一、產(chǎn)品概述
滅火系統(tǒng)是艦艇裝備的一個非常重要和關(guān)鍵的系統(tǒng)。一旦發(fā)生火災(zāi)，滅火系統(tǒng)必須能夠立即運行。因此，對滅火系統(tǒng)的可靠性和可用性提出了很高的要求。為了滿足這些要求，該系統(tǒng)由幾個離心泵組成，一方面確保系統(tǒng)保持一定的壓力，另一方面在使用系統(tǒng)時能夠提供所需的海水流量。
考慮到該系統(tǒng)對于潛艇裝備的關(guān)鍵性，采用故障樹六步法對滅火系統(tǒng)的離心泵進(jìn)行故障分析，識別薄弱環(huán)節(jié)并采取相應(yīng)措施，提高系統(tǒng)可用性，降低維護成本?？赡茉S多人對于故障樹的用途、用處還是很模糊，仍存在很多疑問。到底故障樹能做什么？故障樹有什么作用等等。本案例以離心泵為例，通過故障樹六步法詳細(xì)介紹故障樹分析的過程。分析過程中，結(jié)合了離心泵的故障機理分析進(jìn)行。
圖1 離心泵
二、故障樹分析六步法
以下采用故障樹分析六步法進(jìn)行該離心泵的故障樹分析，找出薄弱環(huán)節(jié)，確定各故障的應(yīng)對措施。通過該案例，詳細(xì)介紹故障樹六步法的流程以及如何基于六步法進(jìn)行故障樹分析。
第一步：問題定義
故障分析的第一步是問題定義，即故障定義。在本案例中，故障被定義為“離心泵工作不正?！薄＿@意味著有幾種情況被視為離心泵故障：（1）泵不產(chǎn)生任何流量（無流量）；（2）泵產(chǎn)生的流量不足（低流量）；（3）或泵出現(xiàn)異常行為（例如振動、過熱等）。
雖然這個定義不是很精確，但它基本包含了所有可能的故障。在本案例中，操作員/分析人員對故障行為的洞察力（即操作員/分析人員對于深層次的故障原因分析、故障歸類等）有限，因此選擇通用的故障定義可確保不錯漏任何重要的故障模式。問題定義的另一方面是系統(tǒng)邊界的定義。如圖1所示，所考慮的離心泵是由電動機驅(qū)動，但電動機在所考慮的系統(tǒng)之外，即確定的系統(tǒng)邊界位于泵和電機之間的軸上。
第二步：故障樹分析
故障分析程序的下一步是執(zhí)行故障樹分析，以識別可能導(dǎo)致泵發(fā)生故障的所有故障模式。利用PosVim的故障樹模塊，構(gòu)建該離心泵的故障樹模型如下圖所示。該故障樹模型包括三個分支，分別與三種故障條件有關(guān)：無流量、低流量和異常行為。對于每個分支，均識別出幾個最底層的基本故障事件，并以彩色圓圈標(biāo)記。不同的顏色的基本事件表示不同類型的原因（黃色的為承載能力；藍(lán)色是負(fù)載，不可避免；紅色為人為錯誤；綠色是負(fù)載，可避免）導(dǎo)致的。
圖2 故障樹分析
第三步：確定故障模式優(yōu)先級
由于故障樹模型包含的故障模式的數(shù)量相當(dāng)多，一般不會對所有的故障模式均采取嚴(yán)格的控制措施。因此必須選擇、確定哪些是最關(guān)鍵的故障模式。選擇可以基于（維護）成本或采取措施造成的風(fēng)險進(jìn)行，即通過故障頻率（與可用性相關(guān)）以及對安全和環(huán)境的影響來判斷。由于該離心泵的研制單位無法收回單個系統(tǒng)的維護成本，因此該離心泵的研制單位重點關(guān)注的是故障頻率問題。為此，收集了與該類型泵相關(guān)的計算機輔助維修管理系統(tǒng)或其它數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)中的所有記錄數(shù)據(jù)，這些記錄數(shù)據(jù)包括了艦隊的相應(yīng)的故障、維修數(shù)據(jù)。通過這些數(shù)據(jù)可以分析確定該離心泵的最常見的故障。
