1、书书书 船舶 保障 系统 FM EA 分析 摘 要:船舶 保障 系统是一 个 典 型 的 多 阶段 复杂 任务 系统。根 据 系统 特点，对 FM EA 方法进行分析比较，在 此 基础 上 采 用了基 于 流 程的系统级 FM EA 分析方法，对系统的 故 障 模 式 及 影响 进行了分析，给 出分析结 论，提出 预 防改 进 措 施 和应 急 对 策，对 于 提高船舶 保障 系统的 任务 可 靠 性 具 有重 要 意 义。关键词:船舶 保 障 系统;可 靠 性;FM EA中图分类号:U664.6 文献标识码:A文章编号:1672 7649(2012)06 0129 03 d o i:10.3
2、404/j.i s s n.1672 7649.2012.06.032S y s t e m FMEAf o r s h ip s u p p o r t s y s t e m H A NZong-z h en，XIA NG P i ng，ZH ENG H u i-li ng(W u h an Second Sh i p D es i gn and Res ear chIns t i t u t e，W u h an 430064，C h i na)Ab s t r a c t:Th e cer t ai n t ype s h i p s u ppor ts ys t em i sa t
3、ypi cal mu lt i s t age，compli cat ed t as ks ys t em A ccor di ngt o t h ech ar act er i s t i csofs u ppor ts ys t em，compar esand analyz ess evr al t ypesofFM EA met h ods，adopt ss ys t em FM EA bas ed on wor kf low t o anlyz e t h e pos s i ble f ai lu r e modes，f ai lu r e r eas on and f ai lu
4、r econs equ ences，pr es ent st h epr event i vei mpr ovi ngmeas u r es and u r gentcou nt er meas u r es，wh i chcan as s i s tt oi mpr ovet h et as kr eli abli t y ofs h i p s u ppor ts ys t em Ke y w o r d s:s h i p s u ppor ts ys t em;r eli abli t y;FM EA0 引 言 故 障 模 式 及 影响 分析(Fai lu r e modesand e
5、f f ect sanalys i s，FM EA)是一 种 可 靠 性分析方法，最 初 是 20世纪 50年代在美 国的航 天 工 业 界 率 先 使 用，随 着 FM EA 的 成 功 使 用，逐 渐 被 其 他 行 业接 受，并 在 全 球 推广实 施。自 20世纪 80年代 引 入我 国 后，现 已 在 国内航 空 航 天、核 工 业、汽 车、电子等领域 得到 广 泛 应用。FM EA 通 过 对系统 组 成 单 元 的各 种 潜 在 故 障 模 式 及其对系统的 影响 进行分析，并 把 每 一 个 故 障 模 式按 它 的 严 重 性 予 以分类，提出 预 防改 进 措 施 和 有
