故障樹(課堂PPT)

1、第四節(jié)故障樹、基本概念()設(shè)備故障的分類 (I)按敢障發(fā)生的速度分類按故釐發(fā)生的速度可分為突發(fā)性故障和漸發(fā)性故 障。突發(fā)性故障是由于各種不利因素和偶然的外界影 響的共同作用超出了設(shè)備所能承受的限度而突然發(fā) 生的故障。這尖敢嚏一般無明顯征兆，是突然發(fā)生 的，依靠事箭Ssi監(jiān)視不能預(yù)如的故薩。如因使用機器不當(dāng)或超負(fù)荷使用而引起零部件損壞;因潤滑油中斷而使零件產(chǎn)生熱變形裂紋；露壓過高、電流過大而引起元器件損壞而造成的漸發(fā)性故障是由于各種影響因素的作用使設(shè)備的初始 參數(shù)逐漸劣化、衰減過程逐漸發(fā)展而引 起的故障。一般與設(shè)備零部件的磨損、腐蝕、疲勞及老化有關(guān)，是在工作過程 中逐漸形成的。這類故障的發(fā)生一般

2、有 明顯的預(yù)兆，能通過預(yù)先檢查或監(jiān)視早 期發(fā)現(xiàn)，如能采取一定的預(yù)防措施，可 以控制或延緩故障的發(fā)生。(2) 按故障發(fā)生的后果分類按故障發(fā)生的后果可分為功能性故障與 參數(shù)型故障。功能故障是指設(shè)備不能繼續(xù)完成自己規(guī) 定功能的故障。這類故障往往是由于個別 零件損壞造成的，如內(nèi)燃機不能發(fā)動，油 泵不能供油。參數(shù)甜障富指設(shè)備的工作參數(shù)不能保持 在允許范圍內(nèi)的故障。這類故障屬漸發(fā)性 的，一般不妨礙設(shè)備的運轉(zhuǎn)，但影響產(chǎn)品 的加工質(zhì)量，如機床加工精度達不到規(guī)定 標(biāo)潅，新力設(shè)備由為達不到規(guī)定值的故障。(3)按故障的損傷程度分類按故障的損傷是否容忍分為允許故障和不允許故障。允許故障是指考慮到設(shè)備在正常使用條件下,

3、隨著使用時間的增長，設(shè)備參數(shù)的逐漸劣化是不可避免的，因而允許發(fā)生某些損傷但不引起 嚴(yán)重后果的故障，如零件的某些正常磨損、腐 蝕和老化等。不允許故障是由于設(shè)計時考慮不周，制造裝配質(zhì)量不合格，違反操作規(guī)程所造成的故障,如設(shè)計強度不夠造成的零件的斷裂，超負(fù)荷使 用設(shè)備造成的設(shè)備損壞等。（二）故障樹分析概述故障樹分析也叫失效樹分析簡稱FTA.故障樹分析方法在系統(tǒng)可靠性分析、安全 性分析和風(fēng)險評價中具有重要作用和地位。 既可用于定性分析又可定量分析。故障樹分析：在系統(tǒng)設(shè)計過程中通過對可 能造成系統(tǒng)失效的各種因素（包括硬件、軟 件、環(huán)境、人為因素）進行分析，畫出邏輯 框圖（故障樹），從而確定系統(tǒng)故障原因的

4、 各種可能組合方式或其發(fā)生概率，以計算系 統(tǒng)故障概率，采取相應(yīng)的糾正措施，以提高 系統(tǒng)可靠性的一種設(shè)計分析方法。故障樹（邏輯框圖）：是一種特殊的倒立 樹狀邏輯因果關(guān)系圖，用事件符號、邏 輯符號和轉(zhuǎn)移符號描述系統(tǒng)中各種事件 之間的因果關(guān)系。概述如某電機工作原理圖由圖可知：故障樹主要由事件和 邏輯門構(gòu)成，圖中的事件用來描 述系統(tǒng)或元部件的故障狀態(tài)，邏 輯門把事件聯(lián)系起來，表示事件 之間的邏輯因果關(guān)系9事件：在故障樹分析中，對于所研究系統(tǒng) 的各類故障狀態(tài)或不正常工作情況統(tǒng)稱為 故障事件。與故障事件對應(yīng)的是成功事件。 兩者均稱為事件。邏輯門：只描述事件間的邏輯因果關(guān)系。轉(zhuǎn)移符號：是為了避免畫圖時重復(fù)和

