FMECA和FTA綜合分析法在動(dòng)密封系統(tǒng)中的應(yīng)用

FMECA和FTA綜合分析法在動(dòng)密封系統(tǒng)中的應(yīng)用

孫華1，唐曉慶2，李瑞2

(1. 海軍駐太原地區(qū)軍事代表室， 山西 太原 030027；2. 山西汾西重工有限責(zé)任公司， 山西 太原 030027)

摘要根據(jù)型號(hào)研制中航行器推進(jìn)系統(tǒng)動(dòng)密封結(jié)構(gòu)可靠性提升的實(shí)際需求，以某型產(chǎn)品動(dòng)密封結(jié)構(gòu)為例，應(yīng)用故障模式、影響及危害性分析(FMECA)和故障樹分析(FTA)綜合分析方法，結(jié)合GJB 1391和GJB 768中部分方法的適用性，給出了適用于工程的FMECA和FTA綜合分析法應(yīng)用實(shí)例。分析了動(dòng)密封結(jié)構(gòu)的失效模式和失效機(jī)理，確定了動(dòng)密封結(jié)構(gòu)的薄弱部位與薄弱環(huán)節(jié)，提出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)改進(jìn)與使用補(bǔ)償措施。

關(guān)鍵詞故障模式、影響及危害性分析；故障樹分析；動(dòng)密封結(jié)構(gòu)；可靠性提升

作者簡(jiǎn)介孫華(1969-)，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)檠b備可靠性。

中圖分類號(hào)TJ6

文章編號(hào)2095-3828(2015)06-0082-07

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

DOI10.3783/j.issn.2095-3828.2015.06.019

AbstractTo meet the demand on reliability enhancement of sealing structure of aircraft propulsion system in a model development, taking a certain model of product as example, the paper presents real cases of FMECA and FTA comprehensive analysis method applicable to the engineering with FMECA (Failure Mode, Effect and Criticality Analysis) and FTA (Failure Tree Analysis) after considering the practicability of some methods in GJB 1391 and GJB 768. The paper analyzes the failure mode and mechanism of dynamic sealing structure, determines the vulnerable parts and links of such structure and proposes relevant design improvement and useful compensating measures.

Keywordsfailure mode, effect and criticality analysis (FMECA); failure tree analysis (FTA); dynamic sealing structure; reliability enhancement

收稿日期2015-05-20

基金項(xiàng)目部委級(jí)資助項(xiàng)目

Application of FMECA and FTA Comprehensive Analysis

Method in Dynamic Sealing Structure

SUN Hua1，TANG Xiaoqing2,LI Rui2

(1. The Representatives Office of PLA Navy of China in Taiyuan， Taiyuan Shanxi 030027, China ；

2. Shanxi Fenxi Heavy Industry Company Limited, Taiyuan Shanxi 030027, China)

航行器推進(jìn)系統(tǒng)的主要功能是為水下航行器提供所需的推進(jìn)動(dòng)力，其動(dòng)密封結(jié)構(gòu)的可靠性直接影響裝備作戰(zhàn)任務(wù)的完成。因而，動(dòng)密封系統(tǒng)的可靠性研究受到人們的高度重視。動(dòng)密封結(jié)構(gòu)可靠性是航行器推進(jìn)系統(tǒng)的重要特性，動(dòng)密封結(jié)構(gòu)主要包括橡膠密封圈、內(nèi)軸、外軸、密封套、止退環(huán)等,以及機(jī)械零部件。由于失效機(jī)理復(fù)雜，失效分布多樣，載荷、材料性能等因素的分散性和隨機(jī)性，在動(dòng)密封可靠性分析方面具有一定的難度，因此如何科學(xué)合理、快速發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、使用中可能存在的潛在缺陷及薄弱環(huán)節(jié)，對(duì)提高產(chǎn)品的可靠性水平至關(guān)重要。

