基于FMECA／HoR的气动薄膜调节阀可靠性分析

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第 31卷 第5期 轻工机械 V01．3l No．52013年 lO月 L培htIndustryMachinery Oct．2013(浙江工业大学 化工机械设计研究所，浙江 杭州 310014)摘 要：在传统FMECA分析方法的基础上，引入可靠性屋(I-IoR)的概念，提出一种新的可靠性分析方法，即FMECA／HoR方法，该方法具有 2个优点：一是能够考虑故障模式之间的相关性；二是以客户对可靠性方面的需求来确定故障模式的优先权重。对于气动薄膜调节阀的高可靠性要求，采用FMECA／HoR方法分析气动薄膜调节阀中各种潜在的故障模式，对其危害性大小进行排序 ，帮助设计和生产中进行相应的改进，进而提高其可靠性。

关 键 词：气动薄膜调节阀；FMECA分析法；可靠性屋(HoR)；可靠性中图分类号：TH138．52 文献标志码 ：A 文章编号：1005—2895(2013)05-0045-06FMECA／H0R Analysis for Pneumatic Diaphragm Control ValveSHI Jie，BA0 Shiyi(Institute of Process Equipment and Control Engineering，Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310014，China)Abstract：A new approach for reliability analysis was proposed which was called FMECA／HoR．This was obtained byintegrating standard FMECA and the House of Reliability(HoR)．The methodology，within an integrated approach，overcomes two limits of standard FMECA：it considers the correlation between failure modes，and it is able to translatethe reliability requisites of customers into the priority of failure modes．For the high reliability demand of the PneumaticDiaphragm Control Valve，FMECA／HoR was used to analyze the potential failure modes and got critical rankings．Theapplication of the proposed approach allows users to identify and control the design and manufacture requisites，andaffects reliability and finally enhances the reliability.

Key words：pneumatic diaphragm control valve；FMECA；House of Reliability(HoR)；reliability调节阀 ¨又称控制阀(Control Valve)，是应用于流程工业的基本部件之一，主要用于调节流体介质的流量、压力等。气动薄膜调节阀 是使用最广泛的一种调节阀，其执行机构为薄膜。气动薄膜调节阀属于典型的机械串联系统，对可靠性要求比较高。因此，在设计阶段的初期就要分析影响阀门可靠性的主要因素和可能存在的薄弱环节，然后在设计和制造过程中加以改 进 或 消 除，这 正 是 内 建 可 靠 性 (Build inReliability，BIR) 思想的体现。

BIR思想 中比较有名的两种方法 】3 是失效模式、影 响及 危 害性 分 析 (Failure Mode，Efects，andCriticality Analysis，FMECA) 和 质量 屋 (House ofQuality，HoQ)ES]。FMECA是一种操作规程，旨在对系统潜在的故障模式加以分析，以便按照严重程度加以分类，或者确定故障模式对于该系统的影响。noQ是质量功能配置(Quality Function Deployment，QFD)的核心，它通过考虑客户需求和生产技术要求之间的相互关系来确定生产技术要求的重要度等级。

FMECA中危害性的评估一般用风险优先数(RiskPriority Number，RPN) 方法。通过专家对严酷度(Severity，S)、发 生 度 (Occurence，O)、难 检 度(Detectability，D)评估，并将评估的结果根据标准评分准则表格转换成具体的数值，最后相乘得到 ，即R =S·O·D。传统求 RPN的 FMECA方法主要存在以下几点不足：①忽略了生产成本、质量和其他一些经济方面问题_8 ；②简单的相乘运算不能区分每个评收稿 日期 ：2013-03—23；修回日期：2013-03-26作者简介 ：石洁(1987)，男，浙江上虞人，硕士 ，主要研究方向为安全联锁系统。E—mail：553579837###qq．con轻I机械 I 曲 t Industry Machinery 2013年第5期分准则的重要性 ；③没有充分考虑各种失效之间的影响 10 3426。尽管有文献? 提出了新的的技术方法用于克服 FMECA的不足，但是他们都认为故障模式问是独立不相关的，所以对包含有失效模式相关性的危害性评估仍是一个需要深入研究的内容。目前，Braglia提 出 的 可 靠 性 屋 (House of Reliability，HoR)¨叫 为解决考虑故障模式之间相关性情况下可靠性分析问题提供了一种可行的方法。

