某新型艦船主推進(jìn)裝置監(jiān)控系統(tǒng)FMECA在維修性分析中的應(yīng)用

鐘 欣

（上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所 研發(fā)中心，上海200135）

0 引 言

故障模式、影響及危害性分析（Fail ure Mode Eff ects and Criticality Analysis，F(xiàn) MECA）方法起源于美國(guó)，從20世紀(jì)50年代初開始在航天領(lǐng)域應(yīng)用，其后逐漸在艦船、微電子等行業(yè)中推廣。我國(guó)從20世紀(jì)80年代開始引進(jìn)該方法，目前在航空航天、艦船車輛、武器裝備等方面得到大量應(yīng)用。我國(guó)艦船主推進(jìn)裝置監(jiān)控系統(tǒng)雖然在裝備的可靠性、維修性方面做了很多工作，但在裝備設(shè)計(jì)中，主要還是依靠設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)和后期的試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證裝備的可靠性、維修性水平。

隨著新型主推進(jìn)裝置監(jiān)控系統(tǒng)在我國(guó)艦船上逐步開始列裝，使用中出現(xiàn)的問(wèn)題將逐漸增多，而傳統(tǒng)的維修性分析方法主觀性強(qiáng)、實(shí)施難度大，迫切需要新的分析方法來(lái)提高維修性分析水平。通過(guò)FMECA維修性信息分析和維修過(guò)程FMECA，可以將主推進(jìn)裝置監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的故障數(shù)據(jù)信息、維修過(guò)程中潛在故障信息與其固有的可靠性結(jié)合起來(lái)進(jìn)行綜合的維修性分析，制定相應(yīng)的維修措施和設(shè)計(jì)改進(jìn)方案，以提高維修效率和維修安全，提升裝備的可靠性和維修水平。

1 FMECA在維修性分析中的應(yīng)用步驟

1.1 FMECA與維修性分析的關(guān)系

FMECA先確定產(chǎn)品所有可能的故障，根據(jù)對(duì)故障模式的分析，確定每一故障對(duì)產(chǎn)品工作的影響，并對(duì)單點(diǎn)故障，按故障模式的嚴(yán)酷度及其發(fā)生概率，確定其危害性。維修性分析是從產(chǎn)品維修的角度出發(fā)，考慮產(chǎn)品具備好修、易修的特性。

F MECA與維修性分析工作之間存在如下關(guān)系：

（1）利用FMECA結(jié)果，針對(duì)故障的基本維修措施進(jìn)一步確定維修性的設(shè)計(jì)與分析要求；

（2）利用F MEACA技術(shù)，研究維修中由于人－機(jī)交互而引發(fā)“新”的故障模式，并進(jìn)行相應(yīng)的F MECA，從而為維修性設(shè)計(jì)分析中的可達(dá)性設(shè)計(jì)、維修安全、防差錯(cuò)措施以及維修中人素工程要求等方面提供信息。

因此，F(xiàn) MECA給出的故障模式及其相應(yīng)的維修措施是開展維修性分析的輸入條件；F MECA給出的故障模式嚴(yán)酷度可作為開展維修性權(quán)衡時(shí)的依據(jù)之一；FMECA給出的設(shè)計(jì)改進(jìn)可作為維修性設(shè)計(jì)分析的參考內(nèi)容。

1.2 FMECA在維修性分析中的應(yīng)用步驟

1）根據(jù)GJB1391－92《故障模式、影響及危害性分析程序》的規(guī)定，完成產(chǎn)品FMECA。

2）開展FMECA維修性信息分析。基于工程經(jīng)驗(yàn)等方法，應(yīng)用產(chǎn)品FMECA，填寫FMECA維修性信息分析表。依據(jù)此分析表的輸出，獲取“基本維修措施”以及“最小設(shè)備清單”等信息，開展維修性分析，進(jìn)一步考慮維修性的定性、定量要求。例如，“基本維修措施”中指出更換某部件，在該部件拆卸時(shí)，應(yīng)根據(jù)其結(jié)構(gòu)安裝特性提出可達(dá)性、人素要求等。

3）開展維修過(guò)程FMECA工作。結(jié)合其他維修過(guò)程相關(guān)信息，開展維修過(guò)程的FMECA，研究輸入信息的分類與來(lái)源，制定適用的分析表格形式，定義維修過(guò)程的“故障模式”，分析不同維修活動(dòng)的相互影響以及界定相應(yīng)的“嚴(yán)酷度”。