1FMECA和FTA綜合分析法的提出

FMECA方法本質(zhì)上是一種單因素分析法，這種對(duì)故障模式逐一進(jìn)行分析的方法，對(duì)于單點(diǎn)故障的分析得心應(yīng)手，但是對(duì)于多個(gè)因素共同作用或相互作用而產(chǎn)生某種影響的情況就難以分析。而FTA方法便于考慮多重故障，其特點(diǎn)是通過(guò)對(duì)可能造成產(chǎn)品故障的硬件、軟件、環(huán)境、人為因素等進(jìn)行分析，畫出故障樹，從而確定產(chǎn)品故障原因的各種組合方式。一般來(lái)說(shuō)，F(xiàn)MECA(故障模式影響分析)工作是FTA工作必不可少的基礎(chǔ)工作之一，只有認(rèn)真進(jìn)行了FMECA，將系統(tǒng)中所有故障模式都分析清楚了，所建故障樹的底事件才不致出現(xiàn)重大遺漏。從2種方法的特點(diǎn)分析中可看出：FTA可以彌補(bǔ)FMECA的某些多因素互相影響的不足，而FMECA又是FTA的基礎(chǔ)。因此，將兩者進(jìn)行綜合應(yīng)用，必將彌補(bǔ)兩者不足，產(chǎn)生更好的效果[1]。

本文采用FMECA與FTA綜合分析法，以自下而上、由因到果的邏輯歸納法，約定分析層次，確定影響動(dòng)密封結(jié)構(gòu)的失效模式，分析每一種故障(失效)模式對(duì)動(dòng)密封性能的影響，并對(duì)每種故障模式的嚴(yán)重程度及其發(fā)生概率所產(chǎn)生的綜合影響進(jìn)行分類；以自上而下圖形演繹法，以航行器推進(jìn)系統(tǒng)動(dòng)密封結(jié)構(gòu)失效為頂事件，全面綜合分析影響密封失效的溫度、轉(zhuǎn)動(dòng)速度、外壓、裝配等方面因素。在系統(tǒng)分析失效模式及失效機(jī)理的基礎(chǔ)上，對(duì)影響密封失效的各種因素提出設(shè)計(jì)措施或使用補(bǔ)償措施，其分析方法將為現(xiàn)役及新研的水下航行器推進(jìn)系統(tǒng)開展機(jī)械可靠性分析、可靠性試驗(yàn)和可靠性改進(jìn)等工作提供一定的理論依據(jù)。

2動(dòng)密封結(jié)構(gòu)組成與工作原理

動(dòng)密封結(jié)構(gòu)涉及的組件為聯(lián)軸器和軸組件，直屬零部件有壓環(huán)、密封套、制動(dòng)環(huán)Ⅰ、制動(dòng)環(huán)Ⅱ、支撐環(huán)、后支撐環(huán)、密封圈座和O形密封圈。動(dòng)密封特性主要指密封圈與推進(jìn)系統(tǒng)殼體在軸組件高速轉(zhuǎn)動(dòng)情況下仍能保持密封性能，動(dòng)密封結(jié)構(gòu)主要由O形密封圈實(shí)現(xiàn)軸與殼體轉(zhuǎn)動(dòng)之間的密封，如圖1所示。

工作原理：控制單元控制電機(jī)內(nèi)、外軸轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)聯(lián)軸器將力矩傳遞給內(nèi)、外軸組件。由于壓環(huán)的作用，裝好O形圈的密封套被壓緊在外軸內(nèi)表面的臺(tái)階處，跟隨外軸轉(zhuǎn)動(dòng)，內(nèi)外軸之間的密封圈起到了密封的作用。由于制動(dòng)環(huán)的作用，密封圈座被壓緊在后支撐環(huán)的臺(tái)階處，后支撐環(huán)與密封圈座、密封圈座與外軸組件之間的密封圈起到了密封作用。

圖1　動(dòng)密封結(jié)構(gòu)功能框圖

3動(dòng)密封系統(tǒng)故障模式、影響及危害性分析

動(dòng)密封結(jié)構(gòu)包括機(jī)械結(jié)構(gòu)件與橡膠密封件兩部分。

機(jī)械結(jié)構(gòu)件的主要失效模式包括與橡膠密封圈長(zhǎng)時(shí)間摩擦形成的累積磨損、疲勞應(yīng)力，當(dāng)磨損累積到一定程度時(shí)，機(jī)械結(jié)構(gòu)件失效。除設(shè)計(jì)因素外，在環(huán)境、裝配、使用、維護(hù)等方面均對(duì)密封結(jié)構(gòu)有一定影響[2]88。