本文提出一种 FMECA／HoR方法，将 QFD的思想运用到可靠性分析中去，基于 FMECA结构化方式，建立一种新的分析模型，称为可靠性屋 HoR。HoR能够考虑故障模式之间的相关性，利用 HoR得到的故障模式风险的排序结果，可以清楚地确定那些需要亟待解决的故障模式。最后，采用 FMECA／HoR方法对气动薄膜调节阀进行危害性分析，找出气动薄膜调节阀潜在的故障模式并对其危害性大小进行排序，为气动薄膜调节阀的设计和制造提供依据。

1 可靠性屋 HoR模型1．1 HoR的基本组成和表示如图1所示，可靠性屋 HoR的基本结构由8个部分组成 。] 。

罩．蚩÷厦 ④故睁模拳 k厂 J、级严 一 '-2栏 酷度指 一 大东 f枥(5) 发牛度(6) 难检度图1 可靠性屋Figure 1 House of Reliability1)“次级严酷度”房间。根据产品类型并考虑当地法规和国际标准，将严酷度拆分成几个次级严酷度指标。

2)重要度。严酷度次级指标的权重。

3)“故障模式”房间。包括各种潜在的故障模式。

4)“关系矩阵”。矩阵中的元素表示故障模式对次级严酷度指标的影响程度，参考 FMECA中严酷度评分等级表格，用 1～10表示。

5)“发生度”房间。表示故障模式发生的概率大小，参考 FMECA中发生度评分等级表格，用 1～10表示。

6)“难检度”房间。表示故障模式发生前不可检测的可能性大小，参考 FMECA中难检度评分等级表格，用 1～10表示。

7)“自相关矩阵”房间。表示故障模式之间的相互影响关系的大小。第 i个失效模式的发生对第 k个失效模式的发生的影响大小可用 OL 表示。对 的取值也建立了评分准则表格，见表 1[1。_4 。

8)“关键风险数”房间。故障模式的危害性大小用关键风险数(Critical Risk Number，CR)C表示。

表 1 OLik取值的参考标准表格Table 1 Standard linguistic conversion tablein assessing the value of1．2 HoR中关键风险数 C的计算定义第 i个失效模式的严酷度为s =∑(WISji) (1)其中： 表示第 个严酷度次级指标的权重；s， 表示第 i个失效模式关于第． 个严酷度次级指标的分数。

式(1)中S 与传统FMECA中严酷度 S的区别是S 取决于不同影响因素的贡献。

第 个失效模式的关键风险数 C为C =OiS D +∑( O S D ) (2)= l；≠i其中：0 ，S ，D 表示第 i个失效模式的发生度，严酷度和难检度；m表示失效模式的个数； 表示两个失效模式之问的联系。式(2)考虑了故障模式相关性对 C值的影响，如果某个失效会引起别的失效，那么这个失效模式的关键风险数 C将会增加。

式(2)也可以表示为C =∑( 0 S：D ) (3)= 1[自控 ·检测] 石 洁 ，等：基于 FMECA／HoR的气动薄膜调节阀可靠性分析其中， =1，V i=z。基于式(3)可建立矩阵形式的可靠性屋，如图2所示。

图2 矩阵形式的可靠性屋Figure 2 Matrix form of the house of reliability根据图2可以把公式(3)转换成R=[AS WPD ] (4)其中：A表示 m×m阶故障模式之间的自相关矩阵；W表示严酷度次级指标权重因子的列向量；S表示n×m阶关系矩阵；尸表示发生度的行向量；D表示难检度的行向量；R表示故障模式的关键风险数的行向量。

