馮輔周， 羅建華， 劉遠(yuǎn)宏， 江鵬程

(1.裝甲兵工程學(xué)院機(jī)械工程系 北京，100072)(2.武警工程大學(xué)裝備工程學(xué)院 西安，700086)

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?專家論壇?

基于系統(tǒng)功能-結(jié)構(gòu)-故障模型的FMMEA分析方法*

馮輔周1， 羅建華1， 劉遠(yuǎn)宏2， 江鵬程1

(1.裝甲兵工程學(xué)院機(jī)械工程系 北京，100072)(2.武警工程大學(xué)裝備工程學(xué)院 西安，700086)

針對(duì)傳統(tǒng)故障模式及影響分析(failure mode and effects analysis，簡(jiǎn)稱FMEA)不能識(shí)別裝備或零部件的故障機(jī)理，其故障原因分析、故障影響推理及潛在故障模式識(shí)別能力較弱，故障信息描述不規(guī)范等導(dǎo)致的分析效率低、可信度差、分析結(jié)果重復(fù)使用性差等問(wèn)題，提出一種新的故障機(jī)理、模式及影響分析(failure mode, mechanism and effects analysis，簡(jiǎn)稱FMMEA)方法。首先，根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能及其內(nèi)部物質(zhì)流、能量流、信號(hào)流、部件故障等信息建立系統(tǒng)的功能-結(jié)構(gòu)-故障模型；其次，采用模糊認(rèn)知圖推理分析各故障模式的傳播途徑及影響，得到規(guī)范化的故障模式及影響分析表格，可為系統(tǒng)的可靠性、測(cè)試性設(shè)計(jì)與分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；最后，以某燃油供給系統(tǒng)為例進(jìn)行了FMMEA分析，驗(yàn)證了該方法的可行性和有效性。

功能-結(jié)構(gòu)-故障模型； 故障模式； 故障機(jī)理； 模糊認(rèn)知圖

引 言

FMEA是通過(guò)系統(tǒng)分析零件、元器件、設(shè)備可能的故障模式、故障原因及后果來(lái)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、使用等過(guò)程中的薄弱環(huán)節(jié)，進(jìn)行針對(duì)性的改進(jìn)以提高裝備可靠性。FMEA廣泛應(yīng)用于裝備潛在設(shè)計(jì)缺陷識(shí)別、危害度評(píng)估和維修計(jì)劃制定。對(duì)FMEA數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋４婧透?，還可被用作裝備測(cè)試性和維修性設(shè)計(jì)的輸入知識(shí)。傳統(tǒng)的FMEA通常按照設(shè)備的研制生產(chǎn)流程劃分為功能FMEA、硬件FMEA、過(guò)程FMEA、工藝FMEA等，主要由專家依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范進(jìn)行定性歸納，填寫FMEA表格，包括系統(tǒng)的組成單元、功能、潛在故障模式、故障影響及故障原因等[1]。傳統(tǒng)FMEA分析以專家經(jīng)驗(yàn)為主，不能識(shí)別裝備或零部件故障機(jī)理，對(duì)故障原因分析、故障影響推理及潛在故障模式識(shí)別能力較弱，相關(guān)故障信息描述不規(guī)范，零部件故障模式與故障物理過(guò)程混淆，其結(jié)果是FMEA表格中可能采用同一方式描述不同故障，或采用不同方式描述同一故障，使得FMEA分析效率低、可信度差、分析結(jié)果重復(fù)使用性差[2]。

