FMECA技術在艦船裝備RMS一體化設計中的應用

汪雪蓮 趙海江 黃 君

1中國艦船研究設計中心，湖北 武漢 430064

2海軍裝備部，北京 100084

FMECA技術在艦船裝備RMS一體化設計中的應用

汪雪蓮1趙海江2黃 君1

1中國艦船研究設計中心，湖北 武漢 430064

2海軍裝備部，北京 100084

為充分發揮FMECA（故障模式、影響及危害性分析）的作用，使其既能為裝備設計、改進提供有效的建議，又能為裝備RCMA（以可靠性為中心的維修分析）、MTA（維修工作分析）提供輸入信息，對傳統的FMECA方法進行改進，增加維修方式的分析，利用RPN（風險優先數）方法的計算結果給出初步的補償措施，實現對FMECA結果的重復利用。在應用案例中量化了故障發生度和危害度的評分標準，并引入EAGLE軟件作為開展FMECA工作的平臺，以便工程人員操作。工程實踐表明，該方法推動了FMECA技術的深入應用，為實現艦船裝備RMS一體化設計奠定了基礎。

FMECA；RMS；一體化設計；艦船裝備

1 引言

可靠性（R）、可維修性（M）、保障性（S）設計與分析在武器裝備研制中的地位和作用已為廣大設計和管理人員所公認［1］。然而，RMS設計與分析工作在工程實踐中開展的情況卻并不理想，一些項目的RMS設計與工程設計脫節，RMS流于形式。其原因是多方面的，對于多數工程項目而言，RMS設計與分析各自成體系導致工作多而亂，是重要原因之一。打破RMS設計與分析自成系統，進行RMS一體化設計與分析將減少不必要的重復工作，有利于提高RMS設計分析工作的效率。而要達到這一目的，除管理因素外，最重要的是研究RMS一體化設計分析技術、方法和手段。

國內外可靠性工作的經驗都認為，故障模式、影響及危害性分析（FMECA）是工程實踐中最為經濟有效的可靠性設計分析技術［2］。實際上，FMECA也是維修性設計分析中最重要的分析技術，包括對于裝備戰場搶修特性的考慮，它都是非常重要的信息來源。在保障性分析 （LSA）中，FMECA是以可靠性為中心的維修分析（RCMA）和維修工作分析（MTA）的基礎，而這2項分析正是保障性分析技術中的核心［3］。另外，在可靠性、維修性和保障性標準中，都將FMECA作為工作項目，而且在絕大多數工程項目合同中都選擇了這個工作項目。可以說，FMECA是可靠性、維修性和保障性設計中都必須開展的工作項目。RMS一體化設計正是圍繞消除和減少故障、預防和排除故障及其維修保障進行的。因此，我們可以充分應用FMECA技術，以產品的故障模式為紐帶，把可靠性、維修性、保障性緊密聯系起來，進行RMS一體化設計和分析。

FMECA技術已經相當成熟，國軍標《故障模式、 影響及危害性分析指南》（GJB／Z 1391－2006）對其方法進行了詳盡規定。然而，目前艦船裝備FMECA工作通常只考慮了可靠性設計的需要，未考慮到維修性和保障性的要求，導致分析重復或維修性、保障性分析沒有基礎，影響FMECA技術在RMS一體化設計中的應用。針對艦船裝備FMECA的工作現狀，本文對傳統的FMECA方法進行改進，使其能為產品設計的改進和維修對策的制定提供依據，并借助計算機輔助FMECA軟件工具提高FMECA工作效率，促進FMECA工作的深入化、規范化、系統化。

2 FMECA技術簡介

2.1 FMECA 定義

FMECA由兩部分工作構成，即故障模式、影響分析（FMEA）和危害性分析（CA），其中 FMEA用于確定產品所有可能的故障模式、原因、影響及最終影響的嚴重程度（嚴酷度）；CA用于在確定產品故障模式的發生概率（故障率）的基礎上，和嚴酷度類別（或等級）一起確定故障模式的危害性程度（危害度），以發現產品設計、生產、使用中的薄弱環節，提出預防改進措施。

2.2 FMECA 方法分類

FMEA可劃分2類，即設計FMEA和過程FMEA。其中，設計FMEA是目前工程中普遍使用的分析類型，也是本文研究的內容。通常，設計FMEA有2種基本方法，即功能FMEA（功能法）和硬件 FMEA（硬件法）［4］。

