某車輛主離合器的故障分析

劉 喆，陶鳳和，賈長治，康海英

(軍械工程學院，河北 石家莊 050003)

故障模式影響及危害度分析(Failure Mode, Effect and Criticality Analysis,FMECA)是一種系統(tǒng)化的可靠性分析程序。故障模式影響分析(Fai-lure Mode Effect Analysis, FMEA)是通過對產(chǎn)品各組成單元潛在的各種故障模式及其對產(chǎn)品功能的影響進行分析，并把每一個潛在故障模式按它的嚴酷度予以分類，提出可以采用的預(yù)防性改進措施，以提高產(chǎn)品可靠性的一種分析方法。而FMECA是在FMEA的基礎(chǔ)上，對故障模式影響的嚴酷度進行量化以分析其危害度?，F(xiàn)有文獻中提供的傳統(tǒng)FMECA方法在應(yīng)用中存在以下不足[1]:

1)分析內(nèi)容和表格設(shè)計僅考慮了故障癥狀、故障模式、故障影響和故障嚴酷度等，未考慮故障特性分類、故障征兆與預(yù)測方法配置分類。

2)沒有確定用于故障預(yù)測的狀態(tài)管理技術(shù)方法。

3)缺少具體的故障影響預(yù)測分析方法，不便于工程應(yīng)用。

針對這些不足，本文介紹了擴展FMECA新增的故障演變特性分析、故障征兆分析、故障診斷與預(yù)測等分析內(nèi)容[2]，應(yīng)用這些分析內(nèi)容，可以有效地補充傳統(tǒng)FMECA方法的不足。

1 擴展FMECA

1.1 擴展FMECA的內(nèi)涵

擴展FMECA是在FMECA基礎(chǔ)上，采用故障診斷與預(yù)測方法，對故障模式的演變特性、故障癥狀和征兆進行分析，并進行故障診斷與預(yù)測覆蓋范圍定量評價的分析方法[3]。擴展FMECA與FMECA之間的差異對比如圖1所示。

1.2 擴展FMCEA新增分析內(nèi)容

1.2.1 故障演變特性分類

故障演變特性是指故障發(fā)生/發(fā)展過程的變化特性。根據(jù)常規(guī)的故障演變特性分類方式，可以將故障分為兩大類：突變故障和漸變故障。突變故障也稱為二值故障，是指簡單的故障/無故障情形[4]。漸變型故障是指產(chǎn)品的規(guī)定性能隨使用時間增加而逐漸衰退的情形，不僅可以進行檢測，也可以進行預(yù)測。擴展FMECA中將故障的演變特性細分為如下3種類型：

1)突變故障:故障演變時間極短的故障。

2)快速演變故障:故障演變時間小于裝備小修期的漸變故障。

3)慢速演變故障:故障演變時間大于裝備小修期的漸變故障。

1.2.2 故障癥狀/征兆分析

1.2.2.1 故障癥狀分析

進行故障癥狀分析是為確定相應(yīng)的故障診斷方法提供基礎(chǔ)。故障癥狀是指通過人們觀察和測量得到的對故障的感性認識，它可以指示具有一定概率的一種或多種故障的存在。

在FMECA中，已經(jīng)具有了與故障癥狀分析相似的內(nèi)容，即故障影響分析[5]。故障影響偏重于描述故障導(dǎo)致的功能、安全、任務(wù)成敗等方面的不良后果，其內(nèi)容往往不是對故障癥狀的描述。因此需要在FMECA的故障影響分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，進一步分析故障癥狀。

在進行故障癥狀分析時，應(yīng)注意以下原則：

1)故障癥狀具有傳遞特性時，應(yīng)根據(jù)故障隔離需求，確定癥狀的合理觀測位置。

2)條件允許時，盡可能列出多個不同類型的故障癥狀，以便進行癥狀和診斷方法的優(yōu)選。

3)如果一個故障模式具有多個故障癥狀，應(yīng)優(yōu)先選擇便于進行故障診斷/預(yù)測的故障癥狀進行后續(xù)分析。

1.2.2.2 故障征兆分析

進行故障征兆分析的目的是為確定相應(yīng)的故障預(yù)測方法提供基礎(chǔ)。故障征兆是指在故障模式演變的初期觀測到的故障外在表現(xiàn)[6]。對于漸變故障，除了分析故障發(fā)生后的故障癥狀，還需要分析故障發(fā)生之前的癥狀。通常是在故障癥狀分析的基礎(chǔ)上，從中選擇合適的癥狀類型來分析相應(yīng)的故障征兆。

1.2.3 故障診斷/預(yù)測方法分析

在故障癥狀/征兆分析基礎(chǔ)上，還需要分析確定相應(yīng)的故障診斷與故障預(yù)測方法。對于突變故障，只需確定故障診斷方法，對于快速演變故障和慢速演變故障，不僅需要確定故障診斷方法，還需要確定故障預(yù)測方法。

1.2.3.1 故障診斷方法分析

在FMECA中，已經(jīng)具有了與故障診斷方法分析相似的內(nèi)容，即故障檢測方法分析[7]?？梢曰诠收蠙z測方法分析結(jié)果，進一步整理確定故障診斷方法。

