fmeca技术在航空发动机行业中的应用

fmeca技术在航空发动机行业中的应用

1fmeca介绍在长期的生产活动中，人们积累了丰富的经验，形成了许多理论和标准。在对于单元(如一个构件)与系统(如组件、部件、发动机以至飞机)间故障联系的研究中,人们总结出了一种系统的、有效的分析方法——故障模式、影响及危害性分析(FailureMode,EffectandCriticalityAnalysis简写FMECA)方法,它是在系统设计过程中,通过对系统各组成部分单元潜在的各种故障模式及其对系统功能的影响,与产生后果的严重程度进行分析,提出可能采取的预防改进措施,以提高产品可靠性的一种设计方法。这种技术使人们对于单元故障对系统影响的分析过程,不再过分依赖于个人经验,而把这一分析过程规范化、严谨化,从而作出单元故障对系统会产生何种影响的正确判断,来改进单元的设计,进一步提高整个系统的可靠性。由于FMECA能比较成功地预防故障的发生,因此早在50年代,作为一种故障分析技术,FMECA就已经用于美国格鲁门公司飞机主操纵系统的研制。从那时起,FMECA在世界各国的国防、机械、汽车等众多工业领域中得到了广泛的应用。文献比较典型地体现了FMECA技术在航空发动机行业中的应用情况。我国已经在多个领域中使用FMECA来保证产品的可靠性,并制定了有关的国家标准和军用标准。航空发动机行业也开展了FMECA工作,规定定型发动机必需进行系统的FMECA分析并形成相关文档,文献对航空发动机行业开展FMECA工作有重要指导作用。2fmeca分析的过程FMECA分析的基本出发点,不是在故障发生后再去分析评价,而是分析现有设计方案和细节,判断将可能发生什么样的故障模式,反复组织故障模式预测、故障模式的分级和评价、故障模式改正措施等活动,尽可能做到消除设计上的缺陷,达到改进设计的目的。其工作程序是,首先要进行FMEA,再进行CA。FMEA是定性分析,即对产品进行故障模式、影响、机理及其后果分析。FMECA是FMEA基础上再加一层任务,使分析量化,即根据产品可靠性结构、寿命模型及试验信息等,利用概率统计的方法,给出产品可靠性特征量的估计值,判断这种故障模式对系统影响的危害性程度有多大。具体的工作方法就是,根据产品的功能,对可以预测到的每个故障模式进行评价,用表格列出各个产品可能发生的故障模式,考虑到各产品故障模式的影响与父系统功能的关系,在表中写出该故障模式产生的原因、对各层父系统的影响、危害性的分析,并列出检测的方法和建议的改进措施。它是一种“自下而上”的分析方法。由于FMECA利用表格,简明地列举产品的所有故障模式,可找出系统可能发生的故障。它方法简单,易实现,不需复杂的数学运算,适用性较广。FMECA分析是可靠性设计中最重要的环节之一,它能规范设计人员的设计活动,使即便是没有足够经验的设计员,也能够根据FMECA分析的工作程序,按给出的FMECA表全面地逐项考虑所设计产品的潜在故障的模式、影响、危害、原因、改进措施,提出进一步开展计算分析、试验研究工作的项目和要求,甚至在外场使用时所必须的检查要求等,提高产品的可靠性。由上可见,FMECA表集中体现了设计人员在设计活动中、在可靠性方面的设计思想,即设计中考虑了构件或系统可能有哪些潜在故障,根据不同的影响程度,应在研制、制造和故障的检测中采取什么措施来提高产品的可靠性。FMECA表能比较集中地体现设计人员在可靠性设计方面的认识水平和设计水平,也为研制过程中各级校对、审核人员,在图纸文件的复查审批过程中提供了针对可靠性进行评审的基础,也为今后同类设计提供重要的参考。