1）功能法

該方法列出產品的所有功能，分析每個功能可能的故障模式、原因及其影響，一般在產品構成尚不明確或不完全確定時采用。

2）硬件法

該方法列出每個獨立的硬件產品，分析每個硬件可能的故障模式、原因及其影響，一般以自下而上的方式進行。通常適用于產品設計圖紙或有關的工程資料已基本確定的情況。

CA是對FMEA的補充和擴展，其分析方法分為定性分析法和定量分析法。

1）定性分析法

當不能獲得準確的產品故障數據時，產品故障率和嚴酷度可使用預先定義的級別來定性描述。常用的定性CA方法包括風險優先數（RPN）法和定性危害性矩陣法。

2）定量分析法

定量CA方法是使用產品具體的故障數據定量計算危害度數值的分析方法，如常用的定量危害性矩陣法。

2.3 FMECA 過程

FMECA是一個反復迭代、逐層遞推的過程，基本上可以分為5個大的步驟 （共含17個小步驟），如圖1所示。

在實際應用中，分析人員可根據具體產品的特點和任務要求對FMECA的分析步驟和內容進行補充、調整或刪減。

3 RMS一體化設計方法

如前所述，FMECA可用于RMS各個方面，通過綜合應用這項技術，可進行RMS一體化設計與分析。然而，GJB／Z 1391－2006推薦的FMECA方法是基于可靠性分析的，只敘述FMECA對產品改進的影響，而沒有提到FMECA為產品保障要素提供信息這一重要功能［5］。因此，這種傳統設計方法并不能直接采用，必須將其納入RMS一體化設計過程。因此，需要對傳統FMECA方法涉及的分析流程、分析用表等加以改進，并程序化。這里把它稱為“以故障模式為中心的RMS一體化設計方法”，其基本流程如圖2所示。

3.1 應用目的

FMECA在RMS一體化設計中應用的目的是，找出產品各種可能的故障模式、原因及影響，并針對原因和影響確定維修對策，為RCMA和MTA確定輸入信息，同時為產品的設計改進提供依據。

圖1 FMECA過程Fig.1 FMECA process

圖2 以故障模式為中心的RMS一體化設計流程Fig.2 Flowchart of RMS i ntegrat ed design based on failuremode

3.2 分析過程

根據上述應用目的，對圖1中的分析步驟和內容進行如下改進：

1）由于所有維修任務和保障要素需要與產品分解結構相關聯，所以在“故障模式分析”之前增加“建立分解結構”這個項目，輸出產品的分解結構作為FMECA的輸入信息。產品分解結構是對產品自頂向下、逐層細分的結構化組織形式，通常采用樹形結構。產品結構的分解方式有3種：按功能分解；按物理部件分解；按功能和物理部件相結合的方式分解。第1種方式有利于故障模式的分析，第2種方式有利于維修對象的確定，第3種方式可以保證分析到產品所有的故障模式，同時兼顧了維修的需要。進行RMS一體化設計必須使用物理分解結構，但將2種分解結構結合起來效果更好。

2）去掉“使用補償措施分析”，同時增加“維修方式分析”項目，輸出針對底層故障原因的維修工作類型，為RCMA、MTA提供輸入，該項目與“設計改進措施分析”一起統稱為 “補償措施分析”，并將“補償措施分析”項目調整到“CA實施”結束后進行。

3.3 分析方法

建立產品物理分解結構是將FMECA技術應用于產品RMS一體化設計的基礎，而建立產品物理分解結構的前提就是該產品的硬件組成已基本明確，因此在RMS一體化設計過程中，可以采用硬件法進行FMEA。同時，由于計算故障模式危害度比較復雜，所以可采用RPN法進行CA，以便于工程人員操作。

3.4 分析表格

為了使FMECA在RMS一體化設計的工程實踐中能夠更加方便、容易地進行，本文對GJB／Z 1391-2006的傳統FMECA進行了改進，改進后的FMECA表格如表1所示。

表1 FMECA工程用表Tab.1 FMECA table used for engineering practices

在表1中，約定層次為FMECA表格中正在被分析的產品緊鄰的高一層次；產品編碼為產品的分解結構碼，即保障性分析控制號（LCN），它是標識產品的唯一編碼，也是建立產品分解結構的核心編碼，該編碼可以反映產品各組成部分的層次和所屬關系；故障模式為被分析產品故障的表現形式，而且必須是可以通過人工觀察或借助儀器能檢測到的故障現象［6］；故障原因為與被分析產品的故障模式有關的各種原因，包括產品內部原因（即其子零部件故障）和產品外部原因（如人為差錯、外部環境、條件影響等）。底層原因是指無需進一步分析而直接可進行維修或更改設計的故障原因，由它產生維修或更改設計要求；故障影響為產品（除頂層產品外）故障模式對高一層次產品的影響。在只考慮產品內部故障的前提下，當前層次產品的故障模式對高一層次的影響就是高一層次產品的故障模式，而當前層次產品導致該故障影響的故障模式，則是高一層次產品該故障模式的故障原因［7］。通過這種迭代關系，可以將低層次產品的分析結果納入到高層次產品的分析之中，并為故障診斷提供重要的思路；故障檢測方法為操作或維修人員用來檢測故障模式發生的手段，包括：人工觀察（視覺、聽覺、觸覺等）、機內測試、外部測試等；風險優先數 （RPN）為故障發生度（O）、嚴重度（S）、檢測度（D）3 項指標的乘積，用來表明故障的危險程度。O、S、D通常采用1～N級量化評分，具體的評分標準視實際情況而定［8］。O為故障原因的發生頻率等級，其等級分值越大說明該原因發生的概率越高；S為故障原因的危害度等級，其等級分值越大說明該原因對產品正常工作所造成的影響就越大；D為故障原因的可檢測性等級，其等級分值越大說明該原因越不容易被檢測出來。

