Този сайт използва бисквитки (cookies). Ако желаете можете да научите повече тук. Разбрах

Новини Методология
бр. 8, 2015

Анализ на отказите и техните ефекти – същност и приложение

Провеждането на анализ на отказите и техните ефекти (Failure Modes and Effects Analysis - FMEA) може да доведе до предвиждане и предотвратяване на проблеми, намаляване на разходите, да съкрати времето за разработка на продукта, и реализиране на безопасни и високо надеждни продукти и процеси

от , 11 септември 2015 0 4532 прочитания,

роф. д-р инж. Георги Тодоров,
инж. Чавдар Каменов,
д-р инж. Константин Камберов

Глобализираният и диверсифициран пазар, бързо променящите се изисквания и засилващата се конкуренция между производителите водят до търсене на нови възможности за:

  • намаляване на времето за развитие на нови продукти - времето за материализиране на проектантска идея, основана на маркетингово проучване, е определящ фактор за успеха на изделието;

    Прочетете още: Ключовото конкурентно предимство винаги е било пред вас

  • намаляване себестойността – това е един от начините за подобряване на съотношението качество на изделието спрямо цена на неговото придобиване, което е от решаващо значение при клиентския избор измежду продукти с близки параметри;

  • увеличаване на надеждността - намаляване на стойността на притежаване и подобряване функционирането чрез подобряване на финансовата ефективност при определени нива на надеждност.

Надеждността, или отказите в машините, съоръженията и производствените процеси пряко се изразяват в загуба на време и средства. Докато в миналото високата надеждност се осигуряваше посредством провеждане на различни изпитвания и анализи, съвременните пазарни условия определят това като недостатъчно. Фокусът се измества върху превенцията на потенциалните откази и предвиждане на факторите, които водят до отказ и осигуряващи устойчивост на поведението на конструкцията през жизнения й цикъл. Провеждането на анализ на отказите и техните ефекти (Failure Modes and Effects Analysis - FMEA) може да доведе до предвиждане и предотвратяване на проблеми, намаляване на разходите, да съкрати времето за разработка на продукта, и реализиране на безопасни и високо надеждни продукти и процеси. FMEA има потенциал да бъде един много мощен инструмент за постигане на висока надеждност при продукти и процеси и при акуратно изпълнение е изключително ефективен.

История

Анализът на отказите и техните ефекти е индуктивен аналитичен метод, описан и формализиран през 1949 г. от въоръжените сили на САЩ в стандарта MIL-P-1629, отнасящ се до процедури за извършване на анализи н отказите, техните ефекти и критичност (FMECA). По-късно, през 60-те години на 20-ти век, разработените процедури са приети от NASA в космическата програма на Apollo, а в края на 1970 г. Ford въвежда FMEA в автомобилната промишленост и е стандартизиран за автомобилната индустрия през 80-те (IEC 812 от 1985г.). Сега, този метод е широко използван в различни сектори на индустрията – миркоелектроника, софтуер, аеронавтиката, автомобилостроенето, бяла техника, и най-вече с тези, имащи въздействие върху човека и неговата безопасност. [4]

Същност на FMEA

Анализът на отказите и техните ефекти е подход за определяне, идентифициране и класифициране на възможните видове откази на изделието, вероятността за тяхната поява и оценка на тяхната критичност. Това е вид инженерен анализ, извършван от мултидисциплинарен екип от експерти в различни области, които да анализират конструкцията или производствените процеси, още на етапа на проектиране на изделието. Например, при развитието на нов продукт и анализа на неговата конструкция по смисъла на отказите и техните ефекти, екипът от специалисти би следвало да включва отговорния инженер за развитието на продукта, един или повече конструктори със специалност механика, електроника и софтуер, един или повече производствни инженери (технолози), специалист по осигуряване на качеството и координатор [2]. Крайната цел е да се намерят и коригират недостатъците, преди продуктът да достигне до пазара.

FMEA се ползва като основа за определяне на корективни действия, които биха намалили рисковете, свързани с изследвания обект до допустимо ниво. Този подход, и неговата разновидност анализ на риска (Risk Hazard Analysis), са често пъти изисквана съставна част към проектната документация на изделия, с необходими нива на безопасност при експлоатация. Това се регламентира от редица стандарти, по-главните от които, свързани с машиностроителните изделия, са:

  • EN 1493:2008 Vehicle lifts – безопасност при подемна техника;

  • EN ISO 12100-1:2003 Safety of Machinery – основни термини, методика и изисквания;

  • EN 13849-1:2006 Safety of machinery - Safety-related parts of control systems – изисквания за безопасност към системите за управление;

  • ISO/DIS 3691-1:2008 Industrial Trucks – Safety requirements and verification – изисквания за безопасност и техническа документация за кари

  • EN 60745-1:2006 Hand-held motor-operated electric tools – Safety – изисквания за безопасност на ръчни електроинструменти

