III. Анализ видов, последствий и критичности отказов

Анализ видов и последствий отказов компонентов технической и функциональной структур проектируемой системы является первым этапом проектного исследования надежности и безопасности. Общепринятой международной аббревиатурой для обозначения анализа видов и последствий отказов является FMEA (failure mode and effect analysis). Этот вид анализа относится к классу предварительного качественного и упрощенного количественного анализа на стадии проектирования. Если проводятся количественные оценки, то употребляется термин FMECA (failure mode, effect and criticality analysis – анализ видов, последствий и критичности отказов). Первые опыты проведения FMEA относятся к аэрокосмическим проектам 60-х годов СССР и США. В 80-х годах процедуры FMEA стали внедряться в автомобильной промышленности США в Ford Motor Company. В настоящее время анализ видов и последствий отказов является обязательным этапом проектной оценки надежности и безопасности объектов космической, авиастроительной, атомной, химико-технологической, газо-нефтеперерабатывающих и др. отраслей. В областях, где этот этап не является обязательным, возникают опасные инциденты, приводящие к большим экономическим и экологическим потерям и угрожающие жизни и здоровью людей. Достаточно вспомнить драматические события обрушения публичных московских зданий, построенных по проектам, где дефект лишь одного элемента несущей конструкции (штифта, колонны) привел к катастрофическим последствиям.

Можно выделить три основные цели проведения FMEA

• выявление потенциально-возможных видов отказов компонентов системы и определение их влияния на систему в целом и возможно окружающую среду
• классификация видов отказов по уровням критичности или по уровням критичности и частоте возникновения (FMECA)
• выдача рекомендаций по пересмотру проектных решений с целью компенсации или устранения опасных видов отказов

FMEA является наиболее стандартизованной областью “надежностных” исследований. Процедура проведения и вид входной/выходной документации регламентируется соответствующими стандартами. Международно признанными являются документы:

· MIL-STD-1629 Style FMECAs - руководство по проведению анализа видов и последствий отказов, оценки критичности, выявлению узких мест конструкций с точки зрения ремонтопригодности и живучести. Первоначально был ориентирован на военные применения.

· SAE J1739, AIG-FMEA3, FORD FMEA – пакет документов, регламентирующих проведение анализа видов и последствий отказов для объектов автомобильной промышленности, включая стадии проектирования и изготовления

· SAE ARP5580 – руководство по проведению FMEA как коммерческих, так и военных проектов, объединяющее положения MIL-STD-1629 и автомобильных стандартов. Введено понятие групп эквивалентных отказов, т.е. отказов, порождающих одинаковые последствиями и требующих проведения одинаковых корректирующих действий.

Общим для всех стандартов является то, что они регламентируют лишь последовательность и взаимосвязь этапов анализа, оставляя проектировщику свободу действий при конкретной реализации каждого этапа. Так, допускается произвольная настройка структуры таблиц FMEA, определение шкал частот возникновения отказов и тяжести последствий, введение дополнительных признаков классификации отказов и пр.

Этапы выполнения FMEA:

· построение и анализ функциональной и/или технической структур объекта

· анализ условий эксплуатации объекта

· анализ механизмов отказов элементов, критериев и видов отказов

· классификация (перечень) возможных последствий отказов

· анализ возможных способов предотвращения (уменьшения частоты) выделенных отказов (последствий отказов)

Техническая структура объекта анализа обычно имеет древовидное, иерархическое представление (рис.3). Возможные виды отказов перечисляются для компонентов нижнего уровня (листьев дерева), а их последствия оцениваются с точки зрения влияния на подсистемы следующего уровня (родительские узлы дерева) и объект в целом.

Рис.3. Иерархическое представление объекта анализа

На рис.4. приведен фрагмент таблицы FMEA, содержащий данные анализа видов и последствий отказов оборудования химико-технологического объекта.

Рис.4. Фрагмент таблицы FMEA.