需要說明的是，O、S、D、RPN都是針對底層原因而言的。即對產品的每1種故障模式，只需要對其底層原因的O、S、D進行評分，并計算RPN，就可以決定采取何種補償措施。RPN的理想值是1，此時故障的危險性最小，不需要采取補償措施；隨著RPN的增大，故障的危險性也增大，此時就越需要采取相應的補償措施。那么，究竟RPN達到多少時需要采取何種補償措施？這就涉及到如何確定RPN閾值的問題。如圖3所示，r1，r2就是RPN閾值，當RPN≤r1時，建議采取修復性維修；當 r1＜RPN≤r2時，建議采取預防性維修；當RPN＞r2時，建議采取改進措施。

在圖3中，改進措施指用來消除或減輕故障影響的在產品設計上的改進措施；維修方式指用來預防或排除產品故障的維修工作類型，包括預防性維修和修復性維修2大類［9］。對于初步選擇的預防性維修方式，FMECA的結果還要作為RCMA的輸入，進一步決定預防性維修的具體維修模式（包括保養、操作人員監控、功能檢測、定時拆修、定時報廢、使用檢查、綜合工作等7類），并將不適用預防性維修的故障原因改為進行改進設計或修復性維修［10］。

圖3 按RPN計算結果選擇補償措施Fig.3 Choice of compensatorymeasures by RPN calculation result s

4 RMS一體化設計案例

本文以某電子設備作為應用案例，介紹FMECA技術在裝備RMS一體化設計中的應用方法。

4.1 明確分析范圍

根據該設備各組成部分的相對復雜程度和功能關系，將該設備劃分為3個約定層次：設備、機箱、部件（板卡／模塊）。該設備FMECA的初始約定層次定為“設備”。根據該設備的維修可更換單元層次，將最低約定層次定為“部件”。

4.2 建立編碼體系

1）分解結構碼

根據約定層次劃分，該設備共分為3個層次，各層LCN的編碼規則如下：

第1層（初始約定層次）3位字符，第1位字符表示該設備的分解結構類型碼，本案例用P或F代表物理或功能結構，第2、3位字符表示該設備的代號，本案例用TS表示，如該設備的物理LCN為TSP；

第2層5位字符，由第1層次產品的編碼和2位數字順序號表示，如該設備中操作顯示機箱本案例的分析對象的物理LCN為TSP01；

第3層（最低約定層次）7位字符，由其所屬的第2層次產品的編碼和2位數字順序號表示，如操作顯示機箱中部件A的物理LCN為TSP0101。

2）功能編碼

功能編碼用來唯一標識某一產品的某個功能，共2位，以F加1位數字來表示，如F1表示該產品的第1個功能。

3）故障模式編碼

故障模式編碼用來唯一標識某一產品的某個故障模式，共3位，以該產品的功能編碼加1位數字來表示，如F11表示該產品第1個功能的第1個故障模式。

4）故障原因編碼

故障原因編碼用來唯一標識某一產品的某個故障原因，共4位，以該產品的故障模式編碼加1位數字來表示，如F111表示該產品第1個功能的第1個故障模式的第1個故障原因。

4.3 選擇軟件工具

根據通用的FMECA技術要求，國內外已開發出輔助進行FMECA的軟件工具，并通過在工程領域的推廣應用，逐漸形成成熟的軟件產品。這些軟件的基本功能以分析數據的管理為主，目的是輔助分析，增強分析工作的條理性和規范性，減少數據和文字的編輯整理工作［11］。本案例采用EAGLE軟件輔助設備的FMECA工作。EAGLE是美國Raytheon公司按美軍標《裝備保障性分析記錄》（MIL－STD－1388－2B） 制作的綜合保障數據集成管理軟件，該軟件的定位是將裝備全壽期內綜合保障相關工作（包括RMS設計與分析）產生的數據集成，從而避免或減小信息孤島的產生。該設備使用此軟件后生成的FMECA數據可以重復利用，例如用于設備交互式電子技術手冊的制作。

