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功能危險評估在機電產品安全性評價中的應用

文檔作者：牛明偉1 楊黎明2 楊燕1 姜陽1 文檔來源： 1．沈陽航空航天大學安全工程學院 2．中南大學土木工程學院，		點擊數：	更新時間： 2021年07月27日
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第25卷第6期
2012年11月
機電產品開崖與釧新
Development＆Innovation of Machinery&amp;amp;Electrical Products
V01．25，NO．6
NOV．，201 2
文章編號：1002—6673(2012)06—032—03
功能危險評估在機電產品安全性評價中的應用
牛明偉1，楊黎明2，楊燕1，姜陽1
(1．沈陽航空航天大學安全工程學院，遼寧沈陽110136；2．中南大學土木工程學院，湖南長沙410075)
摘要：從一個新的角度建立了機電產品安全性評估的模型，即功能危險評估(functional hazard assessment)，
該方法從功能的角度分析產品的各層次功能有可能的失效模式以及后果，并依據失效模式和后果確
定機電產品安全性的大小。通過該方法的使用．能在一定程度上彌補以往安全性評估方法的不足，
幫助產品的設計者、使用者根據產品結構特點、自身需求選擇合適的方法來評估機電產品的安全
性．以保證產品的安全。
關鍵詞：機電產品；安全性；功能危險評估；風險
中圖分類號：TH一39 文獻標識碼：A doi：10．3969／j．issn．1002—6673．2012．06．013
Functional Hazard Assessment for Safety Evaluation of Mechanical and Electrical Products
N／U Ming-Weil，YANG￡i一脅n礦，YANG Yahl，JIANG y∞∥
(1．Safety Engineering，Shenyang Aerospace University，Shenyang Liaoning 110136，China；
2．Faculty of Civil Engineering，Central South University，Changsha Hunan 410075，China)
Abstract：In this paper，we estabhsh a safety assessment model of mechanical and electrical products for a new perspecfive．It is Functional
Hazard Assessment．Here analy’ze all the functional failure mode and effects of mechanical and electrical products and also evaluates the prod—
uct safety．By using the model on one hand．we can make up of the defects for the previous safety assessment&amp;amp;on the other hand，we can
help designers and users tO choose the appropriate and scientific safety assessment models that will ensure the product safety．
Key words：mechanical and electrical products；safety；functional hazard assessment；risk
0引言
近些年來，由于科學技術的日新月異．人們生活水
平得到了迅速提高，各種機電產品充斥于生活的方方面
面，但是由于人類知識和技術能力的有限，任何新產品
在設計、制造、安裝等全壽命周期階段內可能存在的風
險都不可能被完全考慮到．這就會導致很多產品在進入
流通領域后發(fā)生各種各樣的事故，例如201 1年“7·28”
溫州動車事故、“7·5”北京奧的斯電梯事故、豐田召回門
事件等等，這些事故為企業(yè)和社會帶來了巨大的損失。
如何評價機電產品的安全性已經成為了產品設計中一個
急需解決的問題。目前對安全性的評價，主要是通過評
價元件失效的風險．來確定產品安全性的等級。這種方
法對于簡單的機電產品尚可適用，但對于復雜的機電產
品，由于元件的數量級非常高，所帶來的工作量和成本
收稿日期：2012—09—04
作者簡介：牛明偉(1987一)，男，河南人，碩士研究生。主要研
究方向：機電產品安全性設計；楊黎明(1988一)，女，河南人，