При выполнении количественных оценок проектных решений по FMEA виды отказов компонентов принято характеризовать тремя параметрами: частота возникновения, степень обнаружения, тяжесть последствий. Так как анализ носит предварительный характер, то обычно используют балльные экспертные оценки этих параметров. Например, в ряде документов предлагаются следующие классификации видов отказов по частоте (таблица 2), по степени обнаружения (таблица 3), по тяжести последствий (таблица 4).

Таблица 2. Классификация отказов по частоте.

Характеристика частоты отказов	интенсивность отказов	B1, баллы
Невероятный	10-9 – 10-8	1 - 2
Очень редкий	10-8 – 10-7	3 - 4
Редкий	10-7 – 10-6	5 - 6
Вероятный	10-6 – 10-4	7 - 8
Частый	> 10-4	9 – 10

Таблица. 3. Классификация отказов по степени обнаружения.

характеристика возможности обнаружения отказа	B2, баллы
Может быть выявлен средствами встроенного контроля	1 – 2
Может быть обнаружен в процессе изготовления	3 – 4
Может быть обнаружен при пуске и наладке объекта	5 -6
Может быть обнаружен во время технических осмотров и ремонтов	7 – 8
Невозможно обнаружение отказа во время технических осмотров и ремонтов	9 - 10

Таблица. 4. Классификация отказов по тяжести последствий.

тяжесть последствий	категория отказов	B3, баллы
катастрофический	Категория I. Отказ приводит к смерти людей, потере объекта, наносит невосполнимый (в обозримое время) ущерб окружающей среде	9 – 10
критический	Категория II. Отказ приводит к невыполнению объектом своих функций, что может угрожать жизни людей, приводить к потере объекта, наносить вред окружающей среде	7 – 8
некритический	Категория III. Отказ приводит к экономическим потерям.	4 – 6
несущественный	Категория IV. Несущественный отказ с пренебрежимо малыми последствиями, которые не относятся ни к одной из перечисленных категорий.	1 – 3

Критичность отказа i – го компонента С_i определяется по формуле

С_i = В1_i * В2_i * В3_i (9)

и затем сравнивается с пороговыми значениями С₀ и С_кр.

Если С_i ≥ C_кр , то отказ подлежит обязательному устранению. С₀ < С_i < C_кр – требуется проведение корректирующих действий. С_i £ С₀ – не требуется проведение корректирующих действий.

Графической интерпретацией анализа критичности на основе экспертных оценок является трехмерная диаграмма, называемая матрицей критичности (рис. 5). По оси Z откладывается количество отказов объекта при фиксированной категории и частоте.

Рис.5. Матрица критичности отказов.

При проектировании уникальных технических объектов, в условиях отсутствия информации по объектам-аналогам результаты проведения FMEA являются одним из основных источников исходных данных для различных направлений “надежностных” исследований, в частности, анализа контролепригодности.

Упрощенная таблица FMEA для определения такого показателя контролепригодности, как полнота контроля, приведена ниже:

Таблица 5. FMEA, ориентированный на оценку показателей контролепригодности.

Контролируемая система	Вид отказа	Интенсивность вида отказа	Выявляется средствами контроля?
Компьютер	Отказ процессора	l1	да
	Отказ диска	l2	да
	Отказ сетевой карты	l3	да
	Отказ блока питания	l4	нет

Если полноту контроля η определять как отношение интенсивности отказов, выявляемых средствами контроля, к суммарной интенсивности отказов объекта, то непосредственно из таблицы 5 может быть получено.

Литература к лекции 10.

1. Дружинин Г.В. Процессы Технического Обслуживания Автоматизированных Систем. М.: Энергия, 1973.

2. Шавыкин Н.А., Петрухин Б.П., Жидомирова Е.М. Методика оценки безотказности технических средств. Препринт. М., 1998.

3. Справочник “Надежность электрорадиоизделий”. РД В 319.01.20-98.

4. Методические указания по проведению анализа риска опасных производственных объектов (РД 03-418-01). Серия 3. Вып.10. – М.: Государственное Унитарное Предприятие “Научно-Технический Центр по безопасности в промышленности Госгортехнадзора России”, 2001.

5. Волик Б.Г. О свойствах технических объектов, определяющих их эксплуатационную работоспособность. Надежность, № 2, 2005.