F MECA在維修性設(shè)計(jì)分析中的應(yīng)用步驟見圖1。

圖1 FMECA在維修性分析中的應(yīng)用步驟

2 主推進(jìn)裝置監(jiān)控系統(tǒng)簡(jiǎn)介

2.1 系統(tǒng)的任務(wù)功能

該新型艦船主推進(jìn)裝置監(jiān)控系統(tǒng)，是對(duì)主推進(jìn)裝置實(shí)施自動(dòng)控制、半自動(dòng)控制、手動(dòng)控制、安全保護(hù)和監(jiān)測(cè)報(bào)警，保障本船主推進(jìn)裝置根據(jù)操作人員的車令及指令安全可靠運(yùn)行，同時(shí)將主推進(jìn)裝置運(yùn)行參數(shù)信息傳輸給綜合平臺(tái)管理系統(tǒng)。

2.2 系統(tǒng)功能框圖

為了描述系統(tǒng)各功能單元的工作情況、相互關(guān)系以及功能邏輯順序，分別繪制控制分系統(tǒng)功能圖（見圖2）和監(jiān)測(cè)分系統(tǒng)功能圖（見圖3）。

圖2 主推進(jìn)裝置監(jiān)控系統(tǒng)控制分系統(tǒng)功能圖

圖3 主推進(jìn)裝置監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測(cè)分系統(tǒng)功能圖

控制分系統(tǒng)主要由主車鐘、遙控操作板、遙控操作顯示模塊、遙控控制模塊、電子調(diào)速模塊和開關(guān)量輸入模塊組成。主車鐘負(fù)責(zé)車令聯(lián)絡(luò)和控制發(fā)訊；遙控操作板負(fù)責(zé)主機(jī)遙控指令的發(fā)送；遙控操作顯示模塊顯示和上傳遙控操作信息；遙控控制模塊和電子調(diào)速模塊完成主機(jī)起／?？刂啤⒙菥嗫刂?、離合器控制和轉(zhuǎn)速控制；開關(guān)量輸入模塊實(shí)現(xiàn)起動(dòng)聯(lián)鎖、離合器狀態(tài)等開關(guān)量信號(hào)的采集與上傳。

監(jiān)測(cè)分系統(tǒng)主要由I／O采集模塊、顯示操作類模塊和以太網(wǎng)交換機(jī)組成。I／O采集模塊包括熱電偶輸入模塊、熱電阻輸入模塊、開關(guān)量輸入模塊、脈沖量輸入模塊和電壓電流輸入模塊，負(fù)責(zé)采集主機(jī)、齒輪箱、調(diào)距槳的熱工參數(shù)和報(bào)警信息。顯示操作類模塊包括現(xiàn)場(chǎng)顯控模塊和C PCI（Compact Peripheral Co mponent Interconnect）計(jì)算機(jī)，現(xiàn)場(chǎng)顯控模塊完成下層監(jiān)測(cè)控制器域網(wǎng)（Contr oller Area Net wor k，CAN）的數(shù)據(jù)匯集、數(shù)據(jù)處理和向上層以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳送，CPCI計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)主推進(jìn)裝置的監(jiān)測(cè)顯示和報(bào)警。

2.3 系統(tǒng)可靠性方框圖

把復(fù)雜的主推進(jìn)裝置監(jiān)控系統(tǒng)劃分為具有獨(dú)立任務(wù)功能的分系統(tǒng)，利用可靠性框圖表示各組成部件的故障或其組合與分系統(tǒng)可靠性之間的關(guān)系（見圖4）。主推進(jìn)裝置監(jiān)控系統(tǒng)控制分系統(tǒng)可靠性框圖為串并聯(lián)結(jié)構(gòu)，單臺(tái)主車鐘或遙控操作板失效不會(huì)造成系統(tǒng)控制功能失效，但其它任一部件失效都將影響系統(tǒng)控制功能。同樣，主推進(jìn)裝置監(jiān)測(cè)分系統(tǒng)可靠性框圖也為串并聯(lián)結(jié)構(gòu)（見圖5）。

圖4 主推進(jìn)裝置監(jiān)控系統(tǒng)控制分系統(tǒng)可靠性框圖

圖5 主推進(jìn)裝置監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測(cè)任務(wù)可靠性框圖

3 FMECA維修性信息分析表

根據(jù)GJB1391－92《故障模式、影響及危害性分析程序》的要求和F MECA所產(chǎn)生的信息，對(duì)主推進(jìn)裝置監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行FMECA維修性信息分析（見表1）。

3.1 代碼

為了使每一故障模式及其與相應(yīng)的方框圖內(nèi)標(biāo)志的功能關(guān)系清晰明確，在F MECA維修性信息分析表中注明主推進(jìn)裝置監(jiān)控系統(tǒng)中被分析各部件的代碼。