碩士研究生。主要研究方向：框架橋梁結構設計和驗證。
32
將難以估計。因此，本文對軍用飛機設計領域常用的功
能危險評估(FHA)進行改進和優(yōu)化，從功能的角度建
立適合機電產品安全性的評價模型。
1功能危險評估的理論和應用研究
1．1功能危險評估理論研究
(1)機電產品安全性。GJB900系統(tǒng)安全通用性大綱
中的定義是：安全性指產品在規(guī)定的條件下，以可接受
的風險執(zhí)行規(guī)定功能的能力[11，是產品的一種固有屬性。
從這個定義可以看出．安全性對應的是產品事故風險．
產品安全性的好壞可以用風險衡量。它們之間關系式：
S=I-R=I-PxC (1)
式中：S一機電產品的安全性：R一安全性對應的事
故風險；P_事故風險的可能性；C一事故風險的嚴重性。
因此，對機電產品安全性的評估可以轉為對產品事
故風險的評估，風險越大，安全性越差；風險越小，安
全性越大。
(2)功能失效模式。參考GJBl391—92，可定義功能
失效模式為：功能失效模式是由功能的不同失效機理顯
萬方數據
·產品與市場
現出來的各種失效現象的表現形式。常見的功能失效模
式如下：①失控(全部或部分)；②卡滯或游離；③不能
工作、部分工作或降低工作；④特性改變(載荷、速率、
剛性等)；⑤意外工作或不受指令地工作等。
1．2功能危險評估應用研究
功能危險評估(FHA)目前在學術界和工程領域進行
了大量的研究和應用，其中比較有代表性如下所示：
(1)在美國國防部的系統(tǒng)安全大綱(MIL—STD一882E)
中[21，推薦使用功能危險評估判斷軍用產品的安全關鍵功
能，并且給出了功能危險評估的基本過程。
(2)在美國航空管理部的標準AC25．1309t3]中．詳細
的闡述了FHA在美國民用飛機設計研究中的應用。
(3)在國內，劉建軍、孫春林等在AC25．1309的基礎
上開展了航空領域的功能危險評估的應用研究。詳細可
見參考文獻『4～5]。
1．3對功能危險評估的優(yōu)化改進點
美軍標882E和航空領域中的FHA主要適用于產品
概念設計階段，通過評估功能失效模式的嚴重度確定功
能失效的等級，進而對不同等級的嚴重性設置不同的允
許失效概率，使設計者能夠根據允許失效概率對軟件、
硬件、人機交界面進行設計。這種方式會有以下缺陷：
①評估范圍只能適用于概念設計階段，不能適用詳細設
計之后和成品階段的安全性評估；②在評價功能失效模
式的等級時只是對嚴重性采取定性的分析。主觀性大。
本文則是將這種方法進行優(yōu)化和改進，建立了適合
產品詳細設計之后和成品階段的安全性評估模型。
2機電產品安全性評估模型的建立
2．1確定機電產品的功能
在飛機設計中。功能危險評估分為整機級和系統(tǒng)級．
主要是根據分析的目的而確定。本文也是根據產品的結
構的復雜程度、分析目的、客戶需求等建立功能清單。
一般情況下，應該收集以下信息：①產品頂層功能清單
(產品在設計時，根據用戶需求提取的功能)；②產品設
計功能分解方案(軟件、硬件以及交界面)；③產品設計
方案。根據以上產品信息再結合相關專家和設計人員的
經驗，并借助功能分解樹(FDT)、功能框圖、功能流程圖
等方法建立功能分解模型，確定評價產品安全性的功能
清單。
2．2機電產品功能失效模式的識別
產品功能失效模式的識別是功能危險評估中至關重
要的一步。功能對事故風險的貢獻主要是通過其不同的
失效模式來體現，失效模式是產品事故發(fā)生的原因。在
這一步中，我們可以使用失效模式和影響分析
(FMEA)、故障樹(grA)等方法，從歸納和演繹的兩個角
度識別功能的失效模式以及可能導致的后果，確定產品
的功能失效模式清單。
2．3機電產品功能失效模式評價指標的選擇
對功能不同失效模式選擇合適的評價指標是評價產
品整體安全性的基礎。指標選擇的好壞直接關系能否真
實、準確的反應產品的安全性．本文選擇以下三個指標
作為評價指標：①失效概率。任何失效模式都有失效概
率，失效概率的大小直接影響事故風險大小；②失效后
果。失效模式不同，可能導致的人員傷亡、財產損失也
不同；③相關性。產品各項功能之間必然存在著一定的
物理和邏輯關系。一個功能的失效有可能引起別的功能
的失效，相關性所反應的正是一種功能的失效對別的功
能影響的程度。
2．4機電產品功能失效模式的定性評價
在實際產品設計中，由于產品種類的多樣性、結構
的復雜性、技術的成熟性等因素，有些產品具有完整的
失效概率、失效后果的數據庫，有些則沒有。因此，在
評價時需要根據失效數據是否完整．選擇合適的評價方
法。對于缺少失效數據的產品，本文擬選用FMEA分析[1
中的風險優(yōu)先數(RPN)，通過對失效模式的失效概率
Pfi、失效后果Cfi以及相關性擊進行打分，然后相乘即
可得到失效模式的RPN．失效模式i的RPN：
(RPN)．=RxC6×r6 (2)
在進行評價之前．應首先對以上三個指標制定評分
準則，評分準則的制定應由使用者、設計者以及相關部
