基于FMEA的冲击工装故障模式分析

【摘 要】 针对冲击试验过程中，出现的冲击工装结构变形、焊缝开裂情况，采用故障模式与影响分析（FMEA）方法进行问题机理分析。通过定制故障分析机制，对故障进行分析，最终定位最大故障模式。根据分析结果，提出质量改进措施，杜绝故障发生隐患。

【关键词】 FEMA 故障模式与影响分析 冲击工装

冲击工装是机柜进行冲击试验时用于联接机柜与试验台的工艺装备。冲击工装自身需要承受试验条件要求的非重复性的严重冲击条件，并通过螺纹联接方式，将相应冲击能量传递给机柜，不会大幅度放大或衰减试验量级。在实际使用过程中，工装在冲击试验结束后，出现结构变形、焊缝开裂现象（见图1），同时试验结果不合格，试验图谱峰值超红线。为此需要对冲击工装出现此故障进行分析。

1 FMEA与FTA 分析方法

故障模式与影响分析（简称FMEA）主要针对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、检测难易程度以及发生频度予以分类的一种归纳分析方法。其根本目的是通过各个环节的分析对象同步地识别、梳理所有可能发生的故障，分析其影响或后果，并寻找其原因，针对原因采取相应的纠正与预防措施，从而保证和提高产品的固有可靠性。[1][2]

故障树分析又称失效树分析（简称FTA）。故障树以系统所不希望发生的事件（故障事件）作为分析的目标，先找出导致这一事件（顶事件）发生的所有直接因素和可能的原因，结合则将这些直接因素和可能原因做为第2级，在往下找出造成第2级事件的全部直接原因和可能原因，并依此逐级地找下去，直至追查到那些原始的直接原因。采用相应的符号表示这些事件，在用描述事件间逻辑因果关系的逻辑门符号把顶事件中间事件与底事件联接成倒立的树状图形，这就形成故障树。以故障树作为分析手段对系统的失效进行分析的方法成为故障树分析法。[1][2]

由其定义可以看出来FMEA（FMECA）由系统的最底分析层次（如零件）开始，由底向上直至约定分析层次，即由因到果。而FTA是从系统的某一“不希望发生的事件”开始，从上而下，逐步追查导致顶事件发生的原因，直至基本事件，即由果到因。FMEA（FMECA）是一种单模式分析法，它针对单故障进行分析，且在反映环境条件对设备可靠性的影响方面具有局限性。FTA可弥补这些不足。FTA通过对故障的各种因素（包括硬件、软件、环境、人为因素等）对顶事件影响的分析，采取相应措施提高设备可靠性。可以利用FMEA（FMECA）对系统中每一故障模式的归纳分析结果，依据FMEA（FMECA）中的严酷度级别从高严酷度级别所对应的故障模式中选择一个作为故障树的顶事件，建立系统的故障树并利用FMEA（FMECA）过程中得到底事件故障率数据对故障树进行定性分析与定量计算。

2 冲击工装FMEA分析

通过对机柜冲击试验过程运用FMEA（FMECA），根据实际情况制定FMEA（FMECA）表格。其中对冲击工装进行统计如表1所示。

表1中严酷度等级按照故障模式最终对冲击工装影响的最坏潜在后果，对其划分为 4类：Ⅰ类灾难、Ⅱ类致命胜、Ⅲ类严重的、Ⅳ类轻度。PRN表示风险优先系数，又称风险度。它是风险分析的一种方法，目的是按每一故障模式的严重程度及该故障模式发生的概率所产生的综合影响对系统中的产品划等分类，以便全面评价系统中各种可能出现的产品故障的影响，它是一种相对定量的分析方法。可以评估使用过程的品质改善，应尽早评估某种特定故障模式的检出可能性，因为评估越早，越容易提前采取改善对策，以免该故障影响产品正常使用。

通过对FMEA表分析可得到严酷度最大的故障模式为焊缝开裂。将焊缝开裂作为FTA中顶事件进行分析。并由FMEA表中对应的故障原因可以得到故障树如图2所示。

通过对焊缝开裂故障树分析，进行逻辑运算推导得到

（1）

冲击工装系统最小割集有6个，它们都是一阶割集，即只要它们中有一个发生就会导致冲击工装的失效发生。

从故障树底事件中得出焊缝开裂失效原因，可以从3个方面来归纳分析：

（1）设计阶段阶段。能引起开裂因素包括设计不合理、载荷过大。它们都会造成冲击工装的焊缝开裂；

（2）材料方面。能引起开裂因素包括材质不良、焊接性不良、材料管理有误。其中以前两者关系最大；

（3）制造阶段。此阶段能引起开裂包括焊工技术不良、焊接工艺错误、材料加工不恰当、热处理不恰当等。上述因素中均能导致焊缝开裂。

3 提高冲击工装质量措施

综合冲击工装变形、焊缝开裂、试验不通过的故障模式，同时为了提高冲击工装质量，可从以下几方面采取措施：

（1）重新对冲击工装进行了设计，改进了工装结构，对工装薄弱的结构进行了加强，通过多次优化后工装的固有频率达到了130HZ。通过仿真软件的分析（见图3），工装能够满足试验的要求；

（2）加强材料供应的材料供应，以保证符合设计要求，并对材料进行材料分析；

（3）为保证结构件焊后尺寸，防止变形，拼装时允许预留尺寸、点固刚性拉肋，但焊后须清除并铲磨平整；

（4）焊接前必须将坡口和焊接部位两端的锈蚀、油污、氧化皮、水分及其他对焊接有害的物质清除干净。为保证钢材良好的焊接性能，防止产生较大的焊接残余应力和焊接变形，焊接时必须进行预热和温度控制。合理地安排焊接顺序，以对称交错的原则对结构件进行施焊，可有效地控制结构件的焊接变形。在焊接过程中所有焊缝应尽量采取平焊，严禁下坡焊。

4 结语

通过对冲击工装故障模式影响分析，可以得到最大严酷度为焊缝开裂。通过对焊缝开裂采用FMEA分析，得到引起焊缝开裂根本原因并制定相应提高质量措施，为防止或减少故障发生提供依据。

参考文献：

[1]周正伐.可靠性工程基础[M].北京：中国宇航出版社，2009.

[2]周正伐.可靠性工程技术问答200例[M].北京：中国宇航出版社，2011.