3.2 產(chǎn)品或功能標(biāo)志

進(jìn)行FMECA分析的主推進(jìn)裝置監(jiān)控系統(tǒng)各個(gè)部件的具體名稱，如：主車鐘、遙控控制模塊、CPCI計(jì)算機(jī)等。

3.3 功能

被分析部件所需完成的任務(wù)功能，包括各部件的功能及其與接口設(shè)備的相互關(guān)系。根據(jù)進(jìn)行FMECA分析的主推進(jìn)裝置監(jiān)控系統(tǒng)各個(gè)部件的定義，確定每個(gè)部件所需實(shí)現(xiàn)的主要功能，如遙控操作板實(shí)現(xiàn)對(duì)主推進(jìn)裝置發(fā)送遙控指令。

3.4 故障模式

故障所表現(xiàn)的具體形式為故障模式。根據(jù)系統(tǒng)的功能描述及故障判據(jù)信息，確定主推進(jìn)裝置監(jiān)控系統(tǒng)各部件所有可預(yù)測(cè)的和潛在的故障模式。

表1 FMECA維修性信息分析示例（對(duì)控制分系統(tǒng)而言）初始約定層次：某型艦船主推進(jìn)裝置 任務(wù)：監(jiān)控主推進(jìn)裝置約定層次：監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備（控制分系統(tǒng)） 分析人員：鐘欣

3.5 故障原因

分析造成故障產(chǎn)生的各種相關(guān)原因，包括直接導(dǎo)致主推進(jìn)裝置監(jiān)控系統(tǒng)故障或引起使系統(tǒng)性能降低進(jìn)一步發(fā)展為故障的一些物理或化學(xué)過(guò)程、設(shè)計(jì)缺陷或操作使用不當(dāng)?shù)取?/p>

3.6 故障影響

評(píng)估每一假設(shè)的故障模式對(duì)主推進(jìn)裝置監(jiān)控系統(tǒng)的使用、功能或運(yùn)行狀態(tài)所導(dǎo)致的各種后果。包括對(duì)當(dāng)前所分析約定層次產(chǎn)品的影響（局部影響），還包括對(duì)當(dāng)前所分析約定層次高一層次產(chǎn)品的影響（高一層次影響），以及對(duì)最高約定層次產(chǎn)品的影響（最終影響）。如電子調(diào)速模塊輸出錯(cuò)誤對(duì)自身影響為模塊失效，對(duì)主推進(jìn)裝置的影響為不能控制主機(jī)轉(zhuǎn)速。

3.7 嚴(yán)酷度類別

根據(jù)故障影響確定每一故障模式對(duì)系統(tǒng)的嚴(yán)酷度類別。嚴(yán)酷度分為Ⅰ類（災(zāi)難的），Ⅱ類（致命的），Ⅲ類（臨界的），Ⅳ類（輕度的）。

3.8 故障檢測(cè)方法

故障檢測(cè)方法是說(shuō)明操作人員采用目視檢查、聲響報(bào)警或者其他顯示裝置等手段來(lái)檢測(cè)和定位某一故障模式的方法。

3.9 基本維修措施

針對(duì)故障檢測(cè)方法，維修人員排除此故障模式所需采取的維修工作和維修后可能出現(xiàn)的校準(zhǔn)和調(diào)節(jié)。如更換主車鐘后需要重新對(duì)準(zhǔn)駕控室與集控室車令的位置。

3.1 0 是否屬于最少設(shè)備清單

是否屬于最少設(shè)備清單是一種衡量產(chǎn)品重要程度的手段。當(dāng)某種部件失效時(shí)，在遵守清單所列限制的前提下，系統(tǒng)允許使用。如遙控控制模塊功能失效將引起監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)主推進(jìn)裝置單軸遙控控制的失效，因此該模塊屬于最少設(shè)備清單。

4 維修過(guò)程FMECA

根據(jù)主推進(jìn)裝置監(jiān)控系統(tǒng)的需要，對(duì)比較重要的或?qū)S修性影響較大的故障模式可以進(jìn)一步開展維修過(guò)程的FMECA工作（見表2）。

4.1 過(guò)程

完成某一項(xiàng)維修任務(wù)的操作過(guò)程具體步驟。

4.2 潛在維修過(guò)程操作錯(cuò)誤模式

操作錯(cuò)誤模式是維修操作錯(cuò)誤的具體表現(xiàn)形式，包含維修操作過(guò)程中潛在的各種問(wèn)題，包括人為問(wèn)題、產(chǎn)品問(wèn)題以及人機(jī)交互問(wèn)題等。如人為采用了主車鐘錯(cuò)誤的維修操作步驟，可能造成操作人員不小心將電源插頭誤插入其他接口，從而損壞主車鐘內(nèi)部其它電路元件。

