張 氫,周兆偉,孫遠韜,曾志勇

(1同濟大學(xué)機械與能源工程學(xué)院,上海201804; 2 江西華伍制動器股份有限公司,江西 宜春 331100)

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基于FMEA和FTA的智能型制動器的失效分析

張 氫1,周兆偉1,孫遠韜1,曾志勇2

(1同濟大學(xué)機械與能源工程學(xué)院,上海201804; 2 江西華伍制動器股份有限公司,江西 宜春 331100)

制動器作為各種機構(gòu)的制動安全裝置,起著至關(guān)重要的作用.首先建立了智能型制動器的故障樹模型,明確了智能型制動器存在的各種失效模式及各失效模式間的層次關(guān)系,在此基礎(chǔ)上對各個失效模式的影響進行了FMEA(Failure Mode and Effects Analysis)分析,明確了各失效模式的風(fēng)險指數(shù),對主要風(fēng)險問題進行了有針對性的解決,從而提高了新研發(fā)的智能型制動器的可靠性.

智能型制動器; FMEA; FTA

制動器是各型起重機起升和行走機構(gòu)的核心安全部件.制動器有兩個功能:其一,消耗載荷的動能;其二,停止載荷的運動.隨著現(xiàn)代裝備的運動慣量不斷增大,運動速度不斷提高,由于緊停時制動過急造成傳動系統(tǒng)乃至整機機構(gòu)、結(jié)構(gòu)損傷的案例屢有發(fā)生.為解決這一問題,必須令制動的中間過程可控,根據(jù)被制動對象和具體工況,實時調(diào)整制動力矩,即讓能量在制動盤上可控地消耗,使制動沖擊得到緩解,同時能夠協(xié)調(diào)制動過程中制動沖擊和制動距離之間的矛盾.這也是新研發(fā)的智能型制動器的最大優(yōu)勢之一[1,2].

為了保障制動器的可靠性,特別是避免當(dāng)智能型制動器故障時可能出現(xiàn)的設(shè)備損壞或安全事故,本文首先建立了智能型制動器的故障樹模型,提出了智能型制動器存在的各種失效模式及各失效模式間的層次關(guān)系,然后在此基礎(chǔ)上對各個失效模式的影響進行FMEA分析,明確了各失效模式的風(fēng)險指數(shù),通過FTA(Fault Tree Analysis)建立頂事件故障樹,把底事件列出來;然后利用FMEA對列出的底事件進行分析評定[3].最后根據(jù)評定結(jié)果對分析對象做出可靠性評價和調(diào)整.從而對主要風(fēng)險問題有針對性地解決,以提高新研發(fā)的核心裝置的可靠性.

1 制動器的FTA分析

故障樹分析方法(FTA)是20世紀60年代發(fā)展起來的用于大型復(fù)雜系統(tǒng)可靠性、安全性分析和風(fēng)險評價的一種方法.它通過對可能造成系統(tǒng)故障的各種因素(包括硬件、軟件、環(huán)境、人為因素等)進行分析,畫出邏輯框圖(即故障樹),以判明系統(tǒng)故障原因,計算系統(tǒng)故障概率,采取相應(yīng)的糾正措施,提高系統(tǒng)可靠性.

位于故障樹最上部的事件叫做頂事件,一般為造成嚴重后果的故障事件或事故,是故障樹分析、研究的對象.位于故障樹各分支末端的事件叫做基本事件,它們是造成頂事件發(fā)生的最初始的原因.在系統(tǒng)安全分析中,故障樹的基本事件主要是物的故障及人的失誤.位于故障樹頂事件與基本事件之間的諸事件被稱為中間事件,它們是造成頂事件發(fā)生的原因,又是基本事件造成的結(jié)果.

1.1 故障樹建立

FTA法的步驟因評價對象、分析目的、精細程度等的不同而不同,但一般按如下步驟進行:①故障樹的建造;②建立故障樹的數(shù)學(xué)模型;③定性分析;④定量計算.建樹一般采用演繹法從頂事件開始由上至下循序漸進地進行.通常把系統(tǒng)的故障狀態(tài)作為頂事件,然后找出系統(tǒng)故障與導(dǎo)致系統(tǒng)故障諸因素之間的邏輯關(guān)系,并將這些關(guān)系用特定的邏輯符號表示出來,由上而下逐級分解,直到不能分解為止.這樣就建成一棵倒置的故障樹.建樹流程圖如圖1所示.

