅提高。用FMEA的方法分析其可靠性，既可以快速地找到最易引發(fā)故障的環(huán)節(jié)，又能減少所需分析的零部件數(shù)目，對(duì)于提高重要部件的可靠性具有重大的意義。