轨道基础车辆工程 4

第5章轨道车辆故障模式影响及

危害性分析VFailureModeEffectsandCriticalityAnalysisforRailVehicles主要内容第一节FMECA概述第二节故障模式影响分析第三节危害性分析第四节基于模糊数学方法的故障模式危害性分析第五节某型动车组转向架的FMECA应用示例1、FMECA的概念FMECA的定义FMECA的目的故障模式影响及危害性分析(FailureMode,EffectsandCriticalityAnalysis,简记为FMECA)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及其发生概率予以分类的一种归纳分析方法。从产品设计(功能设计、硬件设计、软件设计)、生产(生产可行性分析、工艺设计、生产设备设计与使用)和使用发现各种影响产品可靠性的缺陷和薄弱环节，为提高产品的质量和可靠性水平提供改进依据。第一节FMECA概述2、FMECA作用保证有组织地定性找出系统的所有可能的故障模式及其影响，进而采取相应的措施。为制定关键项目和单点故障等清单或可靠性控制计划提供定性依据。为可靠性(R)、维修性(M)、安全性(S)、测试性(T)和保障性(S)工作提供一种定性依据。为制定试验大纲提供定性信息。为确定更换有寿件、元器件清单提供使用可靠性设计的定性信息。为确定需要重点控制质量及工艺的薄弱环节清单提供定性信息。可及早发现设计、工艺中的各种缺陷。第一节FMECA概述3、FMECA方法分类阶段方法目的论证、方案阶段功能FMECA分析研究产品功能设计的缺陷与薄弱坏节，为产品功能设计的改进和方案的权衡提供依据工程研制与定制阶段功能FMECA硬件FMECA软件FMECA损坏模式及影响分析(DMECA)过程FMECA分析研究产品硬件、软件、生产工艺和生存性与易损性设计的缺陷与薄弱环节，为产品的硬件、软件、生产工艺与易损性设计的改进提供依据生产阶段过程FMECA分析研究产品的生产工艺的缺陷和薄弱环节，为产品生产工艺的改进提供依据使用阶段硬件FMECA软件FMECA损坏模式及影响分析(DMECA)过程FMECA分析研究产品使用过程中可能或实际发生的故障、原因及其影响，为提高产品使用可靠性，进行产品的改进、改型或新产品的研制以及使用维修决策等提供依据FMECA方法分类表第一节FMECA概述1、系统定义第二节故障模式影响分析明确分析范围根据系统的复杂度、重要程度、技术成熟性、分析工作的进度和费用约束等，确定系统中进行FMECA的产品范围产品层次示例约定层次——规定的FMECA的产品层次初始约定层次——系统最顶层最低约定层次——系统最底层1、系统定义第二节故障模式影响分析系统任务分析和功能分析描述系统的任务要求及系统在完成各种功能任务时所处的环境条件任务剖面、任务阶段分析明确系统中的产品在完成不同的任务时所应具备的功能、工作方式及工作时间等功能描述确定故障判据制定系统及产品的故障判据。选择FMECA方法等故障判据分析方法2、故障模式分析第二节故障模式影响分析在进行故障模式分析时应注意，应确定并描述产品在每一种功能下可能的故障模式。一个产品可能具有多种功能，而每一种功能又可能具有多种故障模式，分析人员的任务就是找出产品每一种功能的全部可能的故障模式。此外，复杂系统一般具有多种任务功能。在轨道车辆的研发中常用“任务剖面”描述不同的任务功能，而每个任务剖面又由多个任务阶段组成，在每一个任务阶段中又具有不同的工作模式。因此，在进行故障模式分析时，还要说明轨道车辆的故障是在哪一个任务剖面的哪一个任务阶段的哪种工作模式下发生的。3、故障原因分析第二节故障模式影响分析例如：转向架一系悬挂钢弹簧损坏直接原因：钢弹簧材料差间接原因：钢弹簧在疲劳载荷作用下产生裂纹等直接原因导致产品功能故障的产品自身的物理、化学或生物变化过程等，直接原因又称为故障机理。间接原因由于其他产品的故障、环境因素和人为因素等引起的外部原因。4、故障影响分析第二节故障模式影响分析故障影响与约定层次在进行FMEA之前，首先应规定FMEA从哪个产品层次开始到哪个产品层次结束，这种规定的FMEA层次称为约定层次，用于明确分析对象和范围。故障影响局部影响:某产品的故障模式对该产品自身和与该产品所在约定层次相同的其他产品的使用、功能或状态的影响高一层次影响:某产品的故障模式对该产品所在约定层次的高一层次产品的使用、功能或状态的影响最终影响:指系统中某产品的故障模式对初始约定层次产品的使用、功能或状态的影响5、故障检测方法分析第二节故障模式影响分析故障检测方法是为产品可靠性设计、维修性设计、测试性设计、维修工作分析等提供依据，也是为设计改进和使用补偿措施提供依据。其方法一般包括目视检查、机内测试、检测设备等手段，如BIT(机内测试)、自动传感装置、传感仪器、音响报警装置、显示报警装置等。故障检测一般分为事前检测与事后检测两类，对于潜在故障模式，应尽可能设计事前检测。6、设计改进措施和使用补偿措施分析第二节故障模式影响分析设计改进措施和使用补偿措施分析是针对每个故障模式的影响，在设计和使用方面分别采用有效措施以消除或减轻故障影响，从而提高产品的可靠性。使用补偿措施的目的是尽量避免或预防故障的发生。(1)设计补偿措施增加冗余设备；制定安全或保险措施；设计可替换的工作方式；采用可以消除或减轻故障影响的设计或工艺改进。(2)操作人员补偿措施制定使用和维护规程，尽量避免或预防故障的发生；出现某故障后操作人员应采取最恰当的补救措施。6、设计改进措施和使用补偿措施分析第二节故障模式影响分析设计改进措施和使用补偿措施分析是针对每个故障模式的影响，在设计和使用方面分别采用有效措施以消除或减轻故障影响，从而提高产品的可靠性。使用补偿措施的目的是尽量避免或预防故障的发生。(1)设计补偿措施增加冗余设备；制定安全或保险措施；设计可替换的工作方式；采用可以消除或减轻故障影响的设计或工艺改进。(2)操作人员补偿措施制定使用和维护规程，尽量避免或预防故障的发生；出现某故障后操作人员应采取最恰当的补救措施。7、FMECA的实施明确分析范围产品功能任务分析明确产品故障判据故障模式分析故障原因分析故障影响分析故障检测方法分析补偿措施分析危害性分析得出分析结果系统定义FMEACA第二节故障模式影响分析7、FMECA的实施第二节故障模式影响分析1、CA的分析方法CA的目的是按每一故障的严重程度及该故障模式发生概率所产生的综合影响来对其分类，以便全面地评价各故障模式的影响。CA可以分为定性分析法和定量分析法两种。

