基于FMECA的计轴设备可靠性分析

基于FMECA的计轴设备可靠性分析

王媛

成都铁路通信设备有限责任公司   四川成都 610045

摘要：通过FMECA分析法，依据铁路信号计轴设备的系统结构和系统原理，定义相应的产品结构至底层元器件，针对底层所有可能的故障，并根据对故障模式的分析，确定每种故障模式对产品工作的影响，并按故障模式的严酷度及其发生概率确定其危害性。制定相应的故障管理措施以消除、降低或转移风险至可接受范围。在FMECA分析基础上，建立系统故障数，通过求取系统最小割集，判定了系统薄弱环节，为后续生产、维护提供了便捷。

关键词：计轴设备、可靠性、故障模式影响和危害性分析、故障树分析。

随着我国铁路交通运输的快速发展，信号系统已经成为保障轨道交通运输安全和效率的重要手段，信号计轴设备是保证轨道交通安全安全运行的重要设备之一，其可靠性性能不仅关系着铁路交通运输的安全和效率，更关系着我国轨道交通运输事业的快速发展和广大旅客的生命财产安全，因此对计轴设备的可靠性研究具有十分重要的理论和现实意义。本文以某型号铁路信号计轴设备为研究对象，根据FMECA方法对其进行可靠性分析，从而对信号计轴设备的可靠性研究提供参考。也为信号计轴设备研发、设计、生产和维护部门提供参考。

1   FMECA分析概述

FMEA起源于20世纪50年代，是由可靠性工程师在研究或联系统故障时建立和发展的，是故障模式分析FMA(Failure Mode Analysis)和故障影响分析FEA(failure effects analysis)两种方法的结合。FMECA是在FMEA基础上增加危害性分析CA。

本章节中主要使用可靠性工作平台Isograph Reliability Workbenc（以下简称RWB）对系统进行可靠性预计及FMECA分析。

1.1 FMECA分析的步骤

(1)建立产品结构层次、确定组件中模块的名称及功能

(2)对该模块的故障模式进行分析

(3)确定该故障模式对子系统以及系统的影响

(4)确定该故障模式在该模块所有故障模式频数比（α）

(5)计算该模块失效率

(6)统计组件中该模块的数量

(7)计算模块该故障模式的失效率

(8)计算模块故障的可能性（每天运行时间按24h计）

(9)对故障发生可能性进行分级

(10)分析故障发生的严酷度

(11)分析隐患等级

(12)确定该故障的检测方法

(13)确定模块发生该故障后的处理措施

1.2 FMECA分析的系统定义

信号计轴设备实现轨道区段占用与空闲及列车方向检查。通过采集室外车轮传感器及道岔定反位继电器状态的信息，计算比较得出轨道区段的占用/空闲状态及列车方向，并将此状态向相关的系统输出的安全设备。

信号计轴设备由信号源、计轴处理单元以及电源组成。信号源包括车轮传感器、过压评估模块BIE。计轴处理单元包括运算处理MCU板、条件采集TTC板、背板MB。接入电源由外部提供，经电源板POW转换后分配给各单元模块。其中：

(1)计轴处理单元对轮对信息的采集通过信号源完成，属安全相关部分。

(2)过压评估模块BIE与计轴处理MCU板存在接口，过压评估模块BIE采集车轮信号并且向MCU以电平形式发送轴数信息。

(3)运算、判断、处理由MCU完成，采用2取2结构，属安全相关部分。

(4)复位条件、定反位条件的采集及隔离由TTC完成，属安全相关部分。

(5)各组件的连接由MB完成，属安全相关部分。

(6)用于用户维护与监测的接口及显示单元由显示维护终端完成，为非安全相关部分。

1.3 FMECA分析的表格定义

依据FMECA分析步骤，所形成的表格样式包含以下内容：

（1）故障模式编号：用来标识这个特定的故障模式，由RWB自动编号。

（2）模块名称和功能：本条故障模式发生的模块和是模块的哪个功能故障。这里元素一般指插件中的功能模块，其可靠性计算数据来自RWB可靠性预计的计算。

（3）故障模式：说明基本元器件对产品所发生的、能被观察或测量到的故障现象的规范描述。

（4）故障影响：故障导致的子系统或者系统的功能丧失或性能减退产生的影响说明。

（5）故障模式频数比(α)：对于特定元素可能有多种故障模式，本条故障模式占该特定元素所有故障模式的比例。

（6）模块失效率(每百万小时故障的概率λ)如式4-1：这里附加了一个量级按百万小时来算，因为多数手册都是按照这个量级来提供参数的。

λ＝(1/MTBF)*10-6                        （4-1）

（7）模块数量:在当前子系统中本模块(元器件）的数量。

（8）故障模式的失效率：故障模式的失效率＝故障模式频数比*单个元素失效率*元素个数。

（9）故障模式可能性：模块故障的概率或可能性。该结果值作为FTA特定事件发生概率计算的基础数据。计算公式如式4-2

R = 1 - EXP(-0.000001*λ*t)                      （4-2）

t=24小时。这里假设设备一次连续工作的时间是24小时。

λ值参看第8项故障模式的失效率。

（10）故障发生频率：对故障发生可能性进行分级。分级的对应表如表1。

表1 故障发生频率等级范围标准表

（11）安全隐患：本条故障模式可能造成的安全隐患。

a）隐患的严重性:安全隐患严重性的分级表如表2。

表2 安全隐患严重度标准分级表

b）风险水平:风险可接受矩阵如表3

表3 风险可接受矩阵

（12）故障检测模式：通过何种方式可以检测到故障。

（13）故障管理：出现故障后的处理措施。

2   计轴设备的FMECA分析

采用故障模式影响分析法对计轴设备系统进行分析，建立了FMECA表如表４所示,因篇幅原因展示部分。

表4 计轴设备系统的FMECA分析报告（部分）

3 结论

通过FMECA分析可以看出，计轴设备中最终影响无严酷度 1、2类的故障，即无严重故障模式清单。存在某一产品的某一故障模式发生后可能导致系统故障的单点故障，但不会导致顶层危害发生。

在风险评价中，定义隐患等级4D,3E,4E,1F,2F,3F,4F,4B,4C,3D,1E,2E为可忽略、可接受风险，风险水平“L”。该类风险对设备及安全造成的影响是非常小的。考虑到降低该类风险付出的成本以及其对设备安全的影响程度，综合成本有效性分析，针对该类风险，我们暂时不采取任何控制设计改进措施。

定义4A,3B,2C,3C,1D,2D为不希望风险，风险水平“M”。该类风险对设备及安全造成的影响相对较小，但是又确实存在安全和运行方向的影响。考虑到该类风险对设备安全的影响程度，针对该类风险，我们需要进一步的设计改进，争取降低风险水平，提高设备的安全可用性。

同时通过可靠性工作平台RWB的自动计算，可以得到系统失效率为：2.822×10-10/h。

则系统的MTBF＝1/λ=3.5436×109 h。远远大于铁路信号计轴设备的铁路安全标准要求提出的1×105h。

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