1、故障樹分析法(FaultTr75eeAnalysis簡稱FTA)1引言是系統可靠性研究中常用的一種重要方法。它是在弄清基本失效模式的基礎上，通過建立故障樹的方法，找出故障原因，分析系統薄弱環節，以改進原有設備，指導運行和維修，防止事故的產生。故障樹分析法是對復雜動態系統失效形式進行可靠性分析的有效工具。近年來，隨著計算機輔助故障樹分析的出現，故障樹分析法在航天、核能、電力、電子、化工等領域得到了廣泛的應用。2 故障樹分析法的原理簡介故障樹分析法是把所研究系統的最不希望發生的故障狀態作為故障分析的目標，然后找出直接導致這一故障發生的全部因素，再找出造成下一級事件發生的全部直接因素，直到那些故障機

2、理已知的基本因素為止。通常把最不希望發生的事件稱為頂事件，不再深究的事件為基本事件，而介于頂事件與基本事件之間的一切事件稱為中間事件，用相應的符號代表這些事件，再用適當的邏輯門把頂事件、中間事件和基本事件聯結成樹形圖，即得故障樹。它表示了系統設備的特定事件(不希望發生事件)與各子系統部件的故障事件之間的邏輯結構關系。以故障樹為工具，分析系統發生故障的各種原因、途徑，提出有效防止措施的系統可靠性研究方法即為故障樹分析法。3 水壓機系統故障樹的建立水壓機系統是由泵站、高壓氣罐、水罐、高低壓管道、各種閥門、壓力表、缸以及電控裝置等多種部件組成的一個復雜的機、電、液一體化系統。目前國產水壓機多為60年

3、代的產品，在經過長期的服役后，已到故障多發期，在使用中常出現多種故障，例如：工作性能不穩定、速度低、噪聲大、泄漏大、頂出缸失靈、工作缸無力等，從而使生產中廢品率高、效率低，極大地影響了企業的經濟效益。從故障發生的影響后果看，危害程度較大的是主缸動作無力事故，因為主缸是水壓機的主要執行器，因而主缸無力往往是造成廢品率高的直接原因，因此應該從這一直接原因入手對系統進行分析；另外，主缸發生故障也常常是系統其他部件出現故障的反映，從這里開始分析可以查出其他部件可能出現的故障。因此，在進行水壓機系統的故障樹分析時，應選定主缸動作無力為頂事件。通過對水壓機設備系統的分析發現，主缸動作無力事故是由下面3個因

4、素造成的，即：乳化液未進入主缸、進入主缸水壓不足、主缸泄漏嚴重。三者之間由邏輯“或”門聯結，即只要其中的一件事故發生便可造成頂事件的發生；乳化液未進入主缸則由系統未供水、換向閥未換向這兩個事故造成。同樣，這兩者之一就能使乳化液未進入主缸事故發生；類似地，進入主缸水壓不足是由換向閥未換向和換向閥系統故障兩個事件組成；由此進行類似的分析，可給出水壓機系統主缸動作無力事故的故障樹如圖1所示。4 水壓機系統故障樹分析從圖1所示故障樹中可以看出，主缸動作無力事故的發生有多方面的原因。(1) 設計方面的因素從圖1所示的故障樹可以看出整個故障樹中只有單一的邏輯“或”門，它表示當一個或多個輸入事件發生時輸出事

5、件發生。由此可知，在輸入邏輯“或”門的幾個中間事件中，只要有一個事件發生就能導致其上一級失效事件的發生。因此，在圖1列出的42個基本事件中，只要其中一個發生，則“主缸動作無力”事件就會發生。這樣，頂事件發生的概率就大大增加，從而系統的可靠度就大大降低。(2) 設備方面的因素水質及元件質量等原因造成液壓閥門的大量損壞。水質差是造成液壓系統故障的最主要原因，占統計結果75%以上。常由于水質pH值不合要求、雜物含量高等造成密封失效、閥芯銹蝕和磨損等故障，從而導致閥不能按要求正常啟閉。另外，由于整個設備陳舊老化，致使泵容積效率低，達不到水壓機生產要求的供水能力，而主缸泄漏嚴重，使壓力達不到規定值。(3

6、) 管理方面的因素由于監測、管理手段落后，泵站總體運行的可控性和可顯示性差，故障難以預測，因而事故隱患多，增大了主缸無力事故的可能性。此外，操作人員技術素質差，缺乏判斷、處理事故的能力，有的工人對設備了解十分有限，對事故的危害缺乏認識。最后，操作維護人員的責任心不強，造成人為的事故，也能成為頂事件發生的原因。圖1說明如下。1) 密封件破損嚴重2)柱塞與缸體配合間隙過大3)管線連接法蘭處有間隙4)截止閥1失效5)因操作失誤使閥未正常開啟6)泵進水口密封不良7)水箱液面過低8)乳化液量不足9)調度方法不足10)技術素質低11)工作不認真12)監控手段落后13)操作水平低14)工作馬虎15)電機電器