FMMEA最早由美國(guó)馬里蘭大學(xué)計(jì)算機(jī)輔助全壽命周期工程中心提出[3]，是研究產(chǎn)品的每個(gè)組成部分可能存在的故障模式和故障機(jī)理，并確定各個(gè)故障模式對(duì)產(chǎn)品其他組成部分和功能影響的分析方法。FMMEA更為注重故障機(jī)理的研究，是一種基于物理故障過(guò)程的故障原因及故障機(jī)理分析方法，可為裝備測(cè)試性分析和故障預(yù)測(cè)與健康管理(prognosis and health management, 簡(jiǎn)稱PHM)提供依據(jù)。Ganesan[4]歸納了FMMEA的步驟以及在PHM中的應(yīng)用，對(duì)比了FMMEA與FMEA的區(qū)別，并給出了其實(shí)施方法。為了解決現(xiàn)有分析方法存在的故障描述不規(guī)范、專家經(jīng)驗(yàn)依賴性強(qiáng)的問(wèn)題，筆者提出一種基于功能-結(jié)構(gòu)-故障模型的FMMEA分析方法，即根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能及其內(nèi)部物質(zhì)流、能量流、信號(hào)流等信息，采用功能基方法建立系統(tǒng)功能-結(jié)構(gòu)模型，在此基礎(chǔ)上添加部件故障信息，進(jìn)而構(gòu)建系統(tǒng)的功能-結(jié)構(gòu)-故障模型，然后采用模糊認(rèn)知圖推理分析各故障模式的傳播途徑及影響。

1 功能-結(jié)構(gòu)-故障模型

功能-結(jié)構(gòu)-故障模型包含了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能及故障信息，其建模流程如圖1所示。

圖1 功能-結(jié)構(gòu)-故障模型構(gòu)建流程Fig.1 Flowchart of function-structure-fault model

1) 依據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，定義系統(tǒng)層次和組成列表，確定子系統(tǒng)、部件等。

2) 建立功能模型。功能基方法采用了“元功能+流”的表示形式，將部件或系統(tǒng)功能看作是輸入與輸出功能對(duì)象間的關(guān)系，當(dāng)輸入轉(zhuǎn)換為輸出時(shí)，顯示出特定的功能。流描述了輸入和輸出功能對(duì)象，流屬性描述了輸入和輸出功能對(duì)象的狀態(tài)參數(shù)[5-6]。Hirtz等[7]擴(kuò)展了對(duì)功能的基本理解，將功能和流的分類進(jìn)行區(qū)別與比較后，將它們?nèi)诤辖y(tǒng)一起來(lái)，建立了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)功能基詞庫(kù)，該功能基在很大程度上覆蓋了工程設(shè)計(jì)活動(dòng)。在該功能基中，流分為物質(zhì)流、能量流和信號(hào)流等3類；功能則分為分支、導(dǎo)向、連接、控制大小、轉(zhuǎn)換、供應(yīng)、信號(hào)和支持等8類。系統(tǒng)、子系統(tǒng)和部件的功能模型如圖2所示，采用功能基方法來(lái)定義系統(tǒng)或部件的功能時(shí)，需依據(jù)其實(shí)際功能確定其元功能及流形式。由于元功能只能表示類別，不能表示量化要求，而在具體操作過(guò)程中量化要求是通過(guò)流發(fā)生作用的。通過(guò)鏈接部件或系統(tǒng)內(nèi)部輸入輸出流屬性描述輸出參數(shù)與輸入?yún)?shù)間的因果關(guān)系，構(gòu)建部件和系統(tǒng)的功能模型。這種因果關(guān)系主要包括正負(fù)極性關(guān)系，即輸入?yún)?shù)增大導(dǎo)致輸出參數(shù)變大、變小或不變的關(guān)系。

圖2 系統(tǒng)、子系統(tǒng)、部件的功能模型Fig.2 Function model of a system,subsystem ang component

3) 建立部件間的功能鏈接。根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及內(nèi)部物質(zhì)、能量、信號(hào)流的傳遞途徑鏈接交互作用的部件或子系統(tǒng)，最終得到系統(tǒng)的功能-結(jié)構(gòu)模型。在模型中只能鏈接部件或子系統(tǒng)間的同種流，系統(tǒng)功能確定后，整個(gè)系統(tǒng)的內(nèi)部流及其屬性依據(jù)子系統(tǒng)和部件間鏈接形成。