5、使圖形簡明 而設(shè)置的符號三、常用事件及其符號說明符號頂事件或者中間事件，用矩形表示底事件；代表部件的故障模式；部件故障；軟件故障;人及環(huán)境影響等。用未展開事件，其輸入無須進一步分析或無法分析的事 件，用菱形表示。開關(guān)事件，位于故障樹底部，起開關(guān)作用，表示在正常 條件下必然發(fā)生或者必然不發(fā)生的特殊事件，用房形符 號表示。條件事件，描述邏輯門起作用的具體限制事件，用長橢表示。常用邏輯門及其符號A與門，全部輸入存在時才能輸出I或門，至少一個輸入存在時即有輸出非門，表示輸出事件是輸入事件的對立事件表決門，表示僅當(dāng)n個輸入事件中有個或個以上的事XI)/件發(fā)生時，輸出事件才發(fā)生.J.異或門，耒示僅當(dāng)單個輸

6、入事件發(fā)生時，輸出事件才發(fā)不同時發(fā)生生。順序與門，表示僅當(dāng)輸入事件按規(guī)定的順序發(fā)生時，輸.枚序條件出事件才發(fā)生。邏輯門13進行定量分析和定性分析首先要根據(jù)實際情況建 立故薩樹:二、故障樹的建立步驟建立故障樹按演繹法從頂事件開始由上而下， 循序漸近逐級進行步驟如下：a、選擇和確定頂事件：頂事件是系統(tǒng)最不希望發(fā) 生的事件，或是指定進行邏輯分析的故障事件。b、分析頂事件：尋找引起頂事件發(fā)生的直接的必 要和充分的原因。將頂事件作為輸出事件，將所有 直接原因作為輸入事件，并根據(jù)這些事件實際的邏 輯關(guān)系用適當(dāng)?shù)倪壿嬮T相聯(lián)系。c、分析每一個與頂事件直接相聯(lián)系的 輸入事件。如果該事件還能進一步分解，則將其作為

7、下一級的輸出事件， 如同b中對頂事件那樣進行處理。d、重復(fù)上述步驟，逐級向下分解，直到所有的輸入事件不能再分解或不 必要再分解為止，即建成了一棵倒置 的故障樹。15古攵障樹分析程序簡圖故障樹分折程序簡圖174、建樹時要注意：(1) 忽略小概率事件并不意味著可以忽略小 部件的故障和小故障事件，這是兩個不同的概 念。挑戰(zhàn)者號航天飛機的爆炸就是一個密封圈 失效的“小故障”；(2) 有的故障發(fā)生概率雖小，可是一旦發(fā) 生則后果嚴(yán)重，為了安全以備萬一，這種 事件就不能忽略；(3) 故障定義必須明確，避免多義性，否則會使故障樹邏輯混亂出現(xiàn)錯誤；.(4) 先抓主要矛盾，開始建樹應(yīng)先考慮主要的、 可能性很大的以

8、及關(guān)鍵性(以致命度、重 要度衡量)的故障事件，然后在逐步細(xì)化分 解過程中再考慮次要的、不常發(fā)生的以及 后果不嚴(yán)重的次要故障事件；強調(diào)嚴(yán)密的邏輯性和系統(tǒng)中事件的邏輯 關(guān)系，條件必須清楚，不可紊亂和自相矛 盾。19泰坦尼克海難畫出“電動機過熱”的故障樹。圖8. 4,4 簡單故障檜故障樹分析（FTA ）通過對可能造成產(chǎn)品故障的硬件、軟件、 環(huán)境、人為因素進行分析，畫出故障樹, 從而確定產(chǎn)品故障原因的各種可能組合 方式和（或）其發(fā)生概率。A定性分析A定量分析故障樹分析包括定性分析和定量分析。定性分析的主要目的是：尋找導(dǎo)致與系統(tǒng)有關(guān)的 不希望事件發(fā)生的原因和原因的組合，即尋找導(dǎo) 致頂事件發(fā)生的所有故障模