7、故障16)減速器故障17)泵曲軸故障18)柱塞密封壞19)泵裝配不良20)因操作失誤使閥未換向21)電磁鐵線圈燒壞22)電磁鐵推力不足或漏磁23)電磁鐵鐵芯卡死24)閥芯與閥體孔卡死25)因彈簧彎曲使滑閥卡死26)閥芯與閥體幾何精度差27)閥芯與閥孔配合太緊28)閥芯表面有毛刺29)電磁閥中推桿過短30)因閥芯與閥體幾何精度差使閥芯不到位31)彈簧推力不足使閥芯達不到終點32)因使用參數選擇不當使實際通過流量大于額定流量33)管道太細34)溢流閥設定壓力過低35)主閥芯與閥蓋孔配合間隙過大36)主閥芯錐面與閥座接觸不良或磨損嚴重37)調壓彈簧壓力級不對或斷裂38)錐閥與閥座接觸不良或磨損嚴重3

8、9)污物堵塞阻尼孔40)各主要部位的螺釘未定期緊固41)各主要管接頭未定期緊固42)蓋子結合面密封件未定期更換2圖1-1105提高系統可靠性的措施(1)在系統結構方面在靠近故障樹頂端的地方盡量用邏輯與”門，與門表示僅當輸入事件的每一個發生時輸出事故才發生，這樣輸入事件之間就有了一種互相制約的關系，可降低對輸出事件的影響。特別是在靠近故障樹頂端的地方，這種作用將更加明顯。要達到這個目的就需要增加系統的備用裝置，以增加系統的可靠性。(2)在系統設備方面以乳化液為介質的系統已遠遠不能滿足要求，因此應首先更換系統介質，即變水壓機為油壓機，這樣可解決以往因水酸堿性等問題對系統造成的影響；其次應對泵站、主

9、缸進行更新、改造，提高其效率；另外，采用先進的邏輯錐閥與PC控制回路取代原有操作系統，以滿足大流量要求和實現對系統壓力、壓邊力等壓力變化進行自動控制和監測。(3)在人員管理方面加強技術培訓，使工作人員具有較高的技術素質，增強故障判斷、分析和處理的能力以及應用現代化技術裝備的能力；加強生產安全教育，提高責任心，使各生產崗位工作人員專心守職；制定并嚴格執行操作維護及事故處理等規章制度，健全和完善質量、安全保證體系。6結論故障樹分析法是一種邏輯性強，直觀形象的可靠性分析法。本文應用故障樹分析法對水壓機系統主缸動作無力事故的原因分析及其相應措施的研究，對水壓機的現代化技術改造實踐有著重要的指導意義。F

10、TA事故樹在分析瓦斯爆炸事故中的應用事故樹分析是美國貝爾電話研究所的沃特森20世紀60年代提出和發展起來的一門技術，主要用于分析事故的原因和評價事故風險，我國在20世紀80年代初引入，至今應用領域越來越廣泛，并成為分析預測與預防事故的重要方法。瓦斯災害是煤礦五大自然災害中最嚴重的災害之一，而瓦斯爆炸在瓦斯災害中占很大比例，不僅造成大量人員傷亡，而且還會嚴重摧毀井巷設施，終斷生產，有時還會引起煤塵爆炸、礦井火災、井巷垮塌等二次災害。據統計，19901999年的10年間，我國煤礦共發生3人以上的死亡事故4002次，共死亡27459人，其中瓦斯事故2767次，共死亡20625人，占3人以上死亡事故總

11、次數的69.14，死亡人數的75.01，給國家帶來了巨大的人員傷亡和財產損失。在煤炭生產過程中，由于煤層地質條件復雜，安全的制約因素多，事故隱患也較多，導致瓦斯爆炸有許多因素，如管理因素，施工因素及技術因素等，這些因素不僅相互交叉，而且往往只能作為定性描述，不能方便地用于分析瓦斯爆炸的原因，這給具體的事故分析帶來了困難。事故樹分析目前已成為定性和定量預測與預防事故的主要方法。通過事故樹進行定性、定量的系統安全分析，就可使事故分析有條不紊地進行，因而在復雜事故分析中概括出導致事故發生的基本事件，并找出安全評價的指標，提出防范事故的措施，以保證安全生產順利進行。事故樹編制過程是以頂上事件開始，逐級