由于該離心泵的故障記錄詳細(xì)程度有限，很難直接使用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析確定故障模式的優(yōu)先級。雖然通過這些記錄數(shù)據(jù)可以獲得泵故障的信息，但在大多數(shù)情況下，這些記錄的數(shù)據(jù)缺少導(dǎo)致故障的故障模式信息、缺少直接可以統(tǒng)計得到故障頻率等數(shù)據(jù)的深層次信息。因此，利用操作員和維護人員的經(jīng)驗來確定故障模式的優(yōu)先級。最終結(jié)合故障記錄數(shù)據(jù)統(tǒng)計（使用Posweibull分析工具）和專家經(jīng)驗的結(jié)果確定以下最優(yōu)先的故障模式（注：這里假設(shè)一些故障樹的基本事件的發(fā)生概率數(shù)據(jù)無法全部獲取的情況下），當(dāng)具有足夠的故障事件定量數(shù)據(jù)時，可以結(jié)合故障樹分析結(jié)果的最小割集、基本事件重要度（結(jié)構(gòu)重要度、概率重要度、關(guān)鍵重要度等）判斷：
（1）密封滲漏
（2）葉輪無流量
（3）軸承損傷（振動）
（4）軸斷裂
第四步：確定故障機理
故障分析的下一步是評估導(dǎo)致各種故障模式的故障機理。一般采用根本原因分析方法進(jìn)行。通過根本原因分析，可以為確定問題的可能解決方案提供有價值信息。在本案例中，從兩個不同的層面識別、分析故障機理。
對于故障樹分析中的每個基本故障（即故障模式），先從下面四種類型的故障原因選擇各故障模式的故障原因：
（1）系統(tǒng)或部件的承載能力不足（故障樹中標(biāo)記黃色的故障）：這通常是由于使用不符合規(guī)范的部件造成的。示例：使用普通鋼而非不銹鋼制造的葉輪，導(dǎo)致腐蝕問題。
（2）人為錯誤（故障樹中標(biāo)記橙色的故障）：通常是由于忽視規(guī)定、缺乏明確規(guī)定或培訓(xùn)不足造成的。示例：用高壓水射流清洗泵會去除軸承上的潤滑劑，導(dǎo)致軸承故障。
（3）由于可避免（錯誤）使用導(dǎo)致的系統(tǒng)負(fù)荷過大（故障樹中標(biāo)記綠色的故障）：系統(tǒng)的使用偏離了設(shè)計規(guī)范，但很容易改變以符合規(guī)范。示例：無流量運行泵時，陶瓷密封件會發(fā)熱。閥門突然打開會產(chǎn)生非常高的冷卻速率，由此產(chǎn)生的熱沖擊會導(dǎo)致密封件斷裂。緩慢打開閥門可使密封件以中等速度冷卻。
（4）不可避免的（錯誤）使用導(dǎo)致系統(tǒng)負(fù)荷過大（故障樹中標(biāo)記紫色的故障）：系統(tǒng)的使用偏離設(shè)計規(guī)范，但不可接受或不可能調(diào)整使用。示例：當(dāng)船舶在淺水中時，泵吸入的海水通常含有導(dǎo)致葉輪腐蝕的沙粒。
在構(gòu)建的故障樹模型中，使用4種不同顏色的標(biāo)記以區(qū)分不同類型的故障原因。在進(jìn)行分析后，根據(jù)標(biāo)識顏色的故障類別，進(jìn)一步確定故障機理。
（1）密封泄漏：以下幾種失效機理可導(dǎo)致此類失效：
A、運行期間泵內(nèi)無水時，密封表面會磨損；
B、突然冷卻熱密封件引起的熱沖擊會導(dǎo)致斷裂；
C、泵的振動（例如葉輪中的氣穴、不對中或裝配錯誤）會在密封件上產(chǎn)生高負(fù)荷，造成過載損壞。
（2）無流量：葉輪因為以下幾種機理失效：
A、由于長期暴露在海水中造成的腐蝕；