門共同制定，下面僅給出參考準則。失效概率見表1。
失效模式的后果見表2；相關性見表3。
2．5機電產品功能失效模式的定量評估
對于擁有完善的失效率數據和技術狀態(tài)數據的產
品．本文建議使用FMECA中的危險度評價方法。失效
模式i的危險度C．計算：
Ci=rnxC6xPn (3)
其中失效概率P。的計算，對于精度要求高的產品
可以使用馬爾可夫模型，對于精度要求不高的可以使用
可靠性框圖(RBD)，從功能的角度繪制系統(tǒng)和子系統(tǒng)的
表1失效概率評分準則
等級失效模式的失效概率參考值
l 極低1／106
2 1／20000
相對極低
3 1，4000
4 111000
5 中等1，400
6 1，80
7 1／40
可能性高
8 l／20
9 1／8
非常高
lO 1，2
33
萬方數據
·產品與市場·
表2失效模式后果評分準則
等級失效模式的后果
對系統(tǒng)的性能不會產生影響．用戶注意不到的輕
l 輕微
微失效
對系統(tǒng)的性能有輕微影響。用戶可能會注意并引
2,3 低
起輕微抱怨
4．5．6 中等引起系統(tǒng)性能下降．用戶會覺得不舒適和不滿意。
中斷操作的重大失效(如發(fā)動機不能啟動)或提
供舒適性的子系統(tǒng)不能T作的失效(空調子系統(tǒng)
7,8 高
不能工作)引起很多系統(tǒng)性能下降．用戶覺得很
不舒適和不滿意。
引起生命、財產損失的致命失效或不符合政府法
9．10 非常高
規(guī)的失效
表3相關性評分準則
等級相關性的影響程度
l 輕微對于系統(tǒng)或其他功能的失效沒有影響或影響甚微
對系統(tǒng)和其他功能的失效有一定影響．但影響不
2，3 低
大。
能夠引起一個或二個其他功能的失效，但對事故影
4,5．6 中等
響不大。
能夠引起多個功能或系統(tǒng)失效．扳有可能導致事故
7．8 高
的發(fā)生。
能夠引起很多功能或系統(tǒng)接連失效．肯定導致事故
9，10 非常高
的發(fā)生。
框圖181，相關性h的計算可以參考文獻【6】，失效后果C6
的確定根據最大危險原則和概率求和原則。失效模式i
的后果C。：
C廬L加(4) L=c+20(Nm5N2+警) (5)
式中：C一事故中財產損失評估值，N，、N：、N廠
事故中輕傷、重傷、死亡人數評估值。
2．6機電產品安全性的合成評估
在計算出功能的每一種失效模式的RPN和危險度
C。后，需要對所有的失效模式進行合成，以綜合評價機
電產品的安全性的事故風險值：
％--Σ(RPN)I=ΣC__P#C6X‰ (6)
--I i!I ；tl
式中：＆一產品的事故風險值；n一產品具有的功能
失效模式的數量。通過使用改進和優(yōu)化后的功能危險評
估，得到了產品事故風險值，這個值代表了機電產品安
全性的大小。風險值越大，安全性越??；風險值越小，
安全性越大。
3結論
本文通過改進和優(yōu)化在軍用飛機領域常用的功能
危險評估的方法．從一個新的角度建立了機電產品安
全性的評價模型．并且在模型中使用了失效概率、失
效后果以及失效模式之間的相關性的三個指標。使評
價結果更加科學合理。但是由于能力的有限．本文尚
還有很多不完善的地方值得商榷．將會在以后的T作
中繼續(xù)探討。
參考文獻：
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【8】方來華，吳宗之，等．基于可靠性框圖法的安全功能失效概率定撮
分析【J】．化T自動化及儀表，2008，2．
(上接第31頁)欲望。水龍頭的整體外觀設計為形如一
只手接著一滴水的“節(jié)水標志”樣式． “手”形狀是手
柄，在使用者的作用下實現向下，向右旋轉運動，由水
滴底部出水，從而實現水龍頭的正常運作。最終實物樣
機如圖4所示。
4總結
水是生命之源。是人類
賴以生存的最珍貴的資源。
現實的情況是．我們對水資
源的浪費十分嚴重。水資源往往就在“指尖”流走。不
明白“節(jié)水”二字真正含義的人，總是錯誤地認為，節(jié)
水是限制用水。甚至是不讓用水。其實，節(jié)水是讓人合
理地用水。高效率地用水，不會隨意地浪費。于是我們
的分段式半自動節(jié)水水龍頭設計。改變傳統(tǒng)水龍頭供水
方式，在結構設計上改變出水量。并采用自動鎖緊結構
以及外觀造型設計，既滿足使用者的使用需求，同時實
現了高效節(jié)水功能。最后，希望我們的分段式半自動節(jié)
水水龍頭能為中國的節(jié)水政策貢獻出一份力量。
參考文獻：
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【3】Autodesk．|nc．Autodesk Inventor 2009基礎培訓教程【M】．化學T
業(yè)出版襯=．2009．

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