基于FMEA和FTA的智能型制动器的失效分析

张 氢,周兆伟,孙远韬,曾志勇

(1同济大学机械与能源工程学院,上海201804; 2 江西华伍制动器股份有限公司,江西 宜春 331100)



基于FMEA和FTA的智能型制动器的失效分析

张 氢1,周兆伟1,孙远韬1,曾志勇2

(1同济大学机械与能源工程学院,上海201804; 2 江西华伍制动器股份有限公司,江西 宜春 331100)

制动器作为各种机构的制动安全装置,起着至关重要的作用.首先建立了智能型制动器的故障树模型,明确了智能型制动器存在的各种失效模式及各失效模式间的层次关系,在此基础上对各个失效模式的影响进行了FMEA(Failure Mode and Effects Analysis)分析,明确了各失效模式的风险指数,对主要风险问题进行了有针对性的解决,从而提高了新研发的智能型制动器的可靠性.

智能型制动器; FMEA; FTA

制动器是各型起重机起升和行走机构的核心安全部件.制动器有两个功能:其一,消耗载荷的动能;其二,停止载荷的运动.随着现代装备的运动惯量不断增大,运动速度不断提高,由于紧停时制动过急造成传动系统乃至整机机构、结构损伤的案例屡有发生.为解决这一问题,必须令制动的中间过程可控,根据被制动对象和具体工况,实时调整制动力矩,即让能量在制动盘上可控地消耗,使制动冲击得到缓解,同时能够协调制动过程中制动冲击和制动距离之间的矛盾.这也是新研发的智能型制动器的最大优势之一[1,2].

为了保障制动器的可靠性,特别是避免当智能型制动器故障时可能出现的设备损坏或安全事故,本文首先建立了智能型制动器的故障树模型,提出了智能型制动器存在的各种失效模式及各失效模式间的层次关系,然后在此基础上对各个失效模式的影响进行FMEA分析,明确了各失效模式的风险指数,通过FTA(Fault Tree Analysis)建立顶事件故障树,把底事件列出来;然后利用FMEA对列出的底事件进行分析评定[3].最后根据评定结果对分析对象做出可靠性评价和调整.从而对主要风险问题有针对性地解决,以提高新研发的核心装置的可靠性.

1 制动器的FTA分析

故障树分析方法(FTA)是20世纪60年代发展起来的用于大型复杂系统可靠性、安全性分析和风险评价的一种方法.它通过对可能造成系统故障的各种因素(包括硬件、软件、环境、人为因素等)进行分析,画出逻辑框图(即故障树),以判明系统故障原因,计算系统故障概率,采取相应的纠正措施,提高系统可靠性.

位于故障树最上部的事件叫做顶事件,一般为造成严重后果的故障事件或事故,是故障树分析、研究的对象.位于故障树各分支末端的事件叫做基本事件,它们是造成顶事件发生的最初始的原因.在系统安全分析中,故障树的基本事件主要是物的故障及人的失误.位于故障树顶事件与基本事件之间的诸事件被称为中间事件,它们是造成顶事件发生的原因,又是基本事件造成的结果.

1.1 故障树建立

FTA法的步骤因评价对象、分析目的、精细程度等的不同而不同,但一般按如下步骤进行:①故障树的建造;②建立故障树的数学模型;③定性分析;④定量计算.建树一般采用演绎法从顶事件开始由上至下循序渐进地进行.通常把系统的故障状态作为顶事件,然后找出系统故障与导致系统故障诸因素之间的逻辑关系,并将这些关系用特定的逻辑符号表示出来,由上而下逐级分解,直到不能分解为止.这样就建成一棵倒置的故障树.建树流程图如图1所示.

故障树要反映出系统故障的内在联系,同时应能使人一目了然,形象地掌握这种联系并按此进行正确的分析.

图1 故障树建树流程图Fig.1 Flow chart of fault tree

此外,须注意的是要选好顶事件.若顶事件选择不当就有可能无法分析和计算.然后从这些故障状态中筛选出不希望发生的故障状态作为顶事件.

根据智能型制动器的工作进行分析,我们把智能型制动器的制动失效作为顶事件,引起制动器失效的最直接而必要的原因为电气控制系统故障和制动器本体故障,然后以其为次顶事件,对其原因进行分析,建立以逻辑门符号表示的完整的故障树,如图2所示.

