第三章系統(tǒng)安全分析-可靠性分析、PHA、FMEA

第四節(jié)

系統(tǒng)可靠性分析朱傳杰E-mail：anq021@126.com國(guó)礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院一、基本概念1.可靠性、可靠度：R(t)可靠性是指系統(tǒng)、設(shè)備或元件等在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)和規(guī)定的條件下，完成其特定功能的能力；可靠度是指系統(tǒng)、設(shè)備或元件等在預(yù)期的使用周期（規(guī)定的時(shí)間）內(nèi)和規(guī)定的條件下，完成其特定功能的概率；2.維修度：M(τ)是指系統(tǒng)發(fā)生故障后在維修容許時(shí)間內(nèi)完成維修的概率3.有效度:A(t,τ)是指對(duì)于可修復(fù)系統(tǒng)在規(guī)定的使用條件和時(shí)間內(nèi)能夠保持正常使用狀態(tài)的概率。提高可靠度的途徑：提高系統(tǒng)的可靠度；提高系統(tǒng)的維修度一、基本概念二、可靠度、維修度、有效度的常用度量指標(biāo)1.平均無(wú)故障時(shí)間（MTTF）

是指系統(tǒng)由開始工作到發(fā)生故障前連續(xù)正常工作的平均時(shí)間……度量不可修復(fù)系統(tǒng)的可靠度；2.平均故障間隔時(shí)間（MTBF）

是指可修復(fù)系統(tǒng)發(fā)生了故障后經(jīng)修理后仍能正常工作，其在兩次相鄰故障間的平均工作時(shí)間；3.平均故障修復(fù)時(shí)間（MTTR）

是指可修復(fù)系統(tǒng)出現(xiàn)故障到恢復(fù)正常工作平均所需的時(shí)間。t1t2t3t4tn二、可靠度、維修度、有效度的常用度量指標(biāo)取平均值,平均故障間隔時(shí)間τ1τ2τ3τ4τ5取平均值,平均故障修復(fù)時(shí)間三、可靠度函數(shù)與故障率在一定的使用條件下，可靠度是時(shí)間的函數(shù)；設(shè)可靠度為R(t)，不可靠度為F(t)，則：R(t)+F(t)=1故障概率密度函數(shù)：f(t)=dF(t)/dt故障率元件壽命周期的故障率，與該元件所處的壽命階段密切相關(guān)。該曲線表明：在元件或系統(tǒng)的壽命周期初期，因系統(tǒng)需磨合，因此故障率較高；而中期階段則故障率較為穩(wěn)定。壽命周期的后期，則因系統(tǒng)部分元件的磨損使故障率也明顯提高；早期失效期隨機(jī)失效期損耗失效期調(diào)整期退役期三、可靠度函數(shù)與故障率浴盆曲線初期故障隨機(jī)故障磨損故障四、系統(tǒng)可靠度計(jì)算

1.串聯(lián)系統(tǒng)是指系統(tǒng)中任何一個(gè)子系統(tǒng)發(fā)生故障，都會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)發(fā)生故障的系統(tǒng)。系統(tǒng)的可靠度一方面取決于各子系統(tǒng)本身的可靠度，同時(shí)還取決于各子系統(tǒng)間的作用關(guān)系。提高串聯(lián)系統(tǒng)可靠度的途徑

1）提高各子系統(tǒng)的可靠度；

2）減少串聯(lián)級(jí)數(shù)；

3）縮短任務(wù)時(shí)間。2.并聯(lián)系統(tǒng)