1．3 FMECA／HoR方法的流程图基于上两节的分析，在传统 FMECA方法中引入可靠性屋 HoR，得到 FMECA／HoR方法，其流程如图3所示 。

2 气动薄膜调节阀的 FMECA／HoR分析以最常见的气动薄膜调节阀为研究对象，利用FMECA／HoR方法对其进行可靠性分析，分析时不考虑调节阀各种附件。

2．1 气动薄膜调节阀的可靠性要求以强度性能、密封性能和总体动作性能作为评价气动薄膜调节阀可靠性的依据ll 。强度性能是指阀门中各个零部件承受介质压力的能力，对气动薄膜调节阀而言，保证其强度要求的主要部件为膜片和阀体。

密封性能指的是调节阀各个密封部位阻止介质泄露的能力，主要考虑部位有阀芯和阀座间的吻合面，阀杆与填料问的密封，阀体与阀盖间的连接，薄膜与膜盖间的密封。总体动作性能主要包括阀门动作速度，动作灵敏度，动作稳定性(如有无振动和噪音等)。

2．2 气动薄膜调节阀的 FMECA分析首先对气动薄膜调节阀进行传统 FMECA分析。

参考 Fisher调节阀技术手册_l 6_ ，结合气动薄膜调节系统定义故障模式识别二二[ 故障影响评估二二 二二确定故障原因当前的控制过程和榆测方法确定发生度 0l l确定难检度D l I确定严重度S计算 RRPN故障模式之问的相互影响作用 I 1次级严酷度syi自相关矩阵 l l计算严酷度S考虑故障模式之间的相：弓．影响，计算C改进数据进行改进图 3 FMECA／HoR流 程 图Figure 3 FMECA／HoR process diagram阀的可靠性要求，选取 13个主要零件和 15个主要故障模式进行 FMECA分析。参考 CCPSl】 ，Exida¨引和OREDA[19]等数据库及相关文献 ，计算各个故障模式的风险优先数 R ，最后得到的 FMECA分析表格见表 2。

2．3 划分次级严酷度指标在 HoR中，把严酷度 S进一步拆分成 6个次级指标：人身安全、环境污染、生产损失 、维修费用、维修停运时间和功能失效。根据客户需要，可对这 6个指标分配权重。

由于气动薄膜调节阀常用于石化行业，主要用途为调节流量和压力等，所以应重点考虑其控制功能，分配权重0．25。又因为石化行业经常有火险和爆炸的危险，所以调节阀的失效对人身安全也应重点考虑，分配权重 0．25。调节阀失效对于流程工业的生产损失是石化企业比较注重的一个方面，分配权重 0．20。其他 3个指标(环境污染，维修费用，维修停运时间)相对而言是不为重视的，分别分配权重 0．1。这样，最终确定的次级严酷度指标权重的列向量为W =『0．25 0．10 0．20 0．10 0．10 0．25]蚕
· 48· 轻工机械 Light Industry Machinery 2013年第5期2．4 建立自相关矩阵A参考Fisher调节阀技术手册 和表 1，确定失效模式之间的影响及其相关系数 分析发现支架振动，导向套振动、阀杆弯曲和填料摩擦力太大这4个失效模式将会引起其他的失效模式。据此建立自相关矩阵A，如表 3所示，其中的数字表示某一失效模式引起其他失效模式的可能性大小。

表3 自相关矩阵ATable 3 Domino matrix A2．5 构造完整的 HoR图参考 Exida和 OREDA数据库，对每一个失效模式重新进行6个次级严酷度指标的打分，用 MATLAB计算矩阵相乘，得到关键风险数 c的行向量 R。如图4所示，将数据填人 HoR中，构建完整的 HoR，其中最底下的4行给出了在考虑相关性和忽略相关性两种情况下分别计算得到的关键风险数 c和对应排序。可以发现，在考虑故障相关性后，支架振动、导向套振动等故障模式的危害度计算值增加比较多，排名也有较大提高，这是因为它们处于故障传播链中的起始端，对故障的传播起关键作用。