12、往下找出基本事件，每個下部事件是上部事件形成的原因，上部事件是下部事件發生的結果，因此，正確編制事故數是進行事故樹分析的基礎。根據瓦斯爆炸理論，發生瓦斯爆炸必須具備3個基本條件：一是瓦斯積聚濃度一般>5%16%,二是氧氣的供給氧含量>12%以上，三是引爆火源一般>650C750c以上，三者必須同時存在缺一不可。其中供氧條件在通常條件下是自然滿足的，因而在大多數條件下只要一定濃度的瓦斯及引爆火源的同時存在，瓦斯爆炸就必然發生。據國內外礦井瓦斯爆炸事故統計資料表明，礦井內的任何地點都有發生瓦斯爆炸的可能性，但>90以上的瓦斯爆炸發生在采掘工作面，其中，煤巷掘進工作面發生的瓦

13、斯爆炸事故的總次數要大于采煤工作面發生的瓦斯爆炸事故總次數。（FaultTreeAnalysis簡稱FTA）又稱故障樹分析，是安全系統工程最重要的分析方法之一。事故樹是從結果到原因描繪事故發生的有向邏輯樹，利用該圖，既可以找到引發事故的直接原因，又能揭示發生事故的潛在因素，從而為安全決策提供有效途徑。定性分析是事故樹分析的核心內容。其目的是分析某類事故的發生規律及特點，找出控制該事故的可行方案，并從事故樹結構上分析各基本原因事件的重要程度，以便按輕重緩急分別采取對策。事故樹圖形似倒立著的樹，樹中的節點具有邏輯判別性質。樹的“根部”頂點節點表示系統的某一個事故，樹的“梢、底部節點表示事故發生的基

14、本原因，樹的“樹叉”中間節點表示由基本原因促成的事故結果，又是系統事故的中間原因。事故因果關系的不同性質用不同邏輯門表示。這樣畫成的一個“樹用來描述某種事故發生的因果關系，稱之為事故樹。事故樹的最小割集分析。事故樹的定性分析（最小割集），引起頂上事件發生的基本事件的集合叫割集，一個事故樹中割集一般不止一個，在這些割集中，凡不包括其他割集的叫最小割集。它在事故樹分析中占有重要地位，是頂上事件（事故）發生的本質原因，也就是說表示頂上事件發生原因的集合，因而最小割集越多，系統的危險性越大。其步驟是建立事故的布爾表達式，并劃為最簡析標準式，求出割集集合。利用布爾代數求取事故樹的最小割集：在瓦斯爆炸事故

15、樹中，任何一組最小割集的基本事件同時發生，頂上事件就必然發生，說明頂上事件發生的途徑有徑集是系統可靠性工程的概念，又稱通集，即如果事故樹中某些基本事件不發生，則頂上事件不發生，這些基本事件的集合稱為徑集，最小徑集是頂上事件不發生所必須的最低限度的基本事件集合。結束語：從掘進工作面瓦斯爆炸事故樹分析來看，最小割集有126組，數量較多，表明礦井掘進工作面瓦斯爆炸有126種可能途徑，充分說明該事件的可能性與危險性很大，其中任一最小割集中的全部基本事件發生，則會引起掘進工作面瓦斯爆炸。由結構重要度分析結果知，基本事件結構重要度最大，其重要性在系統中占首位，所以，應選擇控制瓦斯濃度，消除瓦斯環境中的火源

16、，作為預防瓦斯爆炸的主要措施。采取阻止瓦斯爆炸的直接方法是“破壞”其中的某些基本事件，使其失去造成事故危險的條件。煤礦采煤面瓦斯爆炸是一個危險性較大的系統，綜合其他分析可以得到，為確保煤礦安全生產，除將瓦斯濃度控制在其爆炸范圍內，杜絕一切火源是最重要的。利用事故樹分析法的邏輯關系，將各隱患因素有機結合在一起，找出系統全部可能失效的關鍵環節，有利于從靜態和動態分析，預測問題，節約大量時間，人力，財力，從而更加有效制定安全措施，確保安全生產，避免災害的發生，給企業帶來更大的經濟效益。通用的可靠性設計分析方法1. 識別任務剖面、壽命剖面和環境剖面在明確產品的可靠性定性定量要求以前，首先要識別產品的任

17、務剖面、壽命剖面和環境剖面。（1）任務剖面“剖面”一詞是英語profile的直譯，其含義是對所發生的事件、過程、狀態、功能及所處環境的描述。顯然，事件、狀態、功能及所處環境都與時間有關，因此，這種描述事實上是一種時序的描述。任務剖面的定義為：產品在完成規定任務這段時間內所經歷的事件和環境的時序描述。它包括任務成功或致命故障的判斷準則。對于完成一種或多種任務的產品，均應制定一種或多種任務剖面。任務剖面一般應包括：1 ）產品的工作狀態；2 ）維修方案；3 ）產品工作的時間與程序；4 ）產品所處環境（外加有誘發的）時間與程序。任務剖面在產品指標論證時就應提出，它是設計人員能設計出滿足使用要求的產品的