4) 確定故障模式及機(jī)理。依據(jù)GJB451A-2005《可靠性維修性和保障性術(shù)語(yǔ)》，故障定義為產(chǎn)品不能執(zhí)行規(guī)定功能的狀態(tài)，通常指功能故障[8]。依據(jù)美軍標(biāo)MIL-STD-1629A，故障應(yīng)描述構(gòu)成件不能完成規(guī)定功能的方式，通常描述故障產(chǎn)生原因及其對(duì)設(shè)備運(yùn)行的影響，研制方應(yīng)以構(gòu)成件性能參數(shù)和輸出參數(shù)取值范圍為指標(biāo)說(shuō)明構(gòu)成件故障的判斷標(biāo)準(zhǔn)[9]。由此可見，故障描述時(shí)不僅要包含故障原因、故障機(jī)理及故障特征等故障物理過(guò)程，而且還要包含故障影響。其中故障影響不僅要說(shuō)明故障影響哪些功能，且要求描述可通過(guò)哪些特定參數(shù)來(lái)測(cè)量。傳統(tǒng)的故障描述，例如破損和泄露，并不能滿足上述要求，因此筆者將故障分為功能故障和故障物理過(guò)程：功能故障主要指系統(tǒng)或部件的流屬性值異常變化；故障物理過(guò)程主要是指系統(tǒng)的組成部件或零件物理故障，包括故障模式、故障機(jī)理和故障原因，并采用Tumer等[10]提出的標(biāo)準(zhǔn)故障術(shù)語(yǔ)描述。在功能-結(jié)構(gòu)模型基礎(chǔ)上，依據(jù)系統(tǒng)或部件中故障物理過(guò)程，在部件中依次添加故障原因、故障機(jī)理和故障物理狀態(tài)，建立部件故障圖表，并與故障影響的部件輸出流屬性(功能故障)建立因果關(guān)系，最終得到功能-結(jié)構(gòu)-故障模型。

2 模糊認(rèn)知圖

依據(jù)系統(tǒng)功能-結(jié)構(gòu)-故障模型，采用模糊認(rèn)知圖(fuzzy cognitive map，簡(jiǎn)稱FCM)和模糊邏輯理論進(jìn)行系統(tǒng)仿真，分析故障模式傳播路徑及影響，形成規(guī)范化的FMMEA分析報(bào)告。模糊認(rèn)知圖通常由節(jié)點(diǎn)集合D與節(jié)點(diǎn)箭頭A組成，即DM={D，A}，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。節(jié)點(diǎn)表示一個(gè)概念，箭頭方向表示概念間因果關(guān)系的方向?！?”和“-”分別表示概念之間的兩種定性因果關(guān)系：“+”表示原因概念與結(jié)果概念是同方向；“-”表示反方向變化；“0”表示不具有因果關(guān)系。

圖3 FCM結(jié)構(gòu)圖Fig.3 FCM structure

將FCM視為動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，隨時(shí)間推移最終得到特定的固定狀態(tài)。根據(jù)圖3可得到FCM的鄰接矩陣E，矩陣中的每個(gè)元素Eij表示節(jié)點(diǎn)對(duì)節(jié)點(diǎn)的影響關(guān)系。存在節(jié)點(diǎn)i到節(jié)點(diǎn)j的連接箭頭且為“+”關(guān)系的取值1；存在節(jié)點(diǎn)i到節(jié)點(diǎn)j的連接箭頭且為“-”關(guān)系取值-1；沒(méi)有箭頭連接的屬于非因果關(guān)系，取值為“0”；節(jié)點(diǎn)自身對(duì)應(yīng)的矩陣元素取值為0。

由模糊認(rèn)知圖推理過(guò)程可知，圖2中有4個(gè)概念節(jié)點(diǎn)D1,D2,D3,D4，定義節(jié)點(diǎn)向量V1=(D1,D2,D3,D4)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的初始值均取為0。基于鄰接矩陣E，可以觀察節(jié)點(diǎn)D1的狀態(tài)變化對(duì)FCM中其他節(jié)點(diǎn)的影響。假設(shè)節(jié)點(diǎn)D1突然增大，即D1值由0變?yōu)?，則節(jié)點(diǎn)向量變?yōu)閂1=(1,0,0,0)，取節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)換函數(shù)為

