Виды отказа, последствия и анализ критичности - Failure mode, effects, and criticality analysis

Эффекты режима отказа и анализ критичности (FMECA) является продолжением анализ режимов и последствий отказов (FMEA).

FMEA - восходящий, индуктивный аналитический метод, который может выполняться как на функциональном уровне, так и на уровне отдельных частей. FMECA расширяет FMEA, включая анализ критичности, который используется для построения графика вероятность режимов отказов по степени серьезности их последствий. В результате выделяются виды отказов с относительно высокой вероятностью и серьезностью последствий, позволяя направить усилия по устранению неисправностей туда, где они принесут наибольшую пользу. FMECA, как правило, предпочтительнее FMEA в Космос и Организация Северо-Атлантического Договора (НАТО) военный приложений, в то время как различные формы FMEA преобладают в других отраслях.

История

FMECA был первоначально разработан в 1940-х годах Американские военные, который опубликовал MIL – P – 1629 в 1949 году.^[1] К началу 1960-х подрядчики Национальное управление США по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) использовали вариации FMECA под разными названиями.^[2]^[3] В 1966 году НАСА выпустило свою процедуру FMECA для использования на Программа Аполлон.^[4] FMECA впоследствии использовался в других программах НАСА, включая Викинг, Вояджер, Магеллан, и Галилео.^[5]Возможно, из-за того, что MIL-P-1629 был заменен на MIL-STD-1629 (SHIPS) в 1974 году, разработку FMECA иногда неправильно приписывают НАСА.^[6]Одновременно с разработкой космической программы использование FMEA и FMECA уже распространилось на гражданскую авиацию. В 1967 г. Общество автомобильных инженеров выпустила первое гражданское издание, посвященное FMECA.^[7] Отрасль гражданской авиации сейчас имеет тенденцию использовать комбинацию FMEA и Анализ дерева отказов в соответствии с SAE ARP4761 вместо FMECA, хотя некоторые производители вертолетов продолжают использовать FMECA для гражданских винтокрылый аппарат.

Ford Motor Company начала использовать FMEA в 1970-х годах после проблем, возникших с ее Пинто модель, а к 1980-м годам FMEA получил широкое распространение в автомобильной промышленности. В Европе Международная электротехническая комиссия опубликовала IEC 812 (ныне IEC 60812) в 1985 году, в котором рассматриваются как FMEA, так и FMECA для общего использования.^[8] Британский институт стандартов опубликовал BS 5760–5 в 1991 г. с той же целью.^[9]

В 1980 году MIL-STD-1629A заменил как MIL-STD-1629, так и авиационный стандарт FMECA 1977 года MIL-STD-2070.^[10] Стандарт MIL-STD-1629A был отменен без замены в 1998 году, но, тем не менее, сегодня широко используется в военных и космических целях.^[11]

Методология

Между различными стандартами FMECA обнаружены небольшие различия. Согласно RAC CRTA – FMECA, процедура анализа FMECA обычно состоит из следующих логических шагов:

Определите систему
Определите основные правила и предположения, которые помогут управлять дизайном
Построение блок-схем системы
Определите виды отказов (на уровне отдельных частей или функциональных)
Анализировать последствия / причины отказа
Вернуть результаты в процесс проектирования
Классифицируйте последствия отказа по серьезности
Выполните расчеты критичности
Ранжируйте критичность режима отказа
Определите критические предметы
Вернуть результаты в процесс проектирования
Определить средства обнаружения, изоляции и компенсации отказов
Выполнить анализ ремонтопригодности
Задокументируйте анализ, резюмируйте области проектирования, которые невозможно исправить, определите специальные меры, необходимые для снижения риска отказа
Дать рекомендации
Отслеживание реализации / эффективности корректирующих действий

FMECA может выполняться на функциональном или частичном уровне. Функциональный FMECA учитывает последствия отказа на уровне функциональных блоков, таких как источник питания или усилитель. Штучные FMECA учитывают последствия отказов отдельных компонентов, таких как резисторы, транзисторы, микросхемы или клапаны. Частично FMECA требует гораздо больше усилий, но дает преимущество в виде более точных оценок вероятностей возникновения. Однако функциональные FMEA могут быть выполнены намного раньше, что может помочь лучше структурировать полную оценку рисков и предоставить другой вид понимания вариантов смягчения. Анализы дополняют друг друга.

Анализ критичности может быть количественным или качественным, в зависимости от наличия данных об отказах вспомогательной части.

Определение системы

На этом этапе основная система, подлежащая анализу, определяется и разбивается на иерархию с отступом, такую как системы, подсистемы или оборудование, единицы или подсборки и отдельные части. Функциональные описания создаются для систем и распределяются по подсистемам, охватывая все рабочие режимы и фазы миссии.

