某车辆主离合器的故障分析

刘 喆，陶凤和，贾长治，康海英

(军械工程学院，河北 石家庄 050003)

故障模式影响及危害度分析(Failure Mode, Effect and Criticality Analysis,FMECA)是一种系统化的可靠性分析程序。故障模式影响分析(Fai-lure Mode Effect Analysis, FMEA)是通过对产品各组成单元潜在的各种故障模式及其对产品功能的影响进行分析，并把每一个潜在故障模式按它的严酷度予以分类，提出可以采用的预防性改进措施，以提高产品可靠性的一种分析方法。而FMECA是在FMEA的基础上，对故障模式影响的严酷度进行量化以分析其危害度。现有文献中提供的传统FMECA方法在应用中存在以下不足[1]:

1)分析内容和表格设计仅考虑了故障症状、故障模式、故障影响和故障严酷度等，未考虑故障特性分类、故障征兆与预测方法配置分类。

2)没有确定用于故障预测的状态管理技术方法。

3)缺少具体的故障影响预测分析方法，不便于工程应用。

针对这些不足，本文介绍了扩展FMECA新增的故障演变特性分析、故障征兆分析、故障诊断与预测等分析内容[2]，应用这些分析内容，可以有效地补充传统FMECA方法的不足。

1 扩展FMECA

1.1 扩展FMECA的内涵

扩展FMECA是在FMECA基础上，采用故障诊断与预测方法，对故障模式的演变特性、故障症状和征兆进行分析，并进行故障诊断与预测覆盖范围定量评价的分析方法[3]。扩展FMECA与FMECA之间的差异对比如图1所示。

1.2 扩展FMCEA新增分析内容

1.2.1 故障演变特性分类

故障演变特性是指故障发生/发展过程的变化特性。根据常规的故障演变特性分类方式，可以将故障分为两大类：突变故障和渐变故障。突变故障也称为二值故障，是指简单的故障/无故障情形[4]。渐变型故障是指产品的规定性能随使用时间增加而逐渐衰退的情形，不仅可以进行检测，也可以进行预测。扩展FMECA中将故障的演变特性细分为如下3种类型：

1)突变故障:故障演变时间极短的故障。

2)快速演变故障:故障演变时间小于装备小修期的渐变故障。

3)慢速演变故障:故障演变时间大于装备小修期的渐变故障。

1.2.2 故障症状/征兆分析

1.2.2.1 故障症状分析

进行故障症状分析是为确定相应的故障诊断方法提供基础。故障症状是指通过人们观察和测量得到的对故障的感性认识，它可以指示具有一定概率的一种或多种故障的存在。

在FMECA中，已经具有了与故障症状分析相似的内容，即故障影响分析[5]。故障影响偏重于描述故障导致的功能、安全、任务成败等方面的不良后果，其内容往往不是对故障症状的描述。因此需要在FMECA的故障影响分析结果的基础上，进一步分析故障症状。

在进行故障症状分析时，应注意以下原则：

1)故障症状具有传递特性时，应根据故障隔离需求，确定症状的合理观测位置。

2)条件允许时，尽可能列出多个不同类型的故障症状，以便进行症状和诊断方法的优选。

3)如果一个故障模式具有多个故障症状，应优先选择便于进行故障诊断/预测的故障症状进行后续分析。

1.2.2.2 故障征兆分析

进行故障征兆分析的目的是为确定相应的故障预测方法提供基础。故障征兆是指在故障模式演变的初期观测到的故障外在表现[6]。对于渐变故障，除了分析故障发生后的故障症状，还需要分析故障发生之前的症状。通常是在故障症状分析的基础上，从中选择合适的症状类型来分析相应的故障征兆。

1.2.3 故障诊断/预测方法分析

在故障症状/征兆分析基础上，还需要分析确定相应的故障诊断与故障预测方法。对于突变故障，只需确定故障诊断方法，对于快速演变故障和慢速演变故障，不仅需要确定故障诊断方法，还需要确定故障预测方法。

1.2.3.1 故障诊断方法分析

在FMECA中，已经具有了与故障诊断方法分析相似的内容，即故障检测方法分析[7]。可以基于故障检测方法分析结果，进一步整理确定故障诊断方法。

以车辆装备为例，可以选用的故障诊断方法如表1所示。

表1 故障诊断方法

1.2.3.2 故障预测方法分析

目前故障预测评估方法有很多，其中最基本的方法有：解析法、模拟法、新型算法，其中解析法又包括故障模式后果分析法、最小路径法、网络等值算法、故障扩散法、故障遍历算法；模拟法中包括时序蒙特卡罗模拟法；新型算法中包括人工神经网络算法、模糊数学评估法、贝叶斯方法、灰色预测等方法[8]。

2 扩展FMECA的实施流程

扩展FMECA方法实施流程的具体步骤如下：

1)故障模式基本信息确定。根据FMECA报告，确定被分析对象的产品名称、故障模式，以及故障模式的严酷度等级和发生概率等级等基本信息。

2)故障演变特性分类。根据相似产品数据，分析每个故障模式的演变特性，将故障模式分类为突变故障、快速演变故障、慢速演变故障。

3)故障症状/征兆分析。根据FMECA报告的三级影响，结合相似产品数据、工作原理分析或仿真分析，确定故障模式的故障症状。对于快速演变故障、慢速演变故障，还需要确定出相应故障征兆。

4)故障诊断/预测方法分析。根据选择的故障症状/征兆，选择相应的故障诊断方法和故障预测方法，用于故障模式的诊断和预测。

5)故障预防措施分析。根据扩展FMECA分析内容，综合前面的分析结果，对产品故障的预防和检修提出具体方法或措施，其方法实施流程如图2所示。

3 案例分析

针对某车辆底盘传动系统主离合器的设计需求，在传统FMECA的基础上，对其开展了扩展FMECA分析工作。

车辆底盘传动系统主离合器的主要失效模式之一是离合器打滑，严酷度等级为Ⅲ，故障原因为踏板无自由行程、压紧弹簧变形折断和内摩擦片有油污等。按照扩展FMECA方法的实施流程分析主离合器的故障模式。该型车辆底盘传动系统主离合器系统的扩展FMECA分析见表2。

表2 扩展FMECA案例表格(部分)

通过对扩展FMECA分析内容进行统计，该系统的故障模式总数为120，其中突变故障23个，快速演变故障26个，慢速演变故障71个。

4 结束语

扩展FMECA在传统FMECA的基础上新增了故障演变特性分析、故障征兆分析、故障诊断与预测方法的评价等分析内容，在动态故障分析中有着传统方法无法相比的优势，因此已经成为目前故障诊断和预测初步分析的重要手段。本文对扩展FMECA的新增内容进行了详细的介绍，给出了扩展FMECA的分析实施流程，并以某型车辆主离合器为例进行故障模式分析，验证了扩展FMECA方法在车辆底盘系统故障分析和诊断使用中的可行性。

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