3事前和事中分析模型FMECA可以应用于产品研制的各个阶段(从方案论证到产品使用)和对故障分析的各个阶段(事前分析、事中分析、事后分析)。它的最有效实施时期,是在产品设计、开发、制造阶段的预测分析,即应用在故障分析的事前和事中预测分析阶段。它的有效性取决于可利用的资料和分析人员的技术水平和经验。3.1在方案论证步骤中的应用在这一阶段主要是综合考虑产品的适用效能与经济费用,分析系统可能的故障模式及其对方案的影响,从而进一步提出寿命、维修性等可靠性指标。3.2故障模式检测设计阶段是FMECA应用的重要阶段。这时要在充分收集有关资料、信息的基础上,找出各零、部件所有可能发生的故障模式,认真分析这些故障模式可能发生的概率,及其会对各层父系统功能造成影响的程度、严酷度、危害的等级,提出该故障模式出现时的检测方法、要求、处理的办法和改进措施的建议。这些活动在设计人员、系统管理人员、可靠性工程人员的共同合作下进行,在设计中进行必要的更改,以提高产品的可靠性指标。在确定哪些零组件为关键件、重要件时也都要以FME-CA分析表为依据。当设计更改后,整个过程要重复进行。3.3fmeca活动这一阶段是以可靠性增长为目的,当产品的可靠性指标没有达到预期要求,应进行FMECA活动,解决对可靠性指标产生影响的问题。当产品设计、工艺设计更改时也要使用FMECA,消除更改措施对产品的不利影响,保证可靠性。3.4feca表的设备性能分析,表现出零、部件故障模式,确定真正故障原因,确定真正故障原因,确定真正故障原因的确定当出现飞机、发动机事故后,可以使用FMECA来排除干扰因素,确定事故原因。具体做法是,根据事故现象,找出所有可能引起该事故的零、部件的故障模式,把FMECA表中对飞机、发动机影响的描述和检测方法的描述同事故现象分析、残骸分析等事实依据进行对比,排除与事故无关的故障模式,确定真正的故障原因。由于在设计阶段就已经进行了FMECA工作,列出了各类故障模式和对发动机、飞机系统的影响、检测方法等,所以此时只需进行对照排除就可以,大大简化对事故原因的分析工作,从而尽快地找到发生事故的真实原因。4检测方法及预防再故障的检测建议在编制FMECA表格中,应包含对零件或部件的自然情况、故障模式、故障部位、故障原因的描述,对系统的影响、危害性的分析,严酷度、危害度等级的划分;对检测方法的要求和避免故障再现措施的建议等内容。有条理的FMECA表格,是FMECA工作系统化的基础。4.2对故障模式的审核应贯彻“谁设计,谁分析”的原则。先是由设计人员提出可能发生的故障模式并填写FMECA表格,有关人员审核表格中的故障模式是否全面、改进措施是否正确,系统主管人员对故障模式对各父系统产生的影响进行评价,可靠性工作人员进行全面的审查,提出严酷度级别的建议,从而为划分关键件、重要件提供依据。合理的分工合作,是贯彻FMECA工作的首要前提。4.3消除设计区域内的危害性大的故障模式为及时发现设计中潜在的薄弱环节,采取措施,改进设计,把危害性大的故障模式消除在设计阶段。FMECA工作的内容应当反复进行,在每次设计、复查、修改设计直至设计定型过程中都应进行,从而尽可能地减少设计上的缺陷;4.4fta分析的意义对故障之间的关联性分析应使用故障树分析法(FTA)。因为FMECA分析主要是对某一个基本单元(构件或系统)的单一故障模式的分析,包括故障对各级父系统的影响,是一种自下而上的分析方法,而FTA分析主要是针对比较重大、比较复杂的故障,特别是多功能复杂系统,含有多个基本单元,可能有多种故障模式情况下,采用逐级分解、细化分析的方法,是一自上而下的故障分析方法。两种分析方法相辅相成,在应用过程中,可以取得比较好的分析效果。