当得不到所要求的产品技术数据和故障率数据时，应根据故障模式发生的概率来评价FMEA中所确定的故障模式。将各故障模式出现的概率按一定的规定分成不同的等级，并填入CA相应的表格中。故障模式发生的概率等级一般按如下规定划分：等级发生可能性总故障概率A经常>20%B很可能10%-20%C偶然1%-10%D很少发生0.1%-1%E极不可能发生<0.1%1.定性分析法第三节危害性分析1、CA的分析方法

2.定量分析法

定量分析是根据故障影响概率

、故障模式比率

，零部件故障率

、工作时间t、故障模式j、计算出产品的危害度故障影响产品肯定发生故障产品很可能发生故障产品有可能发生故障对产品无影响用定量分析法进行CA时，所用的故障率数据应与进行产品可靠性和维修性分析时所用的数据完全相同。在具有产品故障率数据情况下，应采用定量分析法，以得到更有用的分析结果。故障影响概率

第三节危害性分析1、CA的分析方法故障影响概率β是指假定某故障模式已发生时，导致确定的严酷度等级的最终影响的条件概率。某一故障模式可能产生多种最终影响，分析人员不但要分析出这些最终影响还应进一步指明该故障模式引起的每一种故障影响的百分比，此百分比即为β。这些多种最终影响的β值之和应为1。故障影响概率示例产品名称故障模式故障模式频数比α故障影响严酷度故障影响概率β制动系统卡死0.5火车滑轨并驶入火车站火车脱轨ⅡⅠ0.90.1效率降低0.5火车不能有效减速火车不能有效减速且发生安全事故ⅡⅠ0.80.2第三节危害性分析气体控制活门故障模式故障模式频数比α产品故障率λp模式故障率λm不闭合不打开外部漏气34%57%9%0.123450.041970.070360.01111总计1.00.12345故障模式频数比α是产品的某一故障模式占其全部故障模式的百分比率；如果考虑某产品所有可能的故障模式，则其故障模式频数比之和将为1；模式故障率λm是指产品总故障率λp与某故障模式频数比α的乘积。故障模式频数比及模式故障率1、CA的分析方法第三节危害性分析故障模式危害度——评价单一故障模式危害性Cm(j)=α×β×λp×t,