9、式。定量分析：根據(jù)底事件發(fā)生的概率定量的回答頂 事件或任一中間事件發(fā)生的概率及其它定量指標(biāo)。 在系統(tǒng)設(shè)計階段，故障樹分析可幫助判明潛在故 障以便改進設(shè)計。FTA的特點：是一種圖形演繹法，是故障事件在一定條件下的邏輯推理 方法，可針對某一故障事件，作層層追蹤分析（自上而下）;這種圖形化的方法清楚易懂，使人們對所描述的事件之間 的邏輯關(guān)系一目了然，而且便于對各種事件之間復(fù)雜的邏 輯關(guān)系進行深入白勺定桂和定量分嶄；由于故障樹將系統(tǒng)故障的各種可能因素聯(lián)系起來，可有效 找出系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)和系統(tǒng)的故障譜，在系統(tǒng)設(shè)計階段有助 于判明系統(tǒng)的隱患和潛在故障，以便提高系統(tǒng)的可靠性；故障樹可作為管理和維修人員的一個形

10、象的管理、維修指 南，可用于培訓(xùn)使用、維修和管理人員，可用來制訂維修 計劃和檢修排故方案FTA目的A幫助判明可能發(fā)生的故障模式和原因；A發(fā)現(xiàn)可靠性和安全性薄弱環(huán)節(jié)，采取改進 措施，以提高產(chǎn)品可靠性和安全性；A計算故障發(fā)生概率；A發(fā)生重大故障或事故后，F(xiàn)TA是故障調(diào)查 的一種有效手段，可以系統(tǒng)而全面地分析 事故原因，為故障“歸零”提供支持；A指導(dǎo)故障診斷、改進使用和維修方案等。FTA的應(yīng)用各工程領(lǐng)域廣泛應(yīng)用：核工業(yè)、航 空、航天、機械、電子、兵器、船舶、 化工等。切爾諾貝利核泄露事故、美國的挑戰(zhàn) 者號升空后爆炸和印度的博帕爾化學(xué)物 質(zhì)泄露。航天者號爆炸 1986年1月28日“挑戰(zhàn)者”號航天飛機發(fā)

11、射升空約75秒鐘后，突然爆炸，包括航天員密封座艙在內(nèi)的軌道器被炸飛 離外燃料箱，座艙以極快的速度墜入大西洋，在水面上被擊碎，座艙內(nèi) 七名航天員（包括女教師麥考劉夫在內(nèi)）全部遇雄。這次事故是航天史上的 最大事故。也是損失最大的一次$亢天事古攵，損失金額14億美元，其中航 天飛機12彳乙美元，攜帶的衛(wèi)星2億美元。髓生魯理礙歎歸豔 1 lilt千克重的殘骸，其中有機組人員的座艙員，進行了為時7個月的搜索和打撈，共打撈T111J32事故發(fā)生后，殘骸和助推火箭的連續(xù)環(huán)等。對事故原因的分析表明， “挑戰(zhàn)者”發(fā)射升空后，掛在外燃料箱上的一枚助推火 箭的密封裝置破裂，噴出火焰，把裝有液態(tài)氫燃料箱燒 成一洞，引

12、起燃料箱猛烈爆炸，造成了這次事故。披露了導(dǎo)致飛能爆炸的前因后果:事故發(fā)生后，美國政府加速了第二代航天飛機的研制，臥 改善和加強太空運載能力。第二代航天飛機“東君快車介 可以在普通跑道上起降，其發(fā)射費用僅為目前的二十分 之一。這項計劃需投資200億美元?！疤魬?zhàn)者”號航天飛 機爆炸15年后，兩名飛船設(shè)計高級工程師終于打破沉默，印度博帕爾災(zāi)難蚯博帕爾災(zāi)難是歷史上最嚴(yán)重的魏簇翱影響巨大。1984年12月3日凌晨,博帕丞市的美圉聯(lián)合碳化物屬下的聯(lián)合碳化物 (EPS)有総司設(shè)于貧民區(qū)附近一所農(nóng)藥廠發(fā) 生氧化物泄漏，引發(fā)了嚴(yán)重的后果。大災(zāi)難造成 了25萬人直接致死，55萬人向接致死，另外有 20多萬人永久殘

13、廢的人間慘劇?，F(xiàn)在當(dāng)?shù)鼐用竦?患癌率及兒童夭折率，仍然因這一災(zāi)難遠(yuǎn)比其他 印摩城市為高。由于這次事件，世界各國化學(xué)集 團改變了拒絕與社區(qū)通報的態(tài)度，亦加強了安全 措施。這次事件也導(dǎo)致了許多環(huán)保人士以及民眾, 都強烈反對將化工廠設(shè)于鄰近民居的地區(qū)I建立故障樹的結(jié)構(gòu)函數(shù)可1）與門結(jié)構(gòu)故障樹的結(jié)構(gòu)函數(shù)：U圖8-6與門結(jié)構(gòu)故障樹2）或門結(jié)構(gòu)故障樹的結(jié)構(gòu)函數(shù):T*2 3）“冠匕呼”（卩驢的兔-三、故障樹定性分析找出故障樹中所有導(dǎo)致頂事件發(fā)生的（最小 割集）。研究最小割集可以找出故障樹的薄 弱環(huán)節(jié)割集、最小割集概念（課本上的例題）A割集：故障樹中一些底事件的集合，當(dāng)這些底事 件同時發(fā)生時，頂事件必然發(fā)生；