4.4 建立分解結構

本案例采用3.2節介紹的分解方式中的第3種，以產品物理結構為基礎框架，將功能與之相關聯，如圖4所示。

圖4 操作顯示機箱物理與功能分解結構對應關系樹Fig.4 Mapping tree of operation and display drawer’s function breakdown structure to physical breakdown structure

4.5 明確維修方式判定準則

1） 確定 O、S、D 評分標準

GJB／Z 1391－2006推薦的故障發生度、危害度、檢測度評分標準比較模糊，因此本案例對原有評分標準進行了改進，使其更加客觀清晰，具體評分標準如表2所示。其中，O用故障率λ（單位：10－6／h）作為量化評分指標，某個故障原因的λ值越大，該故障原因發生的頻率就越高，則該原因的發生度等級分值也就越大；S用故障平均修復時間MTTR（單位：h）作為量化評分指標，某個故障原因的MTTR值越長，由該故障原因導致的設備停機時間就越長，則該原因的危害度等級分值也就越大。

表2 O、S、D評分標準Tab.2 Criteri a of grading O、S、D

2）確定RPN閾值

本案例確定 r1＝6、r2＝24，即 RPN≤6，建議采取修復性維修；6＜RPN≤24，建議采取預防性維修；RPN＞24，建議采取改進措施。

4.6 RMS一體化設計分析結果

由圖5可見，通過FMECA，可以初步得到操作顯示機箱需要進行改進設計的故障原因有1種，需要進入RCMA的故障原因有9種，直接進入MTA的故障原因有6種。通過對9項關鍵故障原因進行RCMA，得到對各關鍵故障原因的處理措施（包括預防性維修7項、修復性維修1項、改進設計1項）。綜合FMECA和RCMA的結果，最終得到需要進行更改設計的故障原因2項，需要進入MTA的維修任務14項 （包括預防性維修7項、修復性維修7項）。通過MTA得到針對每一項維修任務的細節信息，包括維修類型、維修周期、維修級別、維修步驟、維修時間以及維修所需的保障資源要求，為制定維修方案和供應方案提供依據。

圖5 操作顯示機箱RMS一體化設計的數據流Fig.5 Data flow of RMS integrat ed design for the operation and display d rawer

5 結束語

本文以某電子設備為分析對象，研究FMECA技術在裝備RMS一體化設計中的具體應用，包括分析流程、分析方法、分析用表、編碼體系以及分析工具等。改進后的FMECA方法把RMS一體化設計分析深入到產品的主要零部件、可更換單元，讓產品設計人員在進行功能、結構設計的同時就考慮RMS問題，進行以故障模式為中心的綜合分析。同時，本文選用EAGLE軟件作為FMECA的輔助分析工具，不僅提升了裝備研制單位的RMS設計與分析水平，而且推動了RMS數據的集成和應用。對于RMS，除設計與分析一體化外，還有RMS管理一體化、指標分配一體化、設計準則一體化、試驗與評價一體化等問題。本文只起到拋磚引玉的作用，仍需要后續對RMS相關專業學科進行深入研究，逐步建立統一的、規范的、適合產品研制需要的RMS一體化工作流程和相關制度，為實現裝備RMS的真正集成提供支撐。

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Application of FMECA Technique in the RMS Integrated Design of Shipboard Equipm ent

Wang Xue－lian1 Zhao Hai-jiang2 Huang Jun1
1 China Ship Developmentand Design Center，Wuhan 430064，China
2 Naval Armament Departmentof PLAN，Beijing 100084，China

The applicat ion of FMECA technique in the equipment design notonly can provide useful suggestions for design works，but also input information for the RCMA and MTA analyses.To take full advantages of this technique， by incorporating the analysis ofmaintenance mode， the traditional FMECA method was improved.Based on the results of RPN calculation preliminary compensatory measures were derived， which made the FMECA results reusable.In the application case，the quantitative criteria of grading and severity due to failure occurence were also offered， moreover， EAGLE software was introduced to aid in the FMECA analysis of the equipment，enabling FMECA analysis to be easily operated by the engineering personnel.Engineering practices indicate that using thismethod can extend application of FMECA technique and provide a basis for RMS integrat ed design of shipboard equipment.

FMECA；RMS；integrat ed design；ship equipment

U662.9

A

1673－3185（2011）06－92－06

10.3969/j.issn.1673-3185.2011.06.019

2010-07-23

國防科工局技術基礎科研項目

汪雪蓮（1978－），女，碩士，工程師。研究方向：艦載作戰系統輔助設備。E-mail：lily1128＠126.com

汪雪蓮。