[自控·检测] 石 洁，等：基于FMECA／HoR的气动薄膜调节阀可靠性分析 ·49·图4 气动薄膜调节阀的可靠性屋Figure 4 House of reliability for the pneumatic diaphragm control valve2．6 结果比较将传统 FMECA方法得到的 值，以及 HoR方法得到的考虑或者不考虑相关性的两组 C值进行比较，并列出各故障模式 的危害性大小的排序 (括号内)，见表4。

从表4可以看出，3组结果的危害性排序大体相似。但对于大部分的故障模式，HoR得到的 C比 PN要小很多，并且没有出现相同的值。这是 因为传统FMECA只是将 S，O和 D进行简单相乘运算；而 HoR通过划分次级严酷度指标，能够区分和共同评估这些次级严酷度指标的重要性。在上述分析中，用 W=[0．25 0．10 0．20 0．10 0．10 0．25] 作为权重因子，其中大于30％的重要度分配给了维修成本和生产损失等经济因素，对于流程工业中的调节阀是合乎逻辑的。如果评估过程中认为故障模式对经济因素的影响不是特别大的话，相当于这部分经济因素的严酷度拉低了整体的严酷度，这就导致了 C的减小。

另一方面，HoR结合实际情况考虑了故障模式问表4 气动薄膜调节阀故障模式的 和C值及其危害性大小排序Table 4 RRPN and C number and the related rankingfor failure modes of pneumatic diaphragm control valve故障模式 RRPN C (不考虑相关性)C(考虑相关性)· 50· 轻工机械 LightIndustryMachinery 2013年第5期的相互影响，使得某些故障模式的危害性排序会上升， [7]STAMATIS D H．故障模式影响分析-FMEA从理论到实践[M J-陈能更加真实地反映各故障模式的危害性大小。 晓彤，姚绍华，译·北京：国防工业出版社， 。。 ·3结语 i ： .

介绍一种基于故障模式相关性的风险评估方法， and Reliability Enginering Internationa1
．2003．19(5)：425-443.

即FMECA／HoR，该方法将 FMECA与 QFD相融合，在 [9]PILLAY A，WANG J．Modified fail 。d d fieclsanalysis u i。 g可靠性评估中考虑了故障之间的相互影响关系，目的 approximate reasoning?．Reliability Enginering＆System Safety，是确定对系统可靠性影响较大、较脆弱的单元，以防止 o0 ， ( )：69-85.

故障发生连锁反应或减轻其后果，达到优化系统可靠 。¨ ： j R性设计的目的。根据HoR显示的结果，关键风险数C i0 7．24(4)：420—40． 。

以及对应排名指出了那些对可靠性影响较大的失效模 『11]BARENDS D M，OLDENHOF M T．VREDENBREGT M J， t 1.

式。在结构设计、材料选用、加工、零部件质量检验和 Risk analysis of analytical validations by probabilistic modification。f装配的整个过程中应该对这些潜在的失效模式采取严 FMEA[J]·Jou of Pha? lic‘a and Biomedical AnalYsis，格的质量控制措施。文中以气动薄膜调节阀为例，探 一一 。 ， 一 ： 一 ·讨了如何进行基于故障传播的故障模式的危害度评 FMEcA：Tile pri。ritv t
。
FMECA? ．R。liabilitv E gi 。 i g＆估。实例表明，FMECA／HoR方法能够对传统 FMECA Sv Safety， ： 一 ．,2009 94(4)861 871中求 RNP的方法进行有效的调整和优化，为可靠性评 [13]BEVILACQUA M，BRAGLIA M，GABBRIELLI R．Mnnte Carlo估提供了一种新途径。 simulation approach for a modified FMECA ina power plant[J].

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