6、效 的 控制 方法，以提高系统 可 靠 性 1 2。船舶 保障 系统 组 成 包括 装 置、阀 件、机 电设备、管 路 等，具 有 组 成 复杂、多 阶段 和 多 工况 等特点。船舶 保障 系统 任务 由 多 个阶段 组 成，各 阶段 投 入运 行的分系统以及 设备 的 运 行工况是 不 同 的。根 据 系 统 自 身 的 特点，采 用基 于 流 程的系统级 FM EA 分析 方法，对系统 潜 在 的各 种 故 障 模 式 及其对系统 功 能 的 影响 进行分析，确 定 系统 薄 弱 环 节，提出应 急 对 策 或 预 防改 进 措 施，保 证 在 系统的 使 用 过 程 中 可 以 对各 种
7、 故 障 及 时 发 现、处 理并 采取 有 效 的应 急 对 策，提高 任务 可 靠 性。1 确定船舶 保障 系统 FM EA 分析方法 FM EA 是 目 前 最 为 广 泛 应用的一 种 可 靠 性分析技 术，属 于 单 因 素 定 性分析方法，对 产 品 可 能 发 生 的 所 有 故 障 模 式 逐 一进行分析，确 定 每 一 故 障 模 式 对系统 工作的 影响。工程应用 中，单 机级的 FM EA 工作程 序 和方法 已 经 比较 成 熟，但 是 单 机级 FM EA 时，只 考虑 各 单 元 的 故 障 模 式，没 有 系统分析 所 有单 元 之间 的 功 能 关系，总 会 有
8、 一 些 故 障 属 于 单 机级 FM EA 所 覆盖 不 了的 3。系统级 FEM A 具 有 以 下 特点:1)单 机级 FM EA 一 般 采 用 硬 件分析法，而 系统 级 FM EA 多 采 用 功 能 分析法。2)对 于 系统级内 部 协 调 性 问 题，即 各 单 机 之间 的 接口 与 互 相 影响 问 题，单 机级 FM EA 不 可 能 覆盖，舰 船 科 学 技 术 第 34卷 必须 由 系统级 FM EA 来 完 成。3)对 于 系统级的 总 体设计 方 面 可 能 存 在 的 缺 陷、疏 漏 等 问 题，只 能 由 系统级 FM EA 来 解 决。船舶 保障 系统是一
9、 个 典 型 的 多 阶段 复杂 任务 系 统，其 任务 由 多 个 流 程 阶段 组 成，在 时 间上 具 有 连 续 性和 不 重 叠 性 特 征，在 某 流 程 阶段 执 行的 动 作 与 其 他阶段 是 不 同 的，而 且 流 程 阶段 开 始 状 态 对 前 一 流 程 阶段 完 成 时 的 状 态 具 有 一 定 依赖 性。因 此 采 用 基 于 流 程的系统级 FM EA 分析方法，是 依 据 船舶 保 障 系统 多 阶段、多 工况的 特点，针 对 任务 流 程 采 用 的一 种 较为 有 效 的 识 别 流 程 阶段 薄 弱 环 节 的方法，具 有 以 下 优 势:1)基 于
10、流 程的系统级 FM EA 分析方法对 任务 剖 面 进行了 细 化，将 任务 流 程 划 分为 若 干 个 流 程 阶段，每 个阶段 均 为一 个 任务 剖 面，其 故 障 模 式 及 影响 分 析 均 是 针 对 当 前阶段 分析，通 过 任务 剖 面 的 细 化 使 得 系统级 FM EA 更 加 细 致 和 有 针 对性。2)基 于 流 程的系统级 FM EA 采 用了从 上 到 下 进 行分析的工作 思 路，这 种 方法比较 适 合 于 开 展系统 级 FM EA 工作。从 上 到 下 的分析方 式，便 于 从系统 级 考虑 问 题，与 系统 任务 相 匹 配，开 展系统级的 功 能
11、 分析工作较方 便，故 障 模 式 考虑 得 较为 全 面，能 充 分发 挥 系统级 FM EA 的 优 势。2 船舶 保障 系统 FM EA 分析 2.1 FM EA 分 析 步骤 1)定义 系统，确 定 系统 单 元 与 系统结 构;2)明 确 假 设条 件，定义 严 酷 度等 级及 故 障 判 据;3)分析系统、设备 及 接口，描 述系统 功 能 及 功 能 结 构，依 据 归 纳 出的 功 能 定义，提出相应的 故 障 模 式，完 成 FM EA 分析 表格;4)给 出分析结 论，提出 预 防改 进 措 施 和应 急 对 策。2.2 定义 系统 将 保障 系统结 构 化 并 划 分 成