故障樹要反映出系統(tǒng)故障的內(nèi)在聯(lián)系,同時應(yīng)能使人一目了然,形象地掌握這種聯(lián)系并按此進行正確的分析.

圖1 故障樹建樹流程圖Fig.1 Flow chart of fault tree

此外,須注意的是要選好頂事件.若頂事件選擇不當(dāng)就有可能無法分析和計算.然后從這些故障狀態(tài)中篩選出不希望發(fā)生的故障狀態(tài)作為頂事件.

根據(jù)智能型制動器的工作進行分析,我們把智能型制動器的制動失效作為頂事件,引起制動器失效的最直接而必要的原因為電氣控制系統(tǒng)故障和制動器本體故障,然后以其為次頂事件,對其原因進行分析,建立以邏輯門符號表示的完整的故障樹,如圖2所示.

圖2 智能型制動器制動失效故障樹Fig2 FTA of intelligent brake

1.2 故障樹分析

由于故障樹中各底事件均為“或”的關(guān)系,所以每個底事件就是一個最小割集.通過分析,我們研究的為智能型制動器,其中電氣控制部分為區(qū)別于普通制動器的重要部分,因而引起電氣故障的底事件重要性較高.同時,我們對于可靠性較高的獨立零部件如電動機、液壓缸、彈簧本身等不進行FMEA分析.

造成智能型制動器制動失效的主要因素包括通信模塊故障、變頻器故障、MCU主控單元故障、制動力矩過大、銷軸卡死以及制動器的材料和接觸面問題.列出重要底事件清單,如表1所示.

表1 重要底事件清單

由以上底事件中確定出FMEA分析對象,并對其進行FMEA分析.

2 制動器的FMEA分析

故障模式影響分析(FMEA)是分析系統(tǒng)中每一產(chǎn)品所有可能產(chǎn)生的故障模式及其對系統(tǒng)造成的所有可能影響,并按每一個故障模式的嚴重程度、檢測難易程度以及發(fā)生頻度予以分類的一種歸納分析方法.其目的在于找出組件或系統(tǒng)的潛在弱點,為設(shè)計、制造、質(zhì)量控制提供可行的對策,及早進行設(shè)計與制造過程的改進,提高產(chǎn)品質(zhì)量.

FMEA通過分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)鑒別系統(tǒng)的每一個潛在的故障模式,分析引起故障的原因,然后利用統(tǒng)計方法估算故障發(fā)生時的嚴酷度(s),故障發(fā)生頻率(o)以及不可探測度(d),計算風(fēng)險優(yōu)先度(RPN)的值,根據(jù)RPN值的大小判斷系統(tǒng)是否有必要進行改進或者確定改進的優(yōu)先級別.

其中(S)是指潛在故障模式發(fā)生時,對下工序或系統(tǒng)影響后果的嚴重程度評價標(biāo)準.要減少故障后果的嚴重程度,只能通過修改設(shè)計來實現(xiàn).一般分為災(zāi)難的、致命的、臨界的、輕微的等幾個等級,取值在1～10之間.(O)是指某一故障的起因或機理出現(xiàn)的可能性.一般可分為極高、高、中等、低等幾個等級,取值在1～10之間.(D)是指發(fā)現(xiàn)故障原因的難易程度,是探測故障模式或原因的能力的指標(biāo),一般分為極難、難、可能、能等幾個等級,取值在1～10之間.

2.1 FMEA的分析流程

FMEA的分析流程如圖3所示.

圖3 FMEA分析步驟Fig3 Step of FMEA

FMEA將每一個底事件相關(guān)的部件作為元件,對每一元件可能出現(xiàn)的問題及影響其完成的因素即故障模式和影響因素,通過經(jīng)驗和數(shù)據(jù)討論來確定故障模式的嚴酷度、故障發(fā)生頻率、不可探測程度的等級和評估標(biāo)準[4].