图2 智能型制动器制动失效故障树Fig2 FTA of intelligent brake

1.2 故障树分析

由于故障树中各底事件均为“或”的关系,所以每个底事件就是一个最小割集.通过分析,我们研究的为智能型制动器,其中电气控制部分为区别于普通制动器的重要部分,因而引起电气故障的底事件重要性较高.同时,我们对于可靠性较高的独立零部件如电动机、液压缸、弹簧本身等不进行FMEA分析.

造成智能型制动器制动失效的主要因素包括通信模块故障、变频器故障、MCU主控单元故障、制动力矩过大、销轴卡死以及制动器的材料和接触面问题.列出重要底事件清单,如表1所示.

表1 重要底事件清单

由以上底事件中确定出FMEA分析对象,并对其进行FMEA分析.

2 制动器的FMEA分析

故障模式影响分析(FMEA)是分析系统中每一产品所有可能产生的故障模式及其对系统造成的所有可能影响,并按每一个故障模式的严重程度、检测难易程度以及发生频度予以分类的一种归纳分析方法.其目的在于找出组件或系统的潜在弱点,为设计、制造、质量控制提供可行的对策,及早进行设计与制造过程的改进,提高产品质量.

FMEA通过分析系统结构鉴别系统的每一个潜在的故障模式,分析引起故障的原因,然后利用统计方法估算故障发生时的严酷度(s),故障发生频率(o)以及不可探测度(d),计算风险优先度(RPN)的值,根据RPN值的大小判断系统是否有必要进行改进或者确定改进的优先级别.

其中(S)是指潜在故障模式发生时,对下工序或系统影响后果的严重程度评价标准.要减少故障后果的严重程度,只能通过修改设计来实现.一般分为灾难的、致命的、临界的、轻微的等几个等级,取值在1～10之间.(O)是指某一故障的起因或机理出现的可能性.一般可分为极高、高、中等、低等几个等级,取值在1～10之间.(D)是指发现故障原因的难易程度,是探测故障模式或原因的能力的指标,一般分为极难、难、可能、能等几个等级,取值在1～10之间.

2.1 FMEA的分析流程

FMEA的分析流程如图3所示.

图3 FMEA分析步骤Fig3 Step of FMEA

FMEA将每一个底事件相关的部件作为元件,对每一元件可能出现的问题及影响其完成的因素即故障模式和影响因素,通过经验和数据讨论来确定故障模式的严酷度、故障发生频率、不可探测程度的等级和评估标准[4].

对于严重度、发生度和难检度的评价准则因FMEA表的类型不同而有些不同,本设计因制动器用于岸桥等起重机上,用FMEA表的参数评价准则如表2—4所示.

2.2 制动器的FMEA分析

将其潜在失效模式、原因及影响制成FMEA工作表,并请相关专业人员依据评估标准进行评估,最终确定失效模式的风险优先度.

由表5可知:

(1) 此智能型制动器最容易发生故障的部位是变频器和制动瓦块,其次是制动臂、总线、传感器的信息采集处理设备及制动接触面,这5个部位的故障频率远高于其他部位.与实际作业中制动器发生的故障情况相吻合.

(2) 通过FMEA分析,可找到该智能型制动器的薄弱环节和潜在弱点,为进一步采取一系列改进措施,防止或减少故障的发生提供了依据.

表2 FMEA严重度评价准则

表3 FMEA发生度评价准则

3 总结

智能型制动器作为起重机的核心部件,由于其存在电气控制系统和制动器本体两部分,其故障发生的可能性也相较于普通制动器大幅提高.在FTA的基础上运用FMEA,分析其可靠性,可以充分发挥两种方法的优点,既可以快速找到最易引发故障的环节,又能减少所需分析的零部件数目,对于提高重要部件的可靠性具有很大意义.

表4 FMEA探测度评价准则

表5 制动器潜在故障模式及效果分析(FMEA)表

[1] 张氢,陈卫明,邹耀平.智能型驱动器.CN102817947A[P].2012-12-12.

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

[2] 李高翔.新型制动器的设计研究及制动过程的动力学分析[D].上海:同济大学,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] 张建国,黄文敏.大型机械产品FMEA和FTA综合分析方法[J].机械设计与制造,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 的三自由度机械手可靠性分析[J].机电产品开发与创新,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

国家自然科学基金项目资助(51205292)；中央高校基本科研业务费专项资金资助(20153691)；国家科技支撑计划课题资助(2014BAF08B05)；集装箱堆场智能化设备关键技术研究及设计(15DZ1161203)

张 氢(1967-)，男，教授，工学博士. E-mail：zhqing_tj@126.com

TH 122

A

1672-5581(2016)02-0109-05