12、 系统 单 元，系统 单 元 下 设置 的是 独 立 的 单 机 设备。由 于 系统 功 能 相 互 交 错，系统 单 元 划 分 要 使 得 划 分的 单 元 既 能 满足 相 对 独 立 性，又 能 符 合 保障 系统的 任务 实 际。本 文 根 据上 述原 则，将 船舶 保障 系统 划 分为 14个 分系统，分系统 下 又 按 照 相对 独 立 性原 则 划 分了系统 单 元，分 层 构 建 了 产 品 结 构 树(见 图 1)，列 出了系统的 产 品 结 构组 成 及 功 能 清 单。根 据 任务 流 程，对 每 个 流 程 阶段 完 成 的 规 定 任 图 1 系统 产 品 结 构
13、树 Fi g.1 Sys t empr odu cts t r u ct u r et r ee务 进行 详 细 定义，列 出了 每 个 流 程 阶段 的关 键 动 作，整 理 参 与 关 键 动 作的 单 机及 单 机的工作 模 式，同 时 分析 流 程 中 各关 键 动 作的 信息 传 递 关系、时 序 关系、互 锁 关系 等 环 节。将 系统的 任务 剖 面 定义 为系统 自 检 等 13个 典 型流 程 阶段。针 对 任务 流 程的各 个阶段 开 展 FM EA 分析:进行系统 FMEA 所 需 的 输 入 条 件 主 要 包括 以 下 几 项:1)各 流 程 阶段 完 成 功 能 的
14、 描 述，各关 键 动 作的 描 述;2)系统、分系统 在 不 同 任务 阶段下 的 可 靠 性 框 图 和 功 能 框 图;3)各 流 程 阶段 中 关 键 动 作涉及的系统 单 元 及 单 机，单 机 在该阶段 中 的工作方 式 和 接口 关系。确 定 进行系统 FM EA 的 约 定 层 次:初始 约 定 层 次 为系统 完 成 的 任务;最 低 约 定 层 次 为 单 机 设备 级;流 程 阶段 和关 键 动 作为其 他 约 定 层 次。系统 FM EA约 定 层 次示 意 图 见 图 2。图 2 系统 约 定 层 次 Fi g.2 Sys t emi ndent u r elevel
15、s2.3 假 设条件 和 严酷 度 定义 假 设条 件 主 要 包括 以 下 几 项:1)假 设 分析的各 故 障 模 式 是 独 立 的，即 只 考虑 单 一 故 障 对系统的 影响，不 考虑 2个 相关 故 障 同 时 出 现 的情况;2)在 进行关 键 动 作分析 时，假 定 电源 和 液 压 等 动力供 给 绝 对 可 靠;0 3 1 第 6期 韩 宗 真，等:船舶 保 障 系统 FM EA 分 析 3)假 设 保障 系统 配 套 和 接口 设备 工作 正 常。明 确 故 障 判 据 为:在 流 程 阶段 中 各分系统/单 机 不 能 完 成 其 功 能 或 性 能 参 数超 出其 允
16、 许极 限 即 为 故 障。依 据产 品 故 障 对 装 备 造成 的 最 坏 潜 在 后 果，将 严 酷 度 分为 4类 4，如 表 1所示。2.4 填写 FM EA 分 析表格 确 定 每 个 故 障 模 式 对 总 体、系统工作及 状 态 的 影响，确 定 每 个 故 障 模 式 的 产生 原 因。按 故 障 影响 的 严 酷 度 分类，确 定 故 障 模 式 的 严 酷 度。保障 系统 FM EA 表格 和分析 示 例 见 表 2所示。2.5 分 析结果 通 过 FM EA 分析，形 成 保障 系统 单 点 故 障 和/类 故 障 清 单。保障 系统 单 点 故 障 为 流 程 中 影