為了提高系統(tǒng)的可靠性，通常需要使系統(tǒng)的部分子系統(tǒng)乃至全部子系統(tǒng)有一定數(shù)量貯備，利用貯備提高系統(tǒng)可靠性最常用的辦法就是采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)。1)熱貯備系統(tǒng)（冗余系統(tǒng)）是指貯備的單元也參與工作，即參與工作的數(shù)量大于實(shí)際所必須的數(shù)量，這種系統(tǒng)又稱冗余系統(tǒng)四、系統(tǒng)可靠度計(jì)算10冗余技術(shù)一般是采用降額等其他方法不能滿意地解決系統(tǒng)安全問(wèn)題，或當(dāng)改進(jìn)產(chǎn)品所需的費(fèi)用比采用冗余單元更多時(shí)采用的方法。采用冗余設(shè)計(jì)是以增加費(fèi)用為代價(jià)來(lái)提高系統(tǒng)的安全性和可靠性的。四、系統(tǒng)可靠度計(jì)算設(shè)系統(tǒng)各個(gè)單元的可靠性是相互獨(dú)立的，各單元的不可靠度分別為F1、F2、F3、……、Fn，根據(jù)概率乘法定理可得系統(tǒng)(1)不可靠度:

123nBA(2)系統(tǒng)可靠度：熱貯備系統(tǒng)四、系統(tǒng)可靠度計(jì)算2）冷貯備系統(tǒng)是指貯備的單元不參加工作，并且假定在貯備中不會(huì)出現(xiàn)失效，貯備時(shí)間的長(zhǎng)短不影響以后使用的壽命。123N+1BA四、系統(tǒng)可靠度計(jì)算13

若所有部件的故障率均相等且為λ,則系統(tǒng)的可靠度為:系統(tǒng)的平均壽命:冷儲(chǔ)備系統(tǒng)的平均壽命是各單元平均壽命的總和四、系統(tǒng)可靠度計(jì)算3.復(fù)雜系統(tǒng)有一汽車的制動(dòng)系統(tǒng)可靠性聯(lián)接關(guān)系如圖；組成系統(tǒng)各單元的可靠度分別為R(A1)=0.995；R(A2)=0.975；R(A3)=0.972；R(B1)=0.990；R(B2)=0.980；R(C1)=R(C2)=R(D1)=R(D2)=0.980；求系統(tǒng)的可靠度。D2C2D1C1A1B1A3A2B2A:液壓系統(tǒng)D:液壓系統(tǒng)C:液壓系統(tǒng)B:手閘系統(tǒng)手控桿機(jī)械聯(lián)動(dòng)裝置腳踏裝置主控缸液壓管路左前輪左后輪右前輪右后輪汽車制動(dòng)系統(tǒng)可靠性聯(lián)結(jié)框圖四、系統(tǒng)可靠度計(jì)算五、人的工作可靠度預(yù)測(cè)