j=Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ产品危害度——评价产品的危害性Cr(j)=∑Cmi(j)， i=1,2,…,nn为该产品的故障模式总数，j=Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ∑Cmi(j)——产品在第j类严酷度类别下的所有故障模式的危害度之和。第三节危害性分析2、危害度矩阵图危害度矩阵是为了把每一种故障模式的危害度与其他故障模式做比较，从而确定每一故障模式的危害程度。将危害程度按大小顺序排列起来，以便确定改进措施的先后。故障模式出现概率等级ABCDEIVIIIIII危害性增长方向IVIIIIII危害性增长方向定性分析定量分析第三节危害性分析2、危害度矩阵图危害度矩阵的作图将产品故障模式代码按其严重等级(横坐标)和故障模式概率等级或产品危害度标在矩阵相应位置上，从而得出故障模式分布点。从原点开始连接各分布点。连接线愈长，即故障模式分布点沿对角线方向距离原点愈远，则此故障模式危害性越大，表明越需要采取改进措施。故障模式出现概率等级ABCDEIVIIIIII危害性增长方向1，23456，78产品名称功能编号故障原因故障严重等级故障模式概率级别安全控制阀门当控制开关故障使系统不能启动时向燃烧器供气1不闭合IID2不打开IID3内部漏气IVC4外部漏气ID5不闭合IIID6不打开IVD7内部漏气IVD8不能保持打开IIC危害性最重第三节危害性分析2、危害度矩阵图模糊综合评价方法依赖于模糊数学的部分概念，并给出了针对综合评价问题的评价方法。具体而言，模糊综合评价是基于模糊数学，利用模糊关系相结合的原理来量化一些不清楚且难以量化的要素，是一种从多个因素对评估事物的从属层次结构进行一般评价的方法。建立因素集及评价集确定影响因素的权重集模糊综合判断危害度确定第四节基于模糊数学的故障模式危害性分析二级模糊综合评判模型练习：以某高速列车转向架轮对系统中的车轮为例，对其进行基于模糊理论的故障模式危害性分析。等级等级定义I列车运营过程中，因车门故障造成乘客人身安全受到伤害。II列车车门故障无法立刻排除，导致列车不能继续运营，需要清客停运。Ⅲ短时间无法解决车门故障，列车车门必须被切除隔离，列车方可继续运营；如某一车门无法打开或关上等。IV列车车门故障，必须要司机或驻站列检排除故障，但造成正线停车晚点，延误时间较短；如EDCU插头松动须紧固。V对列车运营无影响，列车可带车门故障运行，可回库检修；如车门内外部指示灯故障、车门尺寸略微变动、有异响、接地线未接等。等级故障影响的严重程度1轻微对系统的性能不会产生影响，用户注意不到的轻微故障2，3低对系统性能有轻微影响的故障，用户可能会注意到并引起轻微抱怨4，5，6中等引起系统性能下降的故障，用户感觉不舒适和不满意7，8高中断操作的重大故障或提供舒适性的子系统不能工作的故障，用户感到强烈不满意。但此类故障不会引起安全性后果也不违反政府法规9，10非常高引起生命、财产损失的致命故障或不符合政府法规的故障塞拉门严酷度等级评定表严酷度等级评定表第五节某型动车组塞拉门FMECA应用示例子系统编号部件功能故障模式故障原因故障影响故障等级恢复系统运作行动基础部件1电机接线传递驱动信号电机驱动模块无PWM输出电机驱动模块电路失效车门被切除隔离Ⅲ重新安装加强紧固2定位销车门下部定位变形质量缺陷受力较大列车晚点2分钟IV维修更换3嵌块车门下部定位变形质量缺陷与定位销摩擦过度增加列车维护工作V维修更换电气控制4紧急解锁S3客室门紧急解锁动作检测无法检测解锁开关损坏车门被切除隔离Ⅲ维修更换5错误检测解锁车门被切除隔离维修更换通过阅读相关文献可知，塞拉门车门系统最不希望发生的三种车门状态分别为车门开门故障、车门关门故障、列车运行时客室车门自动打开故障。以上述三种车门状态为分析基础，去除偶发人为因素，对照严酷度等级评定表按故障影响进行分类。从塞拉门系统子部件中选择关键部件，绘制FMEA表。FMEA表第五节某型动车组塞拉门FMECA应用示例塞拉门车门系统FMECA分析子系统编号部件功能故障模式故障原因故障影响故障等级恢复系统运作行动电气控制6使能继电器导通时使能列车线得电功能失效继电器故障列车退出服务II维修更换7车门切除行程开关S2客室门故障时将门隔离无法检测隔离信号开关损坏车门被切除隔离Ⅲ维修更换8错误发送隔离信号车门被切除隔离9切除继电器导通时切除列车线得电功能失效继电器损坏列车退出服务II维修更换10保持继电器保持安全稳定电路功能失效继电器损坏列车退出服务II维修更换11开门按钮装置控制关门功能失效内部接线接触不良列车退出服务II维修更换12车门关门行程开关S1检测客室门板关闭状态，闭合安全回路无法发送关到位信号开关损坏车门被切除隔离Ⅲ维修更换13错误发送关到位信号车门被切除隔离14位置传感器实时动态监测开关门状态功能失效继电器损坏列车退出服务II维修更换FMEA表(续)第五节某型动车组塞拉门FMECA应用示例塞拉门车门系统FMECA分析子系统编号部件功能故障模式故障原因故障影响故障等级恢复系统运作行动电气控制15EDCU驱动电机状态检测安全防护电源故障电路失效列车晚点2分钟IV检查电路插头维修更换16功能失效门控器内部件损坏或无输出信号车门被切除隔离Ⅲ对门控器内部件进行设计改进17软件故障版本未及时更新车门被切除隔离Ⅲ及时更新进EDCU版本18锁闭行程开关S4检测门的锁闭安全回路状态无法发送锁到位信号开关损坏车门被切除隔离Ⅲ维修更换19错误发送锁到位信号车门被切除隔离驱动装置20解锁钢丝绳传递解锁动力松动长时间应用后未及时调整车门被切除隔离Ⅲ及时调整拉紧力21电机组件故障驱动车门动作无法正常输出内部结构损坏车门被切除隔离Ⅲ维修更换22中间解锁装置帮助解锁润滑不良未润滑到位车门被切除隔离Ⅲ润滑维修23拨叉解锁主要元件与行程开关干涉工作角度异常车门被切除隔离Ⅲ调整安装角度FMEA表(续)第五节某型动车组塞拉门FMECA应用示例塞拉门车门系统FMECA分析子系统编号部件功能故障模式故障原因故障影响故障等级恢复系统运作行动驱动锁闭24螺母副齿轮组件与携门架配合卡滞断裂润滑不良或松脱断裂车门被切除隔离Ⅲ维修更换25轴套与传动丝杆配合传动解锁磨损长期受力金属性能退让性差增加列车维护工作V润滑维修更换新建26解锁撞块安全解锁装置解锁撞块断裂受力磨损及材料缺陷车门被切除隔离Ⅲ维修更换27传动丝杆传动和锁闭丝杆螺母润滑不良未及时检修润滑增加列车维护工作V及时润滑变滑动为滚动承载导向28长短导柱承受门重量为门移动提供自由度润滑不良及磨损未及时检修润滑增加列车维护工作V清理锈迹进行润滑29上下导轨导向定位变形材料缺陷，磨损车门被切除隔离Ⅲ对其进行设计改进维修更换30导向定位与转臂螺丝干涉工作角度异常车门被切除隔离Ⅲ对其进行设计改进维修更换31平衡压轮防止车门垂直移动压轮过紧间隙失调日常检修不到位增加列车维护工作V调整压轮与页面间隙FMEA表(续)第五节某型动车组塞拉门FMECA应用示例塞拉门关键部件CA分析产品i的第j种故障模式的危害度计算公式：名称表示故障影响频率