(1)

V1*E=(0,1,0,-1)=(f(0),f(1),f(0),f(-1))=

(0,1,0,-1)=V2V2*E=(0,0,-2,0)=(f(0),f(0),f(-2),f(0))=

(0,0,-1,0)=V3

V3*E=(f(1),f(0),f(0),f(0))=(1,0,0,0)=V1

可見，V1為圖1所示FCM動(dòng)態(tài)系統(tǒng)中的固定點(diǎn),故給定概念節(jié)點(diǎn)向量V1，F(xiàn)CM可推出相關(guān)結(jié)論，即D1增大時(shí)，其他節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)分別為D2增大，D3和D4減小。

3 實(shí)例分析

維護(hù)感知設(shè)計(jì)環(huán)境(maintenance aware design environment ，簡(jiǎn)稱MADe)是輔助復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)、可靠性、維修性及診斷開發(fā)的軟件工具，尤其適用于系統(tǒng)FMMEA分析、測(cè)試性評(píng)估與診斷分析等[11-12]。以某燃油供給系統(tǒng)(fuel distribution system，簡(jiǎn)稱FDS)為例，采用MADe軟件構(gòu)建燃油供給系統(tǒng)的功能-結(jié)構(gòu)-故障模型，并采用模糊認(rèn)知圖理論進(jìn)行FMMEA分析。假設(shè)系統(tǒng)運(yùn)行在穩(wěn)定狀態(tài)下，系統(tǒng)輸入電壓信號(hào)和控制信號(hào)符合燃油供給系統(tǒng)要求，泵設(shè)定為中等轉(zhuǎn)速，控制閥打開。

3.1 燃油供給系統(tǒng)的功能-結(jié)構(gòu)-故障模型

1) FDS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要包括油箱、遠(yuǎn)程控制單元、泵總成、控制閥總成、熱交換器和燃油噴射歧管等部件。其中:泵總成主要由泵控制器、油泵和電機(jī)組成；控制閥總成主要由閥、閥控制器組成，閥主要包括電磁線圈和閥體。

圖4 燃油供給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of the FDS

系統(tǒng)的功能是在要求的溫度和壓力下向燃燒室提供一定的燃油噴霧。燃油通過(guò)離心泵從燃油箱內(nèi)泵出，其中離心泵由從遠(yuǎn)程接口單元(remote unit interface，簡(jiǎn)稱RUI)注入的PCmd控制。流經(jīng)該系統(tǒng)的燃油流速由控制閥控制，該控制閥由一個(gè)電磁控制閥組成。較冷的燃油通過(guò)熱的發(fā)動(dòng)機(jī)油與燃油之間的熱能交換得到加熱，通過(guò)殼管式熱交換器來(lái)實(shí)現(xiàn)。燃油噴霧由燃油噴射歧管噴入燃燒室。

2) 部件功能描述。油箱的功能是提供燃油，因此在MADe軟件中，其元功能選為“provide”(提供)，輸入輸出流為物質(zhì)流中的液體，其輸入流屬性為流速，輸出流屬性為體積，流屬性間是一種正相關(guān)關(guān)系，如圖5所示。