10090807060504030201960101965197019751980198519901995事故中人因的主要原因的情況分布圖10090807060504030201960101965197019751980198519901995人因的主要原因(%)16五、人的工作可靠度預(yù)測(cè)1.人在工作中的差錯(cuò)很多，歸納起來(lái)不外乎以下五類：未履行職能；錯(cuò)誤地履行職能；執(zhí)行未賦予的分外職能；按錯(cuò)誤程序執(zhí)行職能；執(zhí)行職能時(shí)間不對(duì)。2.人的差錯(cuò)概率人的工作可靠度與人的工作差錯(cuò)概率是互逆的，所以人的工作可靠度可用人的工作差錯(cuò)概率來(lái)計(jì)算：五、人的工作可靠度預(yù)測(cè)e——實(shí)際發(fā)生的差錯(cuò)數(shù)E——可能發(fā)生的差錯(cuò)數(shù)18五、人的工作可靠度預(yù)測(cè)e、E獲得途徑：收集緊急狀態(tài)時(shí)的全部運(yùn)轉(zhuǎn)記錄；收集全部正常業(yè)務(wù)、保養(yǎng)、校正、定期檢驗(yàn)、啟動(dòng)停止時(shí)人的差錯(cuò)記錄,引起差錯(cuò)的具體條件；收集模擬的正常業(yè)務(wù)、非正常業(yè)務(wù)方面的人的差錯(cuò)的潛在來(lái)源；專家的經(jīng)驗(yàn)判斷。193.計(jì)算人的工作可靠度的差錯(cuò)概率法—概率樹圖程序：明確系統(tǒng)故障的判定標(biāo)準(zhǔn)；進(jìn)行作業(yè)分析，評(píng)價(jià)基本動(dòng)作間的相互關(guān)系；估計(jì)人的差錯(cuò)概率；求系統(tǒng)故障率，評(píng)價(jià)人的差錯(cuò)對(duì)系統(tǒng)故障的影響；重復(fù)以上步驟改進(jìn)人機(jī)系統(tǒng)的特征值，直到達(dá)到可允許的范圍。五、人的工作可靠度預(yù)測(cè)20AaB/Ab/AB/ab/aSFFF人的可靠性分析事件樹（HRA-ET）SSFF第五節(jié)、預(yù)先危險(xiǎn)性分析（PHA）預(yù)先危險(xiǎn)性分析是指在一個(gè)系統(tǒng)或子系統(tǒng)（包括設(shè)計(jì)、施工、生產(chǎn)）運(yùn)轉(zhuǎn)活動(dòng)之前，對(duì)系統(tǒng)存在的危險(xiǎn)類別、出現(xiàn)條件及可能造成的結(jié)果，進(jìn)行宏觀概略分析的一種方法。預(yù)先危險(xiǎn)性分析的重點(diǎn)應(yīng)放在系統(tǒng)的主要危險(xiǎn)源上，并提出控制這些危險(xiǎn)源的措施。預(yù)先危險(xiǎn)性分析的結(jié)果，可作為對(duì)新系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)的依據(jù)，還可作為系統(tǒng)安全要求、操作規(guī)程和設(shè)計(jì)說(shuō)明書的主要內(nèi)容，同時(shí)預(yù)先危險(xiǎn)性分析為以后要進(jìn)行的其他危險(xiǎn)分析打下基礎(chǔ)。1.預(yù)先危險(xiǎn)性分析的內(nèi)容（1）識(shí)別危險(xiǎn)的設(shè)備、零部件，并分析其發(fā)生的可能性條件；（2）分析系統(tǒng)中各子系統(tǒng)、各元件的交接面及其相互關(guān)系與影響；（3）分析原材料、產(chǎn)品、特別是有害物質(zhì)的性能及貯運(yùn)；（4）分析工藝過(guò)程及其工藝參數(shù)或狀態(tài)參數(shù)；（5）人、機(jī)關(guān)系（操作、維修等）；（6）環(huán)境條件；（7）用于保證安全的設(shè)備、防護(hù)裝置等。第五節(jié)、預(yù)先危險(xiǎn)性分析（PHA）2.預(yù)先危險(xiǎn)性分析的步驟（1）調(diào)查、了解和收集過(guò)去的經(jīng)驗(yàn)和同類生產(chǎn)中發(fā)生的事故情況。（2）確定危險(xiǎn)源，并分類制成表格。危險(xiǎn)源的確定可通過(guò)經(jīng)驗(yàn)判斷、技術(shù)判斷或安全檢查表等方法進(jìn)行。（3）識(shí)別危險(xiǎn)轉(zhuǎn)化技術(shù)條件。研究危險(xiǎn)因素轉(zhuǎn)化為事故狀態(tài)的觸發(fā)條件。（4）進(jìn)行危險(xiǎn)分級(jí)。目的是確定危險(xiǎn)程度，提出應(yīng)重點(diǎn)控制的危險(xiǎn)源。（5）制定危險(xiǎn)預(yù)防措施。第五節(jié)、預(yù)先危險(xiǎn)性分析（PHA）預(yù)先危險(xiǎn)分析程序熟悉系統(tǒng)調(diào)查收集資料系統(tǒng)功能分解分析辨識(shí)危險(xiǎn)源確定危險(xiǎn)等級(jí)制定措施措施落施分析觸發(fā)事件第五節(jié)、預(yù)先危險(xiǎn)性分析（PHA）危險(xiǎn)等級(jí)參考等級(jí)等級(jí)說(shuō)明1安全的不會(huì)造成人員傷亡或系統(tǒng)破壞。