表示单元i的第j种故障模式发生的条件下，元件故障对系统的影响级别，一般由分析人员根据经验判断得到。故障率

为单元i的故障率，本节中为通过文献中故障数据得到的平均故障率。故障影响概率的取值故障影响部件肯定发生损伤，丧失功能=1部件可能发生损伤，丧失功能=0.5部件很少发生损伤，丧失功能=0.1对部件无影响=0第五节某型动车组塞拉门FMECA应用示例塞拉门关键部件CA分析子系统编号部件故障模式故障率故障影响概率工作时间t/万小时危害度基础部件1电机接线电机接线故障0.051301.502定位销定位销变形0.150.5302.253嵌块嵌块变形0.261307.8电气控制系

统4紧急解锁S3S3无法检测解锁0.081302.405S3错误检测解锁0.5613016.806使能继电器使能继电器功能失效0.091302.707车门切除行程开关S2S2无法发送隔离信号0.081302.408S2错误发送隔离信号0.181305.409切除继电器切除继电器功能失效0.111303.30塞拉门关键部件CA表第五节某型动车组塞拉门FMECA应用示例塞拉门关键部件CA分析塞拉门关键部件CA表(续)子系统编号部件故障模式故障率故障影响概率工作时间t/万小时危害度电气控制系统10保持继电器保持继电器功能失效0.071302.1011开门按钮开关门按钮失效0.041301.2012车门关门行程开关S1S1无法发送关到位信号1.9213057.6013S1错误发送关到位信号0.3713011.1014位置传感器位置传感器功能