圖5 油箱的功能模型Fig.5 Functional model of the oil tank

圖6 遠(yuǎn)程接口單元的功能模型Fig.6 Functional model of the RUI

遠(yuǎn)程接口單元接收來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的信號(hào)，然后給泵和控制閥總成發(fā)送相應(yīng)控制信號(hào)，因此其元功能選擇“convert”(轉(zhuǎn)換)，輸入輸出流為信號(hào)流，依據(jù)其控制方式選擇的流屬性及其因果關(guān)系如圖6所示。泵總成中泵控制單元控制油泵從燃油箱吸燃油，電機(jī)控制泵提供給控制閥組一定流速的燃油。泵控制單元接收來(lái)自遠(yuǎn)程控制裝置的兩個(gè)離散信號(hào)PCmdA和PCmdB，并調(diào)整成泵轉(zhuǎn)速控制信號(hào)，轉(zhuǎn)換方式見表1。電機(jī)接收系統(tǒng)輸入電流和泵控制器的轉(zhuǎn)速控制信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)速信號(hào)驅(qū)動(dòng)泵旋轉(zhuǎn)；控制閥總成中的閥控制器接收遠(yuǎn)程接口單元的控制信號(hào)VCmd并轉(zhuǎn)換成電磁線圈的控制信號(hào)；電磁線圈接收電流和閥控制器的控制信號(hào)來(lái)控制閥體的開閉；閥體打開時(shí)，泵輸出的燃油輸送到熱交換器；熱交換器通過(guò)熱的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油來(lái)加熱輸入燃油，燃油噴射歧管將來(lái)自熱交換器特定壓力和溫度的燃油噴射進(jìn)燃燒室，確保其充分燃燒。得到的各部件的元功能及流屬性等選擇列表見表2。

表1 控制信號(hào)轉(zhuǎn)換方式

Tab.1 Convert mode of the control signal

PCmdAPCmdB泵控制信號(hào)00關(guān)閉10偏低01中等11偏高

表2 部件功能描述

Tab.2 Description of the component function

部件功能輸入流形式輸入流屬性輸出流屬性輸出流屬性油箱提供物質(zhì)流-液體流速物質(zhì)流-液體體積電機(jī)轉(zhuǎn)換能量流-功率信號(hào)流-信號(hào)電流信號(hào)能量流-功率轉(zhuǎn)速泵 提高物質(zhì)流-液體能量流-功率體積轉(zhuǎn)速物質(zhì)流-液體流速泵控制器控制信號(hào)流-信號(hào)信號(hào)流-信號(hào)信號(hào)信號(hào)信號(hào)流-信號(hào)信號(hào)遠(yuǎn)程控制單元轉(zhuǎn)換信號(hào)流-信號(hào)信號(hào)流-信號(hào)幅值頻率幅值頻率信號(hào)流-信號(hào)信號(hào)流-信號(hào)信號(hào)流-信號(hào)信號(hào)閥控制器轉(zhuǎn)換信號(hào)流-信號(hào)信號(hào)信號(hào)流-信號(hào)信號(hào)閥 調(diào)節(jié)能量流-功率物質(zhì)流-液體轉(zhuǎn)速流速能量流-液體流速熱交換器提高物質(zhì)流-液體物質(zhì)流-液體流速流速溫度物質(zhì)流-液體物質(zhì)流-液體流速流速溫度燃油噴射歧管散布物質(zhì)流-液體物質(zhì)流-液體流速溫度物質(zhì)流-液體物質(zhì)流-液體壓力溫度

3) 建立部件間的功能鏈接。依據(jù)燃油供給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及內(nèi)部物質(zhì)、能量、信息流的傳遞途徑鏈接交互作用的部件和子系統(tǒng)，最終得到的系統(tǒng)功能-結(jié)構(gòu)模型如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)功能-結(jié)構(gòu)模型Fig.7 Function-structure model of the system

4) 添加每個(gè)組成部件的故障機(jī)理。實(shí)際燃油供給系統(tǒng)使用過(guò)程中統(tǒng)計(jì)的故障模式及機(jī)理見表3。以燃油供給系統(tǒng)電機(jī)和泵控制器故障為例，采用MADe建立其故障原因、機(jī)理、故障模式及其與輸出流屬性因果關(guān)系(功能故障)如圖8所示。電機(jī)故障原因?yàn)闈?rùn)滑不足，故障機(jī)理為黏附磨損，故障模式為卡死，并導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)速下降(功能故障)，故障模式與輸出流屬性因果關(guān)系為“-”，泵控制器故障模式分別為短路和斷路，故障原因分別為高溫和瞬時(shí)或隨機(jī)機(jī)械載荷，故障機(jī)理為熱降解和拉伸斷裂，影響為泵控制器輸出控制信號(hào)變化。同理可得其他部件的故障機(jī)理與輸出流屬性因果關(guān)系。