2臨界的處于事故的邊緣狀態(tài)，暫時(shí)還不至于造成人員傷亡、系統(tǒng)破壞或降低系統(tǒng)性能，但應(yīng)予以排除或采取控制措施。3危險(xiǎn)的會(huì)造成人員傷亡或系統(tǒng)破壞，要立即采取防范對(duì)策措施。4災(zāi)難性的造成人員重大傷亡及系統(tǒng)嚴(yán)重破壞的災(zāi)難性事故，必須予以果斷排除并進(jìn)行重點(diǎn)防范。第五節(jié)、預(yù)先危險(xiǎn)性分析（PHA）3.危險(xiǎn)性控制危險(xiǎn)性識(shí)別和等級(jí)劃分后，就可采取相應(yīng)的預(yù)防措施，避免它發(fā)展成為事故。采取預(yù)防措施的原則：先采取直接措施，即從危險(xiǎn)源（起因）著手。其次是間接措施，如隔離、個(gè)人防護(hù)等。事故一旦發(fā)生，應(yīng)馬上采取措施，抑制事態(tài)發(fā)展，減輕危害的嚴(yán)重性。防止人的失誤。第五節(jié)、預(yù)先危險(xiǎn)性分析（PHA）4.危險(xiǎn)性預(yù)先分析的特點(diǎn)：1）分析工作在活動(dòng)之前，避免由于考慮不周造成的損失。2）對(duì)系統(tǒng)開發(fā)、初步設(shè)計(jì)、制造、安裝、檢修等做的分析步驟，可以提供注意事項(xiàng)及指導(dǎo)方針。3）分析結(jié)果可為制定標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和技術(shù)文獻(xiàn)提供必要的資料。4）根據(jù)分析結(jié)果可以編制安全檢查表以保證實(shí)施安全、并可作為安全教育的材料。第五節(jié)、預(yù)先危險(xiǎn)性分析（PHA）第六節(jié)故障類型影響分析（FMEA）FMEA重要的系統(tǒng)安全分析方法。是通過(guò)識(shí)別產(chǎn)品、設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程中潛在的故障模式，分析故障模式對(duì)系統(tǒng)的影響，并將故障模式按其影響的嚴(yán)重程度進(jìn)行分級(jí)?；舅悸肥遣扇∠到y(tǒng)分割的概念，根據(jù)實(shí)際需要、分析的水平，首先把系統(tǒng)分割成子系統(tǒng)或進(jìn)一步分割成元件。然后逐個(gè)分析元件可能的故障和故障呈現(xiàn)的狀態(tài)（即故障類型），進(jìn)一步分析故障類型對(duì)子系統(tǒng)的影響，最后采取措施解決。一、基本原理與FMEA有關(guān)的基本概念故障：元件、子系統(tǒng)或系統(tǒng)在規(guī)定期限內(nèi)和運(yùn)行條件下未按設(shè)計(jì)要求完成規(guī)定的功能或功能下降。故障類型：是故障的表現(xiàn)形態(tài)，表述為故障出現(xiàn)的形式或?qū)Σ僮鞯挠绊憽９收显颍簩?dǎo)致系統(tǒng)、產(chǎn)品故障的原因既有內(nèi)在因素也有外在因素；故障嚴(yán)重度：考慮故障所能導(dǎo)致的最嚴(yán)重的潛在后果，并以傷害程度、財(cái)產(chǎn)損失或系統(tǒng)永久破壞加以度量。嚴(yán)重度分級(jí)：按故障可能導(dǎo)致的最嚴(yán)重的潛在后果，分為四級(jí)。是衡量對(duì)系統(tǒng)任務(wù)、人員安全造成影響的尺度。一、基本原理嚴(yán)重度等級(jí)影響程度可能造成的危害或損失Ⅳ致命性的可能造成死亡或系統(tǒng)損失Ⅲ嚴(yán)重的可能造成嚴(yán)重傷害、嚴(yán)重職業(yè)病或主要系統(tǒng)損壞Ⅱ臨界的可能造成輕傷、職業(yè)病或次要系統(tǒng)損壞Ⅰ可忽略的不會(huì)造成傷害和職業(yè)病，系統(tǒng)也不會(huì)受損FMEA嚴(yán)重度分級(jí)表一、基本原理系統(tǒng)或元件發(fā)生故障的機(jī)理十分復(fù)雜，故障類型是由不同故障機(jī)理顯現(xiàn)出來(lái)的各種故障現(xiàn)象的表現(xiàn)形式。一個(gè)系統(tǒng)或一個(gè)元件往往有多種故障類型。對(duì)產(chǎn)品、設(shè)備、元件的故障類型、產(chǎn)生原因及其影響及時(shí)了解和掌握，才能正確地采取相應(yīng)措施。掌握產(chǎn)品、設(shè)備、元件的故障類型需要積累大量的實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，特別是通過(guò)FMEA來(lái)積累經(jīng)驗(yàn)。二、故障類型影響分析程序1.掌握和了解對(duì)象系統(tǒng)：