5航空车辆的feca分析5.1关规定及相应fmeca表国军标GJB-1391-92给出了FMECA分析的有关规定及相应的FMECA表。本文附表是在GJB-1391-92的FMECA表的基础上,针对航空发动机研制的特点,对措施、危害性及故障的检查和处置作了修改和补充。5.1.1需解决的措施。对于已经取得的措施，有关部门和政府要求较多地描述故障可能原因的分析及针对故障原因采取的相应措施,不仅是本次设计中已采取了的措施,还要提出进一步解决措施的建议,包括需要进行的分析或试验工作项目和要求。另外,在复查或修改设计时,需了解已经采取的措施实施结果。5.1.2航空发动机失效危险性分析国军标的规定对航空发动机不完全合适,因此作了较大改动。危害性的定量分析是十分困难的,本表要求设计人员或可靠性人员从四个方面进行分析。第一,是明确本构件允许的失效概率,这可以通过参考同类设计或在整个系统的可靠性分析和予估后分配给定;第二,是要了解同类产品失效的统计概率,对航空发动机而言可用数据较少,往往无法确定,但要求设计人员能了解同类产品的故障情况,作为分析参考;第三,了解发动机研制过程中(包括试验和试飞),本构件的失效情况,这也是危害性分析的重要参考;最后,综合上述情况予估危害性等级。需要说明的是危害性等级是在对原因、措施评估的基础上,在和允许概率、统计与研制中故障率相比较下确定的。有些故障模式可能同类产品和研制中的故障率都较高,但如果允许概率也较高,则故障危害度等级并不会很高;相反,有些故障即使在同类产品使用中或新机研制中很少出现,但如果允许概率很低,则其危害性等级应该较高。5.1.3早发现故障航空发动机在使用中,有些故障还是很难避免的,要求能及时或尽早发现故障或故障征候。本栏要求设计人员在设计阶段就考虑在外场或返厂的不同场所发现故障的检查方法、检查要求和处置方法,以便在设计中安排内窥检查等维修性设计,为使用维护提出相关要求。5.2机故障模式、影响及危害性分析软件的应用为了方便地使用FMECA表,充分发挥FMECA表在技术设计工作中的作用,并体现出FMECA的特点,编制一个针对性强、使用方便、界面友好、安全可靠的软件是必要的。目前使用的“发动机故障模式、影响及危害性分析软件”能方便地进行记录的定位、添加、编辑、删除、查询、统计和打印等操作,并能把符合用户要的记录集中显示,以方便观察,将符合用户要求的记录按附表所示的格式打印出来。软件在用户输入故障模式时,还能自动列出数据库中已经存在的、同一类型零组件的故障模式,以保证故障模式输入的统一、规范且方便。满足用户进行各种方式的查询是数据库类软件的重要功能,为使软件能在设计、生产、排故甚至外场等多种场合得以应用,软件将随查询方法的改进进一步升级,为用户提供交叉、组合式的查询方式,并且加入尽量多的帮助提示功能,以方便用户。5.3危害度分析方法快卸环的FMECA分析(详见附表)。补充说明如下:在WPX系列发动机的同类产品中,曾出现过几次这种模式的故障,因此,设计人员仔细进行了故障模式的分析。主要有两种故障模式,一是快卸环脱落和结合面泄漏燃气,二是接头部位断裂。FMECA分析要求每种模式一份表格,本表是第一种模式的分析表。这种故障模式对各级父系统影响都很严重,显然严酷度是Ⅰ级。分析以为主要有5种可能的故障原因,针对这些原因采取了相应的设计措施和制造、安装要求,并提出了强度和试验要求,验证了设计措施的效果。危害度分析中参考有关发动机规范,允许概率确定为B0.1,同类机种使用中曾出现过几次故障,因此危害度较高,统计概率应为A级,但考虑到设计中作了较好的原因分析,改进了设计,采取了措施,大大地降低了出现故障的可能性,