B、泵內(nèi)溫度升高導(dǎo)致縫隙腐蝕；
C、海水流中（沙）顆粒造成的侵蝕；
D、葉輪中的氣蝕導(dǎo)致疲勞損壞。
（3）軸承損傷：這種損壞是由以下機理造成的：
A、非工作泵振動引起的局部疲勞和磨損損壞（由同一區(qū)域內(nèi)其他機器的振動引起）；
B、由于不對中（高負(fù)載）、潤滑不良或軸承裝配不良而導(dǎo)致的磨損損壞。
（4）軸斷裂：這些故障是由泵和電機錯位引起的。在軸不對稱載荷下，當(dāng)循環(huán)次數(shù)達(dá)到一定次數(shù)后將產(chǎn)生疲勞斷裂。校準(zhǔn)、調(diào)教工作往往由維護人員定期執(zhí)行，但顯然該校準(zhǔn)程序不充分。
第五步：確定荷載及其與使用的關(guān)系
如前一步所述，分為四種不同類型的故障原因?qū)嶋H上是結(jié)合了故障機理評估和負(fù)載-使用關(guān)系確定的。特別是在系統(tǒng)過載的情況下（無論是可以避免的還是不可避免的），在大多數(shù)情況下都可以建立過載與使用的關(guān)系。例如，其中一個故障是泵過熱，這是由于在輸出回路中的閥門仍然關(guān)閉時操作泵引起的。泵內(nèi)沒有水流意味著沒有冷卻，泵開始加熱。很明顯，在這種情況下，泵的熱負(fù)荷與關(guān)閉的閥門直接相關(guān)。此外，可以通過規(guī)定閥門關(guān)閉時不允許操作泵來防止此類故障。
第六步：確定最終解決方案
故障分析程序的最后一步是找到問題的解決方案，即防止將來發(fā)生類似故障的方法。由于在前面的一個步驟中已確定了所有故障模式的原因類型，因此通常很容易找到解決方案。四種原因中的每一種都有明確的解決方向：
A、承載能力不足：修改或重新設(shè)計系統(tǒng)以增加容量。如果是不合格零件：嚴(yán)格控制零件的質(zhì)量。
B、人為錯誤：規(guī)范操作程序要求，進(jìn)行適當(dāng)?shù)呐嘤?xùn)。
C、可避免（錯誤）使用：更改使用操作文件，使其滿足規(guī)范操作要求。
D、不可避免的（錯誤）使用：接受故障的發(fā)生，但盡量通過使用或狀態(tài)監(jiān)控使其可預(yù)測。
以本案例為例，該離心泵人為失誤（橙色圓圈）相對頻繁，并且也發(fā)生了大量可避免的超載（綠色）。如上所述，通過改變系統(tǒng)的操作方式和改進(jìn)人員培訓(xùn)，可以很容易地預(yù)防這些故障。這四種關(guān)鍵故障模式可通過以下方式解決：
A、密封泄漏：上一步提到的所有故障機理都是由于泵操作不當(dāng)造成的。因此，可以通過對操作員進(jìn)行更好的指導(dǎo)和培訓(xùn)來預(yù)防故障。特別是防止泵在沒有流量的情況下運行非常重要。此外，確保以正確的方式執(zhí)行裝配和對齊可以防止許多故障。使用油潤滑密封件也可以減少干燥運行時密封件的過度磨損。
B、葉輪流量不足：大多數(shù)葉輪故障是不可避免的，這些故障是在泵的正常使用情況下造成的。使故障預(yù)測，例如通過監(jiān)測淺水工作小時數(shù)，可以減少這一問題。由于氣穴的發(fā)生與泵的運行方式有關(guān)，因此可以防止氣穴造成的損壞。
C、軸承損壞：可以通過定期運行泵來減少非運行（振動）泵的局部損壞，確保軸承中的其他負(fù)載均已加載。通過改進(jìn)新軸承的對準(zhǔn)和組裝程序，可以防止所有其他故障。
D、軸斷裂：改進(jìn)裝配程序和培訓(xùn)，以確保系統(tǒng)正確裝配。此外，通過將泵和電機之間的固定聯(lián)軸器更換為磁性聯(lián)軸器，可以使系統(tǒng)更加堅固。后者對不對中的敏感度要低得多。