對于嚴重度、發(fā)生度和難檢度的評價準則因FMEA表的類型不同而有些不同,本設(shè)計因制動器用于岸橋等起重機上,用FMEA表的參數(shù)評價準則如表2—4所示.

2.2 制動器的FMEA分析

將其潛在失效模式、原因及影響制成FMEA工作表,并請相關(guān)專業(yè)人員依據(jù)評估標(biāo)準進行評估,最終確定失效模式的風(fēng)險優(yōu)先度.

由表5可知:

(1) 此智能型制動器最容易發(fā)生故障的部位是變頻器和制動瓦塊,其次是制動臂、總線、傳感器的信息采集處理設(shè)備及制動接觸面,這5個部位的故障頻率遠高于其他部位.與實際作業(yè)中制動器發(fā)生的故障情況相吻合.

(2) 通過FMEA分析,可找到該智能型制動器的薄弱環(huán)節(jié)和潛在弱點,為進一步采取一系列改進措施,防止或減少故障的發(fā)生提供了依據(jù).

表2 FMEA嚴重度評價準則

表3 FMEA發(fā)生度評價準則

3 總結(jié)

智能型制動器作為起重機的核心部件,由于其存在電氣控制系統(tǒng)和制動器本體兩部分,其故障發(fā)生的可能性也相較于普通制動器大幅提高.在FTA的基礎(chǔ)上運用FMEA,分析其可靠性,可以充分發(fā)揮兩種方法的優(yōu)點,既可以快速找到最易引發(fā)故障的環(huán)節(jié),又能減少所需分析的零部件數(shù)目,對于提高重要部件的可靠性具有很大意義.

表4 FMEA探測度評價準則

表5 制動器潛在故障模式及效果分析(FMEA)表

[1] 張氫,陳衛(wèi)明,鄒耀平.智能型驅(qū)動器.CN102817947A[P].2012-12-12.

ZHANG Qing,CHEN Weiming,ZOU Yaoping.Intelligent driver.CN102817947A [P].2012-12-12.

[2] 李高翔.新型制動器的設(shè)計研究及制動過程的動力學(xué)分析[D].上海:同濟大學(xué),2013.

LI Gaoxiang.Study on the design of a new type of brake and the dynamic analysis of the braking process[D].Shanghai:Tongji University,2013.

[3] 張建國,黃文敏.大型機械產(chǎn)品FMEA和FTA綜合分析方法[J].機械設(shè)計與制造,2000(1):1-3.

ZHANG Jianguo,HUANG Wenmin.The Integrated reliability analysis method using FMEA and FTA[J].Mechanical Design and Manufacturing,2000(1):1-3.

[4] 付煜茗.基于FMEA 和FTA 的三自由度機械手可靠性分析[J].機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新,2013,26(6):8-10.

FU Yuming.Reliability analysis of 3-DOF manipulator based on FMEA and FTA[J].Development & Innovation of Machinery & Electrical Products,2013,26(6):8-10.

Failure risk analysis onintelligent brakesbased on FMEA and FTA

ZHANG Qing1,ZHOU Zhao-wei1,SUN Yuan-tao1,ZENG Zhi-yong2

(1.School of Mechanical Engineering ,Tongji University,Shanghai 201804,China;2.Jiangxi Huawu Break Limited by Share Ltd.,Yichun 331100,China)

Owing that the brake secures a critical position in braking safety equipment for various mechanisms,a fault tree model of intelligent brakesis first established.Then,failure modes and relevant relationships are determined.Subsequently,the impacts of failure modes are analyzed using FMEATM to obtain risk indexes.Consequently,this approach resolves the major risks so as to enhance the reliability of newly-developed brakes.

intelligent brake; FMEA; FTA

國家自然科學(xué)基金項目資助(51205292)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助(20153691)；國家科技支撐計劃課題資助(2014BAF08B05)；集裝箱堆場智能化設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)研究及設(shè)計(15DZ1161203)

張 氫(1967-)，男，教授，工學(xué)博士. E-mail：zhqing_tj@126.com

TH 122

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1672-5581(2016)02-0109-05