Основные правила и предположения

Прежде чем будет проведен подробный анализ, обычно определяются и согласовываются основные правила и предположения. Это может включать, например:

Стандартизированный профиль миссии с конкретными фазами миссии фиксированной продолжительности
Источники данных о частоте отказов и режимах отказов
Покрытие обнаружения неисправностей, которое реализует встроенный тест системы
Будет ли анализ функциональным или частичным
Критерии, которые необходимо учитывать (прерывание миссии, безопасность, обслуживание и т. Д.)
Система для однозначной идентификации частей или функций
Определения категорий серьезности

Блок-схемы

Далее системы и подсистемы изображаются на функциональных блок-схемах. Блок-схемы надежности или деревья отказов обычно строятся одновременно. Эти диаграммы используются для отслеживания информационного потока на разных уровнях системной иерархии, определения критических путей и интерфейсов, а также выявления эффектов более высокого уровня отказов более низкого уровня.

Идентификация режима отказа

Для каждой детали или каждой функции, охваченной анализом, разрабатывается полный список видов отказов. Для функционального FMECA типичные виды отказов включают:

Несвоевременная операция
Неспособность работать при необходимости
Потеря производительности
Прерывистый выход
Ошибочный вывод (учитывая текущее состояние)
Неверный вывод (для любого условия)

Для штучного FMECA данные о режимах отказа могут быть получены из таких баз данных, как RAC FMD – 91.^[12] или РАК ящур-97.^[13] Эти базы данных предоставляют не только режимы отказа, но и отношения режимов отказа. Например:

**Режимы отказа устройства и соотношения видов отказа (FMD – 91)**
Тип устройства	Режим отказа	Соотношение (α)
Реле	Не может споткнуться	.55
	Ложное путешествие	.26
	короткий	.19
Резистор, состав	Изменение параметра	.66
	Открыть	.31
	короткий	.03

Каждая функция или деталь-деталь затем перечисляется в матричной форме с одной строкой для каждого вида отказа. Поскольку FMECA обычно включает очень большие наборы данных, уникальный идентификатор должен быть присвоен каждому элементу (функции или части-детали) и каждому виду отказа каждого элемента.

Анализ последствий отказов

Последствия отказа определяются и вводятся для каждой строки матрицы FMECA с учетом критериев, определенных в основных правилах. Эффекты описываются отдельно для локального, следующего более высокого и конечного (системного) уровней. Эффекты системного уровня могут включать:

Системная ошибка
Ухудшение работы
Ошибка состояния системы
Нет немедленного эффекта

Категории последствий отказа, используемые на различных иерархических уровнях, подбираются аналитиком с учетом инженерной оценки.

Классификация серьезности

Классификация серьезности назначается для каждого режима отказа каждого уникального элемента и вводится в матрицу FMECA на основе последствий на уровне системы. Используется небольшой набор классификаций, обычно имеющих от 3 до 10 уровней серьезности. Например, при подготовке с использованием стандарта MIL-STD-1629A обычно следует классификация серьезности сбоя или аварии. MIL – STD – 882.^[14]

**Категории серьезности нарушений (MIL – STD – 882)**
Категория	Описание	Критерии
я	Катастрофический	Это может привести к смерти, необратимой полной инвалидности, ущербу, превышающему 1 миллион долларов, или необратимому серьезному ущербу окружающей среде, нарушающему закон или постановление.
II	Критический	Это может привести к необратимой частичной инвалидности, травмам или профессиональному заболеванию, которое может привести к госпитализации как минимум трех сотрудников, убыткам на сумму более 200 тысяч долларов, но менее 1 миллиона долларов, или обратимому ущербу окружающей среде, вызывающему нарушение закона или постановления.
III	Маргинальный	Это может привести к травме или профессиональному заболеванию, в результате чего один или несколько рабочих дней будут потеряны, убытки превышают 10 000 долларов США, но менее 200 000 долларов США, или может быть нанесен минимальный экологический ущерб без нарушения закона или постановления, в котором могут быть выполнены восстановительные мероприятия.
IV	Незначительный	Это может привести к травме или заболеванию, не приводящим к потере рабочего дня, убыткам, превышающим 2 тысячи долларов, но менее 10 тысяч долларов, или минимальному ущербу окружающей среде без нарушения закона или постановления.

Текущие категории серьезности FMECA для Федеральное управление гражданской авиации США (FAA), НАСА и Европейское космическое агентство космические приложения являются производными от MIL – STD – 882.^[15]^[16]^[17]

Методы обнаружения отказов

Для каждого компонента и режима отказа анализируется способность системы обнаруживать и сообщать о рассматриваемом отказе. В каждую строку матрицы FMECA будет введено одно из следующего:

Нормальный: система правильно показывает экипажу безопасное состояние
Аномальный: система правильно указывает неисправность, требующую действий экипажа
Неверно: система ошибочно указывает безопасное состояние в случае неисправности или предупреждает экипаж о неисправности, которой не существует (ложная тревога)

Рейтинг критичности

Оценка критичности режима отказа может быть качественной или количественной. Для качественной оценки код или номер вероятности аварии присваивается и вводится в матрицу. Например, MIL – STD – 882 использует пять уровней вероятности:

**Уровни вероятности отказа (MIL – STD – 882)**
Описание	Уровень	Отдельный элемент	Флот
Частый	А	Вероятно, часто встречается в жизненном цикле предмета	Постоянно испытывал
Вероятно	B	Будет происходить несколько раз в жизни предмета	Будет происходить часто
Случайный	C	Вероятно, когда-нибудь в жизни предмета	Произойдет несколько раз
Удаленный	D	Маловероятно, но возможно произойти в жизненном цикле предмета	Маловероятно, но можно разумно ожидать
Невероятно	E	Так что маловероятно, можно предположить, что событие может не случиться	Маловероятно, но возможно

Затем режим отказа может быть нанесен на матрицу критичности с использованием кода серьезности в качестве одной оси и кода уровня вероятности в качестве другой. модальное число критичности ${ displaystyle C_ {m}}$ рассчитывается для каждого режима отказа каждого элемента, и номер критичности элемента ${ displaystyle C_ {r}}$ рассчитывается по каждой позиции. Числа критичности вычисляются с использованием следующих значений:

Базовая частота отказов ${ displaystyle lambda _ {p}}$
Соотношение режимов отказа ${ displaystyle alpha}$
Условная возможность ${ displaystyle beta}$
Продолжительность фазы миссии ${ displaystyle t}$

Числа критичности вычисляются как ${ displaystyle C_ {m} = lambda _ {p} alpha beta t}$ и ${ displaystyle C_ {r} = sum _ {n = 1} ^ {N} (C_ {m}) _ {n}}$ .Основная частота отказов ${ displaystyle lambda _ {p}}$ обычно подается в FMECA из прогноза интенсивности отказов, основанного на MIL – HDBK – 217, PRISM, RIAC 217Plus или аналогичной модели. Отношение режимов отказа может быть взято из источника базы данных, такого как RAC FMD – 97. Для функционального уровня FMECA может потребоваться инженерная оценка для определения отношения режимов отказа. ${ displaystyle beta}$ представляет собой условную вероятность того, что эффект отказа приведет к определенной классификации серьезности, учитывая, что режим отказа имеет место. Он представляет собой лучшее суждение аналитика относительно вероятности возникновения убытков. Для графического анализа матрица критичности может быть построена с использованием либо ${ displaystyle C_ {m}}$ или же ${ displaystyle C_ {r}}$ по одной оси и код серьезности - по другой.

Список критических элементов / режимов отказа

После завершения оценки критичности для каждого режима отказа каждого элемента матрица FMECA может быть отсортирована по серьезности и качественному уровню вероятности или количественному числу критичности. Это позволяет в ходе анализа идентифицировать критические элементы и критические режимы отказов, для которых желательно снижение проектных последствий.

Анализ ремонтопригодности

FMECA обычно используется как в Анализе ремонтопригодности, так и в Анализ логистической поддержки, оба из которых требуют данных из FMECA. FMECA - самый популярный инструмент для анализа отказов и критичности систем с целью повышения производительности. В нынешнюю эпоху Индустрия 4.0, отрасли внедряют профилактическое обслуживание стратегия для их механических систем. FMECA широко используется для идентификации режима отказа и определения приоритетов механических систем и их подсистем для профилактическое обслуживание.^[18]

Отчет FMECA

Отчет FMECA состоит из описания системы, основных правил и предположений, выводов и рекомендаций, корректирующих действий, которые необходимо отслеживать, и прилагаемой матрицы FMECA, которая может быть в виде электронной таблицы, рабочего листа или базы данных.

Расчет приоритета риска

И RAC CRTA – FMECA, и MIL – HDBK – 338 определяют расчет числа приоритета риска (RPN) в качестве метода, альтернативного анализу критичности. RPN является результатом умножения обнаруживаемости (D) x серьезности (S) x вхождения (O). Для каждого по шкале от 1 до 10 максимальное значение RPN равно 10x10x10 = 1000. Это означает, что этот отказ не обнаруживается при осмотре, он очень серьезный и возникновение почти гарантировано. Если событие очень редкое, это будет 1, а RPN уменьшится до 100. Таким образом, анализ критичности позволяет сосредоточиться на самых высоких рисках.

Преимущества и недостатки

Сильные стороны FMECA включают его полноту, систематическое установление взаимосвязей между причинами и следствиями отказов, а также его способность указывать отдельные виды отказов для корректирующих действий при проектировании. Слабые стороны включают необходимость в больших трудозатратах, большое количество рассмотренных тривиальных случаев и неспособность справиться со сценариями множественных отказов или незапланированными межсистемными эффектами, такими как скрытые схемы.

Согласно отчету FAA об исследовании коммерческого космического транспорта,

Типы отказов, последствия и анализ критичности - отличный инструмент для анализа опасностей и оценки рисков, но он страдает другими ограничениями. Эта альтернатива не учитывает комбинированные отказы или обычно включает соображения взаимодействия программного обеспечения и человека. Он также обычно дает оптимистичную оценку надежности. Следовательно, FMECA следует использовать вместе с другими аналитическими инструментами при разработке оценок надежности.^[19]