表3 燃油供給系統(tǒng)故障模式及故障機(jī)理

Tab.3 Fault mode and fault mechanism of the FDS

部件故障模式故障機(jī)理油箱裂紋油箱局部腐蝕引起裂紋,最終導(dǎo)致燃油泄漏電機(jī)卡死電機(jī)潤(rùn)滑不足引起黏性磨損導(dǎo)致輸出軸不轉(zhuǎn)泵磨損潤(rùn)滑不足或是污染物引起泵控制器短路開路高溫引起導(dǎo)線絕緣性能下降,導(dǎo)致短路,控制信號(hào)由1變?yōu)?隨機(jī)機(jī)械載荷引起斷路,控制信號(hào)由0變?yōu)?遠(yuǎn)程控制單元短路開路高溫引起導(dǎo)線絕緣性能下降,導(dǎo)致短路,信號(hào)值由0變?yōu)?隨機(jī)機(jī)械載荷引起斷路,信號(hào)值由1變?yōu)?控制閥短路開路高溫引起導(dǎo)線絕緣性能下降,導(dǎo)致短路,信號(hào)值由0變?yōu)?隨機(jī)機(jī)械載荷引起斷路,信號(hào)值由1變?yōu)?閥阻塞卡死固體顆粒污染物阻塞閥孔,限制燃油流過(guò)固體顆粒污染物卡死閥芯,限制燃油流過(guò)電磁線圈開路隨機(jī)載荷折斷電磁線圈引起斷路燃油噴射歧管變形裂紋雜質(zhì)積累導(dǎo)致噴射孔尺寸改變,限制燃油噴射速度,在噴射孔形成壓差歧管腐蝕裂紋導(dǎo)致燃油泄漏,噴射壓力降低

圖8 泵總成部件故障機(jī)理及其與輸出流屬性因果關(guān)系Fig.8 Fault mechanism and its relation to output flow property of the bump assembly

3.2 燃油供給系統(tǒng)FMMEA分析

分析層次為整個(gè)燃油供給系統(tǒng)，系統(tǒng)輸出流屬性為輸出油壓，選定最低層次為系統(tǒng)部件。假設(shè)系統(tǒng)輸入流正常，依據(jù)功能-結(jié)構(gòu)-故障模型，以各部件輸出流屬性為節(jié)點(diǎn)，系統(tǒng)中各部件分別采用節(jié)點(diǎn)n1～n12表示，相應(yīng)的輸出流屬性如下：C1為油箱輸出油量；C2為遠(yuǎn)程控制單元輸出控制信號(hào)PCmdA；C3為控制信號(hào)PCmdB；C4為控制信號(hào)VCmd；C5為油泵流速；C6為泵總成控制器輸出信號(hào)；C7為電機(jī)轉(zhuǎn)速；C8為控制閥輸出控制信號(hào)；C9為電磁線圈輸出轉(zhuǎn)速信號(hào)；C10為閥體輸出流速；C11為熱交換器輸出流速；C12為燃油噴射歧管輸出壓力。得到的模

糊認(rèn)知圖鄰接矩陣E如表4所示。

假設(shè)電機(jī)卡死時(shí)，依據(jù)電機(jī)故障機(jī)理圖可得電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，初始節(jié)點(diǎn)向量為C10=(0,0,0,0,0,0,-1,0,0,0,0,0)，計(jì)算C10E并采用式(1)的轉(zhuǎn)化函數(shù)(x)得到

C11=(0,0,0,0,-1,0,0,0,0,0,0,0)

C11E=(0,0,0,0,0,0,0,0,0,-1,0,0)=C12

C12E=(0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,-1,0)=C13

C13E=(0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,-1)=C14

C14E=(0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0)=C15

C15E=(0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0)=C15

表4 鄰接矩陣E

Tab.4 Adjacency matrix E

CC1C2C3C4C5C6C7C8C9C10C11C12C1000010000000C2000001000000C3000001000000C4000000010000C5000000000100C6000000100000C7000010000000C8000000001000C9000000000100C10000000000010C11000000000001C12000000000000