O形圈密封用于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)存在的主要問(wèn)題為焦耳熱效應(yīng)，指處于拉伸狀態(tài)的橡膠遇熱產(chǎn)生收縮的現(xiàn)象。它使高速運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)軸與O形密封圈的接觸處產(chǎn)生摩擦熱，生成的熱量使接觸部位的溫度不斷上升，橡膠材料受熱后嚴(yán)重變形，壓縮量與拉伸量發(fā)生變化，加速密封材料老化，降低了O形密封圈的使用壽命。與軸摩擦的任何橡膠密封件，其允許伸張應(yīng)力值取決于接觸面積、密封壓差單位負(fù)載、軸表面光潔度以及采用的密封材料特性等[2]89。

3.1　任務(wù)剖面

動(dòng)密封結(jié)構(gòu)任務(wù)剖面如圖2所示。

圖2　動(dòng)密封結(jié)構(gòu)任務(wù)剖面

3.2　繪制任務(wù)可靠性框圖

動(dòng)密封結(jié)構(gòu)任務(wù)可靠性框圖如圖3所示[1,3]。

圖4　動(dòng)密封系統(tǒng)組成圖

圖3　動(dòng)密封結(jié)構(gòu)任務(wù)可靠性框圖

3.3　明確約定層次

本節(jié)采用硬件FMECA分析法，針對(duì)產(chǎn)品的硬件結(jié)構(gòu)層次關(guān)系劃分約定層次。動(dòng)密封系統(tǒng)的約定層次分為3層,如圖4所示[1，3]。

1) 初始約定層次為航行器推進(jìn)系統(tǒng)；

2) 約定層次為動(dòng)密封系統(tǒng)；

3) 分析層次按約定層次圖從組件到部件級(jí)，最低層次細(xì)化到零件級(jí)。

3.4　定義嚴(yán)酷度類別

依據(jù)GJB/Z 1391，嚴(yán)酷度類別是根據(jù)故障模式最終可能出現(xiàn)的人員傷亡、任務(wù)失敗、產(chǎn)品損壞(或經(jīng)濟(jì)損失)和環(huán)境損害等方面的影響程度進(jìn)行確定的。嚴(yán)酷度類別僅是按故障模式對(duì)“初始約定層次”的影響程度進(jìn)行確定的，嚴(yán)酷度類別的定義如表1所示[1,3]。

表1　嚴(yán)酷度類別及定義

3.5　動(dòng)密封結(jié)構(gòu)危害性分析

通過(guò)對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)動(dòng)密封結(jié)構(gòu)開展故障模式及影響分析(FMEA)、故障樹(FTA)分析可知，影響動(dòng)密封性能的因素包括水壓、轉(zhuǎn)速、裝配等，動(dòng)密封性能的關(guān)鍵零部件主要包括易損件O形密封圈和密封結(jié)構(gòu)件艉軸組件。

此處僅給出FMEA失效分析結(jié)果有關(guān)O形密封圈失效部分(如表2所示)作為簡(jiǎn)要示例[2,4]。實(shí)際工程應(yīng)用中，應(yīng)嚴(yán)格按照GJB/Z 1391中的第13頁(yè)“表11:功能及硬件故障模式及影響分析(FMEA)表”的格式進(jìn)行填寫，不得隨意增減內(nèi)容，若某項(xiàng)中的設(shè)計(jì)改進(jìn)措施或使用補(bǔ)償措施無(wú)對(duì)應(yīng)內(nèi)容，可填寫“無(wú)”。

嚴(yán)酷度為Ⅱ類單點(diǎn)故障模式清單，如表3所示[1,3]。

表2　O形密封圈失效分析表

表3　嚴(yán)酷度為Ⅱ類單點(diǎn)故障模式清單

初始約定層次：某型航行器推進(jìn)系統(tǒng) 任務(wù)：航行 審核：xxx 第1頁(yè) 共1頁(yè)