以車輛裝備為例，可以選用的故障診斷方法如表1所示。

表1 故障診斷方法

1.2.3.2 故障預(yù)測方法分析

目前故障預(yù)測評估方法有很多，其中最基本的方法有：解析法、模擬法、新型算法，其中解析法又包括故障模式后果分析法、最小路徑法、網(wǎng)絡(luò)等值算法、故障擴散法、故障遍歷算法；模擬法中包括時序蒙特卡羅模擬法；新型算法中包括人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、模糊數(shù)學評估法、貝葉斯方法、灰色預(yù)測等方法[8]。

2 擴展FMECA的實施流程

擴展FMECA方法實施流程的具體步驟如下：

1)故障模式基本信息確定。根據(jù)FMECA報告，確定被分析對象的產(chǎn)品名稱、故障模式，以及故障模式的嚴酷度等級和發(fā)生概率等級等基本信息。

2)故障演變特性分類。根據(jù)相似產(chǎn)品數(shù)據(jù)，分析每個故障模式的演變特性，將故障模式分類為突變故障、快速演變故障、慢速演變故障。

3)故障癥狀/征兆分析。根據(jù)FMECA報告的三級影響，結(jié)合相似產(chǎn)品數(shù)據(jù)、工作原理分析或仿真分析，確定故障模式的故障癥狀。對于快速演變故障、慢速演變故障，還需要確定出相應(yīng)故障征兆。

4)故障診斷/預(yù)測方法分析。根據(jù)選擇的故障癥狀/征兆，選擇相應(yīng)的故障診斷方法和故障預(yù)測方法，用于故障模式的診斷和預(yù)測。

5)故障預(yù)防措施分析。根據(jù)擴展FMECA分析內(nèi)容，綜合前面的分析結(jié)果，對產(chǎn)品故障的預(yù)防和檢修提出具體方法或措施，其方法實施流程如圖2所示。

3 案例分析

針對某車輛底盤傳動系統(tǒng)主離合器的設(shè)計需求，在傳統(tǒng)FMECA的基礎(chǔ)上，對其開展了擴展FMECA分析工作。

車輛底盤傳動系統(tǒng)主離合器的主要失效模式之一是離合器打滑，嚴酷度等級為Ⅲ，故障原因為踏板無自由行程、壓緊彈簧變形折斷和內(nèi)摩擦片有油污等。按照擴展FMECA方法的實施流程分析主離合器的故障模式。該型車輛底盤傳動系統(tǒng)主離合器系統(tǒng)的擴展FMECA分析見表2。

表2 擴展FMECA案例表格(部分)

通過對擴展FMECA分析內(nèi)容進行統(tǒng)計，該系統(tǒng)的故障模式總數(shù)為120，其中突變故障23個，快速演變故障26個，慢速演變故障71個。

4 結(jié)束語

擴展FMECA在傳統(tǒng)FMECA的基礎(chǔ)上新增了故障演變特性分析、故障征兆分析、故障診斷與預(yù)測方法的評價等分析內(nèi)容，在動態(tài)故障分析中有著傳統(tǒng)方法無法相比的優(yōu)勢，因此已經(jīng)成為目前故障診斷和預(yù)測初步分析的重要手段。本文對擴展FMECA的新增內(nèi)容進行了詳細的介紹，給出了擴展FMECA的分析實施流程，并以某型車輛主離合器為例進行故障模式分析，驗證了擴展FMECA方法在車輛底盤系統(tǒng)故障分析和診斷使用中的可行性。

[1] 徐凱，朱梅林.失效模式及影響分析中的模糊推理法[J]. 華中理工大學學報, 1999,27(9)：23-26.

XU Kai，ZHU Mei-lin. A Fuzzy method for failure modes and effects analysis[J]. Journal of Huazhong University of Science and Technology, 1999,27(9):23-26. (in Chinese)

[2] HAWKINS P G, WOOLLONS D J. Failure modes and effects analysis of complex engineering systems using functional nodes[J]. Artificial Intelligence in Engineering, 1998(12)：375-397.

[3] 鞠魯粵.故障模式影響與模糊風險分析及其程序研制[J]. 中國水利水電出版社, 1999,23 (2)：138-143.

JU Lu-yue. Failure mode and effect and fuzzy risk analysis procedures developed[J]. China Water Power Press, 1999, 23 (2):138-143. (in Chinese)

[4] SHEN T, WAN F T, CUI W M, et al. Application of prognostic and health management technology on aircraft fuel system[C]. Macau:2010 Prognostics & System Health Management Conference, 2010:1-7.

[5] 王德勝，楊建華. 裝甲車輛行駛原理[M].北京:裝甲兵工程學院,1997:11-231.

WANG De-sheng, YANG Jian-hua. Armored vehicles driving principle[M]. Beijing: Armored Force Engineering College, 1997: 11-23. (in Chinese)

[6] YEN J, LANGARI R. FUZZY LOGIC. Intelligence, control and information, prentice hall PTR[J]. Journal of the Structural Division, 1982: 235-241.

[7] WANG F. A nonlinear saturation model for salient-pole synchro-nousmachine in high performance drive applications[C]. Salt Lake City:IEEE Industry Applications Society Annual Meeting, 2003:906-910.

[8] 甘茂治，康建設(shè)，高崎. 軍用裝備維修工程學[M].北京：國防工業(yè)出版社, 2005:86-87.

GAN Mao-zhi, KANG Jian-she, GAO Qi. Military equipment maintenance engineering[M]. Beijing: National Defence Industrial Press, 2005:86-87. (in Chinese)