由此可得，C15為燃油供給系統(tǒng)的FCM動(dòng)態(tài)系統(tǒng)中的固定點(diǎn)。因此電機(jī)卡死時(shí)，故障原因是缺少潤(rùn)滑，故障機(jī)理為黏附磨損，局部影響為電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，下一影響為油泵流速下降，最終影響為燃油供給系統(tǒng)動(dòng)態(tài)壓力降低。其他故障依次類推，可得燃油供給系統(tǒng)的FMMEA分析結(jié)果如表5所示。該表由系統(tǒng)模型自動(dòng)生成，具有直觀、規(guī)范、可重復(fù)使用和易于修改更新等特點(diǎn)。

表5 FMMEA分析結(jié)果

Tab.5 FMMEA analysis result

部件名稱故障模式故障原因故障機(jī)理故障影響 局部影響高一層次影響 最終影響油箱裂紋腐蝕性污染物侵蝕腐蝕輸出油量減少油泵流速下降FDS系統(tǒng)輸出壓力降低電機(jī)卡死缺少潤(rùn)滑油黏附磨損電機(jī)轉(zhuǎn)速下降油泵流速下降FDS系統(tǒng)輸出壓力降低泵磨損潤(rùn)滑不足或油液污染黏附磨損油泵流速下降閥體流速下降FDS系統(tǒng)輸出壓力降低泵控制器短路開路高溫隨機(jī)或瞬時(shí)機(jī)械載荷熱降解拉伸斷裂數(shù)字變化電機(jī)轉(zhuǎn)速下降FDS系統(tǒng)輸出壓力降低遠(yuǎn)程控制單元短路開路高溫隨機(jī)或瞬時(shí)機(jī)械載荷熱降解拉伸斷裂信號(hào)值由0變1信號(hào)值由1變0泵控制信號(hào)增大泵控制信號(hào)減小FDS系統(tǒng)輸出壓力增大FDS系統(tǒng)輸出壓力降低閥控制器短路高溫?zé)峤到饪刂菩盘?hào)由0變1電磁線圈轉(zhuǎn)速增加FDS系統(tǒng)輸出壓力增大閥體阻塞卡死固體顆粒污染物污染物積累閥體流速下降熱交換器流速下降FDS系統(tǒng)輸出壓力降低電磁線圈開路隨機(jī)或瞬時(shí)機(jī)械載荷拉伸斷裂電磁線圈轉(zhuǎn)速信號(hào)下降閥體流速下降FDS系統(tǒng)輸出壓力降低燃油噴射歧管變形裂紋固體顆粒污染物腐蝕性污染物侵蝕腐蝕污染物積累FDS系統(tǒng)輸出壓力降低FDS系統(tǒng)輸出壓力降低無(wú)無(wú)FDS系統(tǒng)輸出壓力降低FDS系統(tǒng)輸出壓力降低

4 結(jié) 論

1) 功能-結(jié)構(gòu)-故障模型采用了標(biāo)準(zhǔn)化輸出流屬性的變化來(lái)定義功能故障，采用標(biāo)準(zhǔn)化的故障物理過(guò)程描述故障原因、機(jī)理和故障模式，有效地解決了傳統(tǒng)FMEA分析時(shí)故障模式、故障機(jī)理、故障原因、故障影響等相關(guān)故障信息描述不規(guī)范及零部件故障模式與故障物理過(guò)程混淆等問(wèn)題，有效地提高了FMMEA分析結(jié)果重復(fù)使用性。

2) 采用模糊認(rèn)知圖進(jìn)行了故障路徑傳播及影響分析，解決了傳統(tǒng)FMEA裝備或零部件故障機(jī)理識(shí)別、故障原因分析、故障影響推理及潛在故障模式識(shí)別能力較弱等問(wèn)題，有效地提高了FMMEA的分析效率和可信度。

3) 在功能-結(jié)構(gòu)-故障模型的基礎(chǔ)上，可以適當(dāng)添加故障率、檢測(cè)難易程度、影響嚴(yán)重程度等信息，從而進(jìn)行故障危害度計(jì)算；也可適當(dāng)添加測(cè)試，構(gòu)建功能-結(jié)構(gòu)-故障-測(cè)試分析模型，為進(jìn)一步測(cè)點(diǎn)優(yōu)化選擇和診斷策略研究奠定基礎(chǔ)。

[1] GJB1391—1993 故障模式影響及危害分析程序[S]．北京：國(guó)防科工委軍標(biāo)出版社，1993.