約定層次：00動(dòng)密封系統(tǒng) 分析人員：xxx 批準(zhǔn)：xxx 填表日期：xxxx年xx月xx日

3.6　分析結(jié)果

由表3可看出：推進(jìn)系統(tǒng)動(dòng)密封結(jié)構(gòu)嚴(yán)酷度為Ⅱ類的故障模式有7個(gè)，針對(duì)每一故障模式，均分析制定了設(shè)計(jì)改進(jìn)或使用補(bǔ)償措施。最需要采取改進(jìn)的是用于動(dòng)密封的O形密封圈和艉軸組件。在對(duì)動(dòng)密封圈進(jìn)行失效分析中，確定壓力變化及轉(zhuǎn)速變化對(duì)O形密封圈失效有影響，為項(xiàng)目開展可靠性分析、試驗(yàn)及改進(jìn)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

4動(dòng)密封系統(tǒng)故障樹分析

在對(duì)動(dòng)密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行故障模式、影響及危害性分析的基礎(chǔ)上，把最不希望發(fā)生的故障狀態(tài)(動(dòng)密封性能失效)作為故障分析的目標(biāo)，然后尋找直接導(dǎo)致這一故障發(fā)生的全部因素。

4.1　熟悉系統(tǒng)，選擇頂事件

在熟悉系統(tǒng)的功能、結(jié)構(gòu)、工作原理與使用條件的基礎(chǔ)上，明確系統(tǒng)正常與故障狀態(tài)的定義或它們之間的界限。故障樹分析法的目的是動(dòng)密封系統(tǒng)的可靠性，對(duì)系統(tǒng)不希望發(fā)生的故障事件有：動(dòng)密封性能失效、動(dòng)密封性能降低、密封處出現(xiàn)輕微滲漏，其中最嚴(yán)重的故障事件是動(dòng)密封性能失效，所以選定其為頂事件。

4.2　建立故障樹

從頂事件出發(fā)建立故障樹，逐級(jí)進(jìn)行分析，找出導(dǎo)致頂事件的所有可能直接原因，并逐級(jí)向下發(fā)展，直到找出引起系統(tǒng)失效的全部原因。對(duì)各級(jí)事件的定義簡(jiǎn)明、確切，當(dāng)所有中間事件被分解為底事件時(shí)，則故障樹建成,如圖5～圖9所示[5]。

圖5　“動(dòng)密封系統(tǒng)性能失效”故障樹分析圖

圖6　“與密封件接觸的密封面磨損”故障樹分析圖　　　　　圖7　“密封件1失效”故障樹分析圖

圖8　“外軸組件密封面磨損失效”故障樹分析圖　　　　　圖9　“密封件失效”故障樹分析圖

4.3　整理與簡(jiǎn)化

對(duì)所建故障樹進(jìn)行整理和簡(jiǎn)化，使其一目了然。規(guī)范后的故障樹如圖10所示。

圖10中各事件符號(hào)代表意義如下：E1—?jiǎng)用芊庀到y(tǒng)性能失效；E2—內(nèi)軸與外軸之間密封失效；E3—外軸與殼體之間密封失效；E4—內(nèi)軸組件密封面磨損，不能與密封件實(shí)現(xiàn)密封；E5—內(nèi)軸與密封套之間密封件失效；E6—外軸組件密封面磨損，不能與密封件實(shí)現(xiàn)密封；E7—外軸與殼體之間密封件失效；E8—與密封件1接觸的密封面磨損；E9—與密封件2接觸的密封面磨損；E10—密封件1失效；E11—密封件2失效；E12—與密封件5接觸的密封面磨損；E13—與密封件6接觸的密封面磨損；E14—密封件5失效；E15—密封件6失效。X1—與密封件1接觸的密封面達(dá)到使用壽命失效；X2—航行后維護(hù)保養(yǎng)不當(dāng)；X3—內(nèi)軸組件與外軸組件裝配時(shí)存在偏差；X4—軸承與內(nèi)軸組件裝配不當(dāng)增加磨損；X5—與密封件1接觸的密封面達(dá)到使用壽命失效；X6—O形圈拉伸量與壓縮量設(shè)計(jì)不當(dāng)；X7—設(shè)計(jì)時(shí)O形圈選型不當(dāng)，失效；X8—電機(jī)轉(zhuǎn)速提高加速磨損；X9—O形圈裝配不當(dāng)加速磨損；X10—航行過(guò)程中水中存在雜質(zhì)；X11—與密封件5接觸的密封面達(dá)到使用壽命失效；X12—支撐環(huán)與殼體的同軸度加工存在偏差；X13—軸承與艉軸組件裝配存在偏差；X14—與密封件6接觸的密封面達(dá)到使用壽命失效；X15—外軸組件與殼體裝配時(shí)存在偏差；X16—軸承與外軸組件裝配不當(dāng)增加磨損。