4.3 潛在操作錯(cuò)誤原因

潛在操作錯(cuò)誤原因是分析和說(shuō)明為何發(fā)生操作錯(cuò)誤的問(wèn)題。

4.4 故障模式嚴(yán)酷度等級(jí)（S）

根據(jù)維修過(guò)程某個(gè)潛在操作錯(cuò)誤模式對(duì)維修任務(wù)造成的影響后果來(lái)確定其嚴(yán)酷度等級(jí)。嚴(yán)酷度等級(jí)（S）采用1～10級(jí)的評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，“1級(jí)”表示微小影響，“10級(jí)”表示最嚴(yán)重的影響。如表2中“5級(jí)”表示維修輕微中斷，主車鐘需要返修。

4.5 故障模式發(fā)生概率等級(jí)（O）

根據(jù)維修過(guò)程某個(gè)潛在操作錯(cuò)誤模式發(fā)生的可能性來(lái)確定其概率等級(jí)。發(fā)生概率等級(jí)（O）是一個(gè)相對(duì)的等級(jí)，采用1級(jí)～10節(jié)的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，“1級(jí)”表示故障模式發(fā)生的可能性極小，“10級(jí)”表示故障模式發(fā)生的可能性極大。如表2中“5級(jí)”表示原因?qū)е孪嚓P(guān)故障模式發(fā)生的可能性為中等（相似的維修發(fā)生的偶然故障）。

4.6 故障模式的被檢測(cè)難度等級(jí)（D）

根據(jù)維修過(guò)程某個(gè)潛在操作錯(cuò)誤模式不能被探測(cè)出的可能性來(lái)確定其被檢測(cè)難度等級(jí)。被檢測(cè)難度等級(jí)（D）也是一個(gè)相對(duì)比較的等級(jí)，采用1～10級(jí)的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，“1級(jí)”表示故障被檢測(cè)的難度很小，“10級(jí)”表示故障被檢測(cè)的難度極大。如表2中“6級(jí)”表示故障模式在最后檢查或最后操作時(shí)被發(fā)現(xiàn)，探測(cè)情況低。

4.7 時(shí)間因素

根據(jù)某個(gè)錯(cuò)誤模式對(duì)完成部件維修造成的影響，確定該模式對(duì)于完成整個(gè)維修任務(wù)時(shí)間上所造成的延誤。如主車鐘維修過(guò)程發(fā)生錯(cuò)誤的維修操作后，需要先拆卸已受損備件的緊固件和連接線纜，其次重新檢查新的備品備件，確定新的備品備件可用后，接著根據(jù)不同接口連接對(duì)應(yīng)的線纜，再進(jìn)行新備品備件緊固件的安裝。完成上述過(guò)程所需時(shí)間是錯(cuò)誤的維修操作模式對(duì)完成整個(gè)維修任務(wù)的時(shí)間延誤。

4.8 風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)RPN

根據(jù)S、O、D這3部分的乘積（RPN＝S×O×D），確定維修錯(cuò)誤模式發(fā)生的可能性及其后果嚴(yán)重程度的綜合度量。RPN值越大，即該維修錯(cuò)誤模式的危害性就越大。

表2 維修過(guò)程FMECA示例（對(duì)主車鐘而言）維修產(chǎn)品名稱：主車鐘 維修任務(wù)：更換主車鐘 分析人員：鐘欣所屬系統(tǒng)：主推進(jìn)裝置監(jiān)控系統(tǒng) 維修級(jí)別：艦員級(jí)

4.9 采取措施

針對(duì)某個(gè)潛在維修過(guò)程的操作錯(cuò)誤模式，從降低嚴(yán)酷度、發(fā)生概率和被檢測(cè)難度的等級(jí)出發(fā)，制定的所有設(shè)計(jì)改進(jìn)措施，包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)、產(chǎn)品維修規(guī)程以及維修人員訓(xùn)練防護(hù)等方面。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)FMECA方法在維修性分析中的應(yīng)用，獲取了某新型艦船主推進(jìn)裝置監(jiān)控系統(tǒng)中各部件的故障模式和對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響，以及維修過(guò)程中潛在的操作錯(cuò)誤模式和對(duì)維修作業(yè)的影響，為有針對(duì)性地、全面客觀地制定維修性定性定量要求、維修性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、維修計(jì)劃以及保障性分析提供了豐富而有效的信息。應(yīng)用FMECA方法開展系統(tǒng)維修性分析，提高了系統(tǒng)的維修性水平。

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