分析之前必須掌握被分析對(duì)象的有關(guān)資料，以確定分析的詳細(xì)程度，確定對(duì)象系統(tǒng)的邊界條件；了解作為分析對(duì)象的系統(tǒng)、裝置或設(shè)備；確定分析系統(tǒng)的物理邊界；確定系統(tǒng)分析的邊界；收集元素的最新資料。2.對(duì)系統(tǒng)元素的故障類型進(jìn)行分析找出所有的故障類型，盡可能找出每種故障類型的所有原因，然后確定系統(tǒng)元素的故障類型。若分析對(duì)象是已有元素，則可以根據(jù)以往運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)或試驗(yàn)情況確定元素的故障類型；若分析對(duì)象是設(shè)計(jì)中的新元素，則可以參考其它類似元素的故障類型，或者對(duì)元素進(jìn)行可靠性分析來(lái)確定元素的故障類型。一個(gè)元素至少有4種可能的故障類型意外運(yùn)行；運(yùn)行不準(zhǔn)時(shí)；停止不及時(shí)；運(yùn)行期間故障。根據(jù)故障原因分析，最后確定元素的故障類型。元素功能、喪失功能元素故障類型把元素按組成分解外部原因內(nèi)部原因各部分故障類型元素的一部分確定元素故障類型程序框圖3.故障類型的影響故障類型的影響分析是指在系統(tǒng)正常運(yùn)行的狀態(tài)下，詳細(xì)地分析一個(gè)元素各種故障類型對(duì)系統(tǒng)的影響。分析故障類型的影響，通過(guò)研究系統(tǒng)主要的參數(shù)及其變化、故障后果的物理模型或經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定故障類型對(duì)系統(tǒng)功能的影響。36故障類型的影響可以從下面3種情況來(lái)分析：

1)元件故障類型對(duì)相鄰元素的影響。該元素可能是其他元素故障的原因；

2)元素故障類型對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響。該元素可能是導(dǎo)致或事故的原因；

3)元素故障類型對(duì)子系統(tǒng)及周圍環(huán)境的影響。4.列出故障類型影響分析表根據(jù)故障類型和影響分析表，系統(tǒng)、全面和有序地進(jìn)行分析。三、應(yīng)用實(shí)例：?jiǎn)卧收项愋凸收显蚬收嫌绊懓粹o接點(diǎn)不閉合機(jī)械故障操作人員未按按鈕繼電器接點(diǎn)不閉合，電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)，系統(tǒng)功能喪失接點(diǎn)不斷開機(jī)械故障操作人員未放按鈕電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，短路燒毀熔絲繼電器接點(diǎn)不閉