圖10　規(guī)范后的系統(tǒng)故障樹

4.4　用上行法求最小割集

上行法是從底事件開始，自下而上逐步地進(jìn)行事件集合運(yùn)算，將“或門”輸出事件表示為輸入事件的“并”(布爾和)，將“與門”輸出事件表示為輸入事件的“交”(布爾積)。故障樹頂事件可表示為

T=E1=E2+E3=E4+E5+E6+E7=E8E9+E10E11+E12E13+E14E15=X1X5+X1X2+X1X3+X1X4+X2X5+X2+X2X3+X2X4+X3X5+X3+X3X4+X4X5+X4+X6+X6X7+X6X8+X6X9+X6X3+X6X4+X6X10+X6X2+X7+X7X8+X7X9+X7X3+X7X4+X7X10+X7X2+X8+X8X9+X8X3+X8X4+X8X10+X8X2+X9+X9X3+X9X4+X9X10+X9X2+X3X10+X4X10+X10+X10X2+X11X14+X11X2+X11X12+X11X13+X2X14+X2X12+X2X13+X12X14+X12+X12X13+X13X14+X13+X6X15+X6X16+X7X15+X7X16+X8X15+X8X16+X9X15+X9X16+X15+X15X16+X15X10+X15X2+X16+X16X10+X16X2=X1X5+X11X14+X2+X3+X4+X6+X7+X8+X9+X10+X12+X13+X15+X16

式中，T表示最小割集。

4.5　根據(jù)計(jì)算結(jié)果，進(jìn)行定性分析

根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)還不足以推斷各底事件的故障概率值，所以不能做進(jìn)一步的定量分析，作以下定性比較：動(dòng)密封性能失效故障樹共14個(gè)最小割集，其中12個(gè)一階最小割集，2個(gè)二階最小割集。一階割集只包含一個(gè)底事件，也即只要這個(gè)底事件失效，系統(tǒng)即失效。二階割集包含2個(gè)底事件，這2個(gè)底事件同時(shí)失效，系統(tǒng)才失效。可見，12個(gè)一階割集的重要性較大，2個(gè)二階最小割集的重要性較小。因此，要提高動(dòng)密封的可靠性,必需首先提高所有一階割集中底事件的可靠性。

從動(dòng)密封結(jié)構(gòu)重要性來(lái)看，底事件X2、X3、X4、X6、X7、X8、X9、X10、X12、X13、X15、X16同等重要，也最重要，因?yàn)樗鼈冊(cè)谝浑A最小割集中均出現(xiàn)1次；底事件X1、X5、X11、X14重要性次之，因?yàn)樗鼈冊(cè)诙A最小割集中均出現(xiàn)1次。

動(dòng)密封結(jié)構(gòu)失效，應(yīng)從航行后維護(hù)保養(yǎng)不當(dāng)、內(nèi)軸組件與外軸組件裝配時(shí)存在偏差、軸承與內(nèi)軸組件裝配不當(dāng)增加磨損、O形圈拉伸量與壓縮量設(shè)計(jì)不當(dāng)、設(shè)計(jì)時(shí)O形圈選型不當(dāng)失效、電機(jī)轉(zhuǎn)速提高加速磨損、O形圈裝配不當(dāng)加速磨損、航行過(guò)程水中存在雜質(zhì)、支撐環(huán)與殼體的同軸度加工存在偏差、軸承與艉軸組件裝配存在偏差、外軸組件與殼體裝配時(shí)存在偏差、軸承與外軸組件裝配不當(dāng)增加磨損12方面分析原因；如果不是這些原因，則分析與密封件1、密封件2、密封件5、密封件6接觸的密封面磨損是否達(dá)到使用壽命。