14、A最小割集：最小割集是底事件數(shù)目不能再減少的 割集，即在最小割集中任意去掉一個底事件之后, 剩下的底事件集合就不是割集 最小割集代表引起故障樹頂事件發(fā)生的一種故障模式最小割集的意義1 最小割集對降低復(fù)雜系統(tǒng)潛在事故風(fēng)險具有 重大意義A如果能使每個最小割集中至少有一個底事件恒不 發(fā)生（發(fā)生概率極低），則頂事件就恒不發(fā)生（發(fā)生 概率極低），系統(tǒng)潛在事故的發(fā)生概率降至最低 2消除可靠性關(guān)鍵系統(tǒng)中的一階最小割集，可 消除單點故障A可靠性關(guān)鍵系統(tǒng)不允許有單點故障，方法之一就 是設(shè)計時進行故障樹分析，找出一階最小割集， 在其所在的層次或更高的層次增加“與門”，并 使“與門”盡可能接近頂事件。3 最小割集可

15、以指導(dǎo)系統(tǒng)的故障診斷和維修A如果系統(tǒng)某一故障模式發(fā)生了，則一定是該系 統(tǒng)中與其對應(yīng)的某一個最小割集中的全部底事 件全部發(fā)生了故障。進行維修時，如果只修復(fù) 某個故障部件，雖然能夠使系統(tǒng)恢復(fù)功能，但 其可靠性水平還遠(yuǎn)未恢復(fù)。根據(jù)最小割集的概 念，只有修復(fù)同一最小割集中的所有部件故障, 才能恢復(fù)系統(tǒng)可靠性、安全性設(shè)計水平。33如何找出故障樹的最小割集？ 求最小割集：1 觀察法（對于簡單的小故障樹）2下行法315. 故障樹定性分析求最小割集的方法一下行法根據(jù)故障樹的實際結(jié)構(gòu)，從頂事件開始，逐級向下尋查：遇到與門就將其輸入事件排在同一行（只增加割集階數(shù)， 不增加割集個數(shù)）遇到或門就將其輸入事件各自排成一

16、行（只增加割集個 數(shù)，不增加割集階數(shù)）這樣直到全部換成底事件為止，這樣得到的割集再通過兩 兩比較，劃去那些非最小割集，剩下即為故障樹的全部最 小割集。32Q G4頂事件T0 ()0 ()求最小割集的故障樹0 ()T |= X cz Xi cz Xj czXi 4Xi 口 XMlm2M4MM4MX45M5x2m3M3X3x5,m5X4,X7X2%2叫X3X必X2叫X5?x7%2X3X233下行法求解最小割集#5.故障樹定性分析從步驟1到2時，因下面是或門，所以在步驟2中的位置 換之以豎向串列。從步驟2到3時，因下面是與門，所 以橫向并列，以此下去，直到第6步。共得到9個割集:通過集合運算吸收律規(guī)

17、則簡化以上割集，得到 全部最小割集。因為所以X g和1516被吸收，得到全部最小割集:35示例A割集？故障樹定性分析最小割集?37割集:X1 5X2,X3,X1 5X2,X35X2,X1 , X1,X3最小割集是：X1,X2,X339下行法原理是：與門增加割集的大小，或門增加割集的數(shù)量。步驟由頂事件開始逐漸向下以輸入事件替換輸出事件，把 與門的輸入寫成一行，把或門的輸入寫成一列，直到完全 變成底事件的矩陣為止。矩陣的每一行代表一個割集，整 個矩陣代表故障樹的全部割集。將非最小割集剔除剩下 的就是最小割集了。最小割集比較根據(jù)最小割集含底事件數(shù)目（階數(shù)）排序， 在各個底事件發(fā)生概率比較小，且相互 差別不大的條件下，可按以下原則對最 小割集進行比較：A階數(shù)越小的最小割集越重要A在低階最小割集中出現(xiàn)的底事件比高階最小 割集中的底事件重要A在最小割集階數(shù)相同的條件下