  • SAE J 1739: Potential Failure Mode and Effects Analysis in Design (Design fMEA) and Potential Failure Mode and Effects Analysis in Manufacturing and assembly Processes (Process FMEA) Reference Manual – препоръчителна практика за провеждане на FMECA;

  • IEC 60812 Ed. 1.0 b:1985 Analysis techniques for system reliability - Procedure for failure mode and effects analysis (FMEA)

Позиции на високотемпературните сензори в дизелов двигател

Фигура1: Позиции на високотемпературните сензори в дизелов двигател

Описаните процедури и стандарти са обект на непрекъснато осъвременяване и развитие, като така например, съществуващата форма за документиране на резултатите от анализа на отказите и техните ефекти на машиностроителни изделия, дефинирана от VDA 86, бе осъвременена от формата VDA 4.2 (виж фигура 1) [1] .

Видове FMEA

Извършваните анализи могат да се групират в 4 основни категории, според обекта и подхода при извършването им [3]:

  • Системен – разглежда продукта на системно ниво, по отношение интеграцията на неговите подсистеми и компоненти, техните връзки и взаимодействията с други системи, включително и околната среда и потребителя. Фокусът е насочен към функциите и взаимовръзките, които са уникални за системата като едно цяло (т.е. не са предефинирани от по-ниските й нива). Отразяват се както октази, свързани с интерфейсите на подсистемите, така и откази на единични компоненти, водещи до пълен отказ на системата;

  • Конструктивен – ориентиран изцяло към конструкцията на разработваното изделие, този анализ е свързан с конструктивна проблематика, с оглед на подобряване на функционалността и осигуряване на надеждна и безопасна експлоатация на изделието. Приема се че всички компоненти ще бъдат произведени съобразно номиналните им спецификации. По същество, FMEA при проектирането поддържа процеса на проектиране и намалява риска за появяване на дефекти като:

    • Помага за обективната оценка на изискванията към проекта и алтернативите при проектирането;

    • Помага при първоначалното проектиране на изискванията към производството и монтажа;

    • Увеличава вероятността потенциалните дефекти и тяхното влияние върху системата и операцията да бъдат обмислени в процеса на проектиране и развитие.

    • Осигурява допълнителна информация в помощ на планирането на цялостно и ефикасно конструктивно изпитване и програми за развитие;

    • Създава списък на видовете потенциални дефекти, класифицирани според техния ефект върху потребителя, като по този начин се установява приоритетна система за конструк-тивните подобрения и тестване в процеса на разработка;

    • Осигурява отворена изходна структура за препоръки и следене на действията, намаляващи риска;

    • Осигурява документация, която в бъдеще да помогне при анализа на проблеми, възникнали на дадено място, да оцени проектантските промени и да съдейства за развиване на прогресивни проекти;

  • Технологичен – разглежда производствените и монтажни процеси, с цел оптимизирането им за достигане дефинираните от конструкцията изисквания към продукта, при минимизирани време, брак и използван материал. По същество, FMEA на един технологичен процес има за цел да анализира предвидените производствени процеси за намаляване риска за появяване на дефекти като:

    • Идентифицира потенциалните дефекти в процесите, свързани с продукта;

    • Оценява потенциалните последствия от тези дефекти за крайният клиент;

    • Идентифицира потенциалните производствени и монтажни причини и идентифицира параметрите на процеса, към които да се насочи контрола, за да се намали вероятността за тяхното появяване или да се увеличи вероятността за откриване на условията за появяване на дефект;

    • Създава ранжиран списък на потенциалните дефекти, като по този начин установява приоритетна система за обсъждане на коригиращите действия;

    • Създава документи за резултатите от производствените или монтажните процеси;

  • Специфичен – FMEA понякога се прилага и за начална оценка за избор на концептуален вариант, като разглежда и съпоставя алтернативни конструктивни решения или възможни изменения. Друг специфичен FMEA се ползва за оценка на различни аспекти по поддръжката и ремонта на изделието. Анализът на отказите и ефектите от тях на софтуерни решения е специфичен като вид също. Не на последно място е една разновидност – анализ на риска, който е фокусиран върху потенциалните рискове, свързани с експлоатацията на продукта.

Приложение

Приложението на FMEA като инженерен подход за оптимизиране на надеждността и безопасността на изделията можем да демонстрираме посредством два примерни анализа – конструктивен FMEA и анализ на риска.

>> Конструктивен FMEA

Примерът е свързан с анализ на конструкцията на температурен сензор, по отношение на възможните откази на неговите компоненти, определени от конструкцията им, и техните ефекти. Сензорите за измерване температурите на изгорелите газове при различните видове автомобили са един от основните елементи на модерните системи за управление на двигателя. Те се използват за първично вграждане от много автомобилни производители. Тяхната надеждност, както бе посочено по-горе, е от решаващо значение за параметрите на автомобила и към нея се предявяват редица изисквания в това отношение.