17、 响 任务 成 败 的 薄 弱 环 节，这 种 故 障单 独 发 生 时，就 会 导 致 系统出 现 不 可 接 受 的 或 严 重 的 故 障 影响 后 果，且 没 有 冗 余 或 其 他 方 式 进行 补 救。整个 系统 共 分析 出 单 点 故 障 模 式 5个，I类 故 障 模 式 7 个，II类 故 障 模 式 11个。根 据 FM EA 分析结 果，针 对 保障 系统 流 程各 个 阶段可 能 发 生 的 故 障 模 式，在现 有 的系统 配 置 基础 上，制 定 了 保障 系统应 急 对 策 和 预 防 措 施，保 证 在 系统的 使 用 过 程 中 可 以对各 种 故 障 及
18、时 发 现、处 理 或 采取 有 效 的 预 防 措 施，从 而降 低 系统及其 组 成 单 元 的 故 障 发 生 率 或 减 轻 故 障 发 生 的 危 害 性，达 到 提 高 整个 系统 任务 可 靠 性的 目 的。根 据 系统的 主 要 故 障 模 式 分析结 果，在 系统 故 障 模 式 可 采取 的 预 防 措 施 和 安 全 对 策 的基础 上，为 更 进一 步 提高系统 可 靠 性，消 除故 障 模 式 或 大 幅 度 减少 故 障 发 生 概 率，提出了以 下 改 进 建 议:1)对系统的关 重 设备 和 控制 系统进行 冗 余 设 计，以提高系统的 任务 可 靠 性。2)进
19、一 步 提高 电 液 执 行机 构 的 任务 可 靠 性。一 是 保 证 液 压 油 的 品 质，由 于 系统 复杂，很 容易混 入 杂质，必须 坚 持 定期 串 油、采 样 化 验 等 措 施，确保 液 压 油 的 洁 净。二 是提高 电 液 执 行机 构 自 身 的 可 靠 性，增 强 其对 液 压 油 的 适 应 能力，降 低 对 液 压 油固 体 颗 粒 度 的 敏 感 度。3)采取 安 全监 测 技术 措 施，对 某 些 压 力、温 度 等 关 键 参 数 和系统 状 态 进行 实时 监 测，以 便 在 系统 异 常初期 就 及 时 进行 故 障 处 理，确保 系统 处 于 正 常
20、的技术 状 态。3 系统 级 FM EA 工作 建 议 开 展系统级 FM EA 分析工作比较 困 难、比较 复 杂，通 过 开 展船舶 保障 系统 FM EA 分析工作，总 结 出以 下 几 点需 要 注 意 的 问 题:1)系统级 FM EA 故 障 模 式 识 别 必须 对系统 总 体 要 求 全 面 理 解，对系统 任务 剖 面 要 有 正 确 的 认 知。2)在 开 展系统级 FM EA 时 应 注 重 分系统 间 接口 的分析，注 重 分析系统级内 部 各 单 元 的 协 调 性以及 电、气、液 路 系统的 潜 在通 路。3)FM EA 是一 个 反 复 迭 代 的 过 程，要 随
21、 技术 状 态 的 更新，不断更新 FM EA 内 容，使 得 FM EA 能 反 应 最 新 状 态。4)FM EA 需 要 同 其 他可 靠 性分析方法相结合，以 加 强 FM EA 的 功 能 分析，并进一 步 完善 系统的 可 靠 性 设计。4 结 语 本 文 采 用基 于 流 程系统级 FM EA 方法，对船舶 保障 系统的 故 障 模 式 及 影响 进行分析，给 出分析结 论，提出 预 防改 进 措 施 和应 急 对 策，对 于 提高船舶 保障 系统的 任务 可 靠 性 具 有重 要 意 义。参考文献:1 龚 庆 祥 型 号 可 靠 性工程 手 册 M 北 京:国 防 工 业 出 版 社，2007 2 Relex Sof t war eC o Int ellect 可 靠 性 实 用 指 南 M 北 京:北 京 航 空 航 天 大学 出 版社，2005 3 李 艳 霞，等 系统级 FM EA 工作方法 探 讨 J 质 量 与 可 靠 性，2007，(3):39 40 4 GJ B 1391，故 障 模 式、影响 及 危 害 性分析程 序 S 1 3 1