[2] Rudov-Clark S D, Stecki J. The language of FMEA: on the effective use and reuse of FMEA data[C]∥AIAC-13 Thirteenth Australian International Aerospace Congress. Australia:Australia Defence Science and Technology Organisation, 2009.

[3] Pecht M, Dasgupta A. Physics-of-failure: an approach to reliable product development[C]∥Integrated Reliability Workshop. USA:[s.n.], 1995:1-4.

[4] Ganesan S. System level approach for life consumption monitoring of electronics[D]. USA: University of Maryland, 2004.

[5] Stone R, Wood K. Development of a functional basis for design [J]. ASME Journal of Mechanical Design, 2000, 122( 4)：359-370.

[6] 鄒光明，胡于進(jìn)，肖文生．基于功能基的產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)模型研究[J]．中國(guó)機(jī)械工程，2004，15(3)：206-210.

Zou Guangming, Hu Yujin, Xiao Wensheng. Functional group based research on product concept design model[J]. Chinese Mechanical Engineering，2004，15(3)：206-210.(in Chinese)

[7] Hirtz J, Stone R, Mcadams D, et al. A Functional basis for engineering design： reconciling and evolving previous efforts[J]. Research in Engineering Design, 2003, 13(2): 65-82.

[8] GJB451—2005 可靠性維修性保障性術(shù)語(yǔ)[S]．

[9] MIL-STD-1629A Procedures for performing a failure mode, effects and criticality analysis[S]. Washington DC, USA： US Department of Defense, 1980.

[10]Tumer I Y, Stone R B, Bell D G. Requirements for a failure mode taxonomy for use in conceptual design[C]∥International Conference on Engineering Design. Stockholm City, Sweden:Australia Defence Science and Technology Organisation,2003.

[11]Sandeep M, Chris S, Song Jiaqi, et al. Optimization of PHM system for electronic assemblies using maintenance aware design environment software[C]∥AIAC 14 Fourteenth Australian Intenational Aerospace Congress. Australia:Australia Defence Science and Technology Organisation,2011：1-14.

[12]Andrew H, Jacek S S, Shoshama D R C. The maintenance aware design environment: development of an aerospace PHM software tool[C]∥IEEE PHM 2008 Conference. [S.l.]:IEEE,2008:1-9.

10.16450/j.cnki.issn.1004-6801.2016.03.001

*武器裝備維修預(yù)研重點(diǎn)基金資助項(xiàng)目(9140A27020115JB35001)

2016-01-15

TV698.2+1； TH165.3

馮輔周,男，1971年3月生，教授。主要研究方向?yàn)檠b備機(jī)電液系統(tǒng)的測(cè)試性設(shè)計(jì)與分析、參數(shù)測(cè)試與狀態(tài)評(píng)估、故障預(yù)測(cè)與健康管理等。2000年畢業(yè)于清華大學(xué)精密儀器系，獲機(jī)械設(shè)計(jì)及理論專業(yè)博士學(xué)位；2002年于清華大學(xué)精密儀器系儀器科學(xué)與技術(shù)博士后流動(dòng)站出站;2002年選入“中韓青年科學(xué)家交流計(jì)劃”;2003—2004年在韓國(guó)做訪問(wèn)學(xué)者。曾發(fā)表《基于小波相關(guān)排列熵的軸承早期故障診斷技術(shù)》(《機(jī)械工程學(xué)報(bào)》2012年第13期)等論文。

E-mail：fengfuzhou@tsinghua.org.cn