Същевременно изискванията на автомобилните производители към миниатюризация и поевтиняване на сензорите налагат внедряването на компактни сензори при дизеловите апликации, основно на позициите преди и след DPF (Diesel particulate filters) филтрите на системата за отработили газове, както и при EGR (Exhaust Gas Re-circulation) системите (фиг. 1). Конкретният сензор представлява ново компактно иновативно решение с повишена надеждност и температурна чувствителност.

Анализът на новото конструктивно решение е проведен с помощта на създадени модели със средствата и методите на виртуалното инженерство на основните структурни елементи. Те са ползвани за изследвания с методите на виртуално инженерство и симулационното моделиране за определяне взаимните влияния и анализ на цялостното поведение на системата. Краен резултат от проведените изследвания е ползван като входни данни за провеждане на анализ на отказите на изделието и определяне на ефектите от тях. Извадка от отвения анализ е показана на фигура 2.

 Резултати от FMEA анализ на конструкция на температурен сензор

Фигура 2: Резултати от FMEA анализ на конструкция на температурен сензор

>> Анализ на риска

Като пример е разгледана структура на подемно съоръжение – крик с артикулираща кинематика. Двуколонният електро-хидравличен крик за леки автомобили до 4.5t е показан като конструкция на фигура 3. За съоръжението е характерно това че има свободно стоящи независими колони, синхронизирани чрез електро-хидравлична система за управление.

Анализът на виртуалния прототип позовлява да се обособят няколко възли – потенциални източници на опасни откази:

  1. Система за управление (Контролен пулт и главен прекъсвач);

  2. Задвижване (Електро-хидравличен възел);

  3. Повдигащи цилиндри (Хидравлични цилиндри);

  4. Подвижна носеща част (Карета);

  5. Статична носеща част (Колона);

  6. Опори;

  7. Артикулиращи рамена;

  8. Заключваща система за безопаснист;

  9. Система за блокиране при препяствия;

  10. Заключваща система на рамената;

  11. Работна зона;

  12. Блок за управление.

Следващата стъпка е дефинирането на възможните работни режими, съобразно техническата спецификация и характеристиките, заложени във виртуалния прототип, относно: транспорт; монтаж; пуск на съоръжението; настройки; работен режим; почистване и поддръжка; извънреден ремонт; демонтаж.

Сканиране по метода на триангулация

Фигура 3: Сканиране по метода на триангулация

Комбинирайки по-горе описаните работни режими и основните възли на изделието с различните типове риск, категории, изисквания и възможни причини (дефинирани от стандарта) се получават крайните резултати от анализа на отказите и техните ефекти, обикновено във табличен вид (фиг. 4).

Техническа документация на резултатите от RHA (Risk Hazard Analysis) на конструкция на крик с артикулираща кинематика

Фигура 4: Техническа документация на резултатите от RHA (Risk Hazard Analysis) на конструкция на крик с артикулираща кинематика

В заключение

Показаните примери за провеждане на анализи, свързани с определяне на отказите и техните ефекти, са част от широкият спектър на тяхната приложимост. Технологията на виртуалното прототипиране е с непрекъснато увеличаващи се възможности, които водят до все по-бързо и ефективно решеване на такива задачи.

Съвременните тенденции са насочени към включването на този тип анализи като изискване спрямо по-широк кръг изделия, което ще направи този тип инженерни анализи неотменна част от развитието на нови продукти.

За авторите на публикацията:

проф. д-р инж. Георги Тодоров – декан на МТФ, ТУ-София, и ръководител на CAD/CAM/CAE Лаборатория към същия факултет, инж. Чавдар Каменов – мениджър в СЕНСАТА Технолоджис България, д-р инж. Константин Камберов - CAD/CAM/CAE Лаборатория, МТФ, ТУ-София

Статията представя резултатите от изследване, осъществено по проект BG161PO003-1.1.06-0045-C0001 “Изследване и развитие на иновативна фамилия компактни резистивни температурни сензори с повишена надеждност за автомобилната промишленост” с финансовата подкрепа на оперативна програма “Развитие на конкурентоспособността на българската икономика” 2007-2013, съфинансирана от Европейския съюз чрез Европейски фонд за регионално развитие и от националния бюджет на Република България.


Източници:
[1] Bertsche, B., 2008. Reliability in Automotive and Mechanical Engineering. Berlin: Springer-Verlag
[2] Carlson C. S., 2012. Effective FMEAs: Achieving Safe, Reliable, and Economical Products and Processes using Failure Mode and Effects Analysis. John Wiley & Sons. Wiley Series in Quality & Reliability Engineering
[3] McDermott, R. E., Mikulak, R. J. & Beauregard, M., 1996. The basics of FMEA. н.м.:Resource Engineering Inc.
[4] Stamatis, D. H., 1995. Failure mode and effect analysis. Milwaukee, Wisconsin: ASQC quality Press.

КОМЕНТАРИ ОТ  

Полезни страници
    За нас | Аудитория | Реклама | Контакти | Общи условия | Декларация за поверителност | Политика за бисквитки |
    Действителни собственици на настоящото издание са Иво Георгиев Прокопиев и Теодор Иванов Захов