4.6　制定設(shè)計(jì)改進(jìn)和使用補(bǔ)償措施

對(duì)動(dòng)密封結(jié)構(gòu)中部件及直屬零部件對(duì)動(dòng)密封性能影響的相互關(guān)系展開綜合分析，確定了動(dòng)密封結(jié)構(gòu)功能框圖(見圖1)和任務(wù)可靠性框圖(見圖3)，以航行器推進(jìn)系統(tǒng)動(dòng)密封失效為頂事件，開展了動(dòng)密封失效故障樹分析(FTA)，綜合分析了影響密封失效的設(shè)計(jì)、加工、裝配、使用等方面因素，分析底事件到零件級(jí)。綜合分析結(jié)果可知：影響動(dòng)密封性能的主要底事件包括:

1) 設(shè)計(jì)類。O形圈拉伸量與壓縮量設(shè)計(jì)不當(dāng)；O形圈材料選型不當(dāng)失效。

2) 加工裝配類。支撐環(huán)與殼體的同軸度加工存在偏差；軸承與艉軸組件裝配存在偏差；內(nèi)軸組件與外軸組件裝配時(shí)存在偏差；軸承與內(nèi)軸組件裝配不當(dāng)增加磨損；O形圈裝配不當(dāng)加速磨損。

3) 使用過(guò)程類。電機(jī)轉(zhuǎn)速提高加速磨損；航行過(guò)程水中存在雜質(zhì)；航行后維護(hù)保養(yǎng)不當(dāng)，海水腐蝕；達(dá)到使用壽命失效。

此故障樹的分析結(jié)論可以用于指導(dǎo)動(dòng)密封系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)和制定維護(hù)保養(yǎng)方案。對(duì)于設(shè)計(jì)類底事件可通過(guò)設(shè)計(jì)階段材料優(yōu)選、設(shè)計(jì)參數(shù)復(fù)核復(fù)算清除影響；對(duì)于加工裝配類底事件控制加工、裝配過(guò)程，由高級(jí)技師加工操作規(guī)程優(yōu)化消除影響；對(duì)于使用過(guò)程類底事件，可通過(guò)加強(qiáng)維護(hù)保養(yǎng)，消除海水腐蝕的影響。

5結(jié) 束 語(yǔ)

開展動(dòng)密封故障模式影響分析(FMECA)，有針對(duì)性地分析各零部件的故障模式、故障原因，并制訂了相應(yīng)的設(shè)計(jì)改進(jìn)和使用補(bǔ)償措施；以航行器動(dòng)密封系統(tǒng)失效為頂事件，開展了動(dòng)密封失效故障樹分析(FTA)，通過(guò)計(jì)算最小割集和定性分析，得出了影響動(dòng)密封性能的主要底事件，針對(duì)不同類別的底事件，提出了消除辦法。

通過(guò)對(duì)比嚴(yán)酷度為Ⅱ類單點(diǎn)故障模式清單和重要底事件清單(即12個(gè)一階最小割集)可以得出：動(dòng)密封系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)是動(dòng)密封圈，其次是艉軸組件與動(dòng)密封圈的接觸面；除了動(dòng)密封失效故障樹分析得出的14個(gè)重要底事件外，動(dòng)密封故障模式影響分析還得出壓力變化對(duì)動(dòng)密封性能也在一定程度上存在影響。

結(jié)合工程實(shí)踐，本論文的研究成果為水下裝備研制或改型開展航行器推進(jìn)系統(tǒng)可靠性計(jì)算分析、可靠性試驗(yàn)與評(píng)定、可靠性改進(jìn)等方面提供了具體的方法，為制定合理、科學(xué)的維護(hù)、維修周期提供理論依據(jù)，具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值及應(yīng)用前景。

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(編輯：田麗韞)