18、最基本的信息。任務剖面必須建立在有效的數據的基礎上。圖1表示了一個典型的任務剖面。（2）壽命剖面壽命剖面的定義為：產品從制造到壽命終結或退出使用這段時間內所經歷的全部事件和環境的時序描述。壽命剖面包括任務剖面。壽命剖面說明產品在整個壽命期經歷的事件，如：裝卸、運輸、儲存、檢修、維修、任務剖面等以及每個事件的持續時間、順序、環境和工作方壽命剖面同樣是建立產品技術要求不可缺少的信息。圖2表示了壽命剖面所經歷的事件。Q4 b時間圖1 任務剖面示例圖2壽命剖面所經歷的事件（3）環境剖面環境剖面是任務剖面的一個組成部分。它是對產品的使用或生存有影響的環境特性，如溫度、濕度、壓力、鹽霧、輻射、砂塵以及振動

19、沖擊、噪聲、電磁干擾等及其強度的時序說明。產品的工作時間與程序所對應的環境時間與程序不盡相同。環境剖面也是壽命剖面和任務剖面的一個組成部分。2.明確可靠性定性定量要求明確產品的可靠性要求是新產品開發過程中首先要做的一件事。產品的可靠性要求是進行可靠性設計分析的最重要的依據。可靠性要求可以分為兩大類：第一類是定性要求，即用一種非量化的形式來設計、分析以評估和保證產品的可靠性；第二類是定量要求，即規定產品的可靠性指標和相應的驗證方法。可靠性定性要求通常以要求開展的一系列定性設計分析工作項目表達。常用的可靠性定性設計分析項目序號定性設計分析項目名稱目的1制定和貫徹可靠性設計準則將同類產品的成熟經驗和

20、失敗教訓以設計指令的形式要求設計人員貫徹落實2進行故障模式影響（危害度）分析（FME（C）A）檢查系統可能發生的故障，確定設計方案的可行性，發現設計中潛在的問題，提出改進措施3故障樹分析（FTA）分析造成產品某種故障狀態的各種原因和條件，確定各種原因或其組合，發現設計中的薄弱環節，提出改進措施4確定關鍵件和重要件在FMEA分析的基礎上，確定少數的關鍵件和重要件，提出更詳盡具體的質量控制要求，把有限的資源用于關鍵部位5進行設計評審在產品研制的各個階段，對可靠性工作計劃和實施情況進行有效地監督和控制可靠性定量要求是指：選擇和確定產品的故障定義和判據、可靠性指標以及驗證時機和驗證方法，以便在研制過程

21、中用量化的方法來評價和控制產品的可靠性水平。確定可靠性指標主要考慮下列因素：1）國內外同類產品的可靠性水平；2）用戶的要求或合同的規定；3）本企業同類產品的可靠性水平；4）進度和經費的考慮與權衡。應該指出，上述各項有關的基礎數據并非很容易得到。它有一個逐步積累的過程。當前，多數民用機械產品的用戶一般還不會在合同中提出明確的可靠性定量要求。但潛在的要求是的的確確客觀存在的，制造方有責任進行必要的市場調研，征求用戶的意見，使其所研制開發的產品在可靠性方面有競爭力。可靠性指標不是越高越好，它要和技術可能性、研制開發周期、成本效益等幾方面進行綜合分析和權衡。一般情況下，有定量可靠性要求的新產品在研制過

22、程中有一個可靠性增長的過程。此外，還需要考慮數字指標的隨機性所帶來的置信水平問題。3. 制定和貫徹可靠性設計準則制定和貫徹可靠性設計準則是一項重要的可靠性定性設計方法，它可以在進行產品設計的同時把可靠性設計到產品中去。這種方法的實用性強，效費比高，應予優先采用。可靠性設計準則一般都是針對某個型號或產品的，但也可以把各個型號或產品的可靠性設計準則的共性內容，綜合成某類產品的可靠性設計準則，例如：柴油機設計準則、載貨汽車設計準則、拖拉機設計準則等。當然，這些共性的可靠性設計準則經剪裁、補充后又可成為專用產品的可靠性設計準則。產品主管設計師應組織有關專家編制可靠性設計準則。該準則將同類產品的成熟經驗

23、和失敗教訓以設計指令的形式要求設計人員貫徹落實，使每條設計準則均有相應的設計保證措施。設計準則一般在方案設計開始前制定，經反復征求意見，完善、修改后再正式頒發。在施工設計階段結束時，應提出設計準則貫徹實施報告。和可靠性設計準則相似的一種可靠性設計文件是“可靠性設計檢查表”。它用向設計人員提問題的方式促使設計人員考慮產品可靠性要求和消除可能存在的設計隱患。4. 系統可靠性模型的建立和可靠性分配（1）系統可靠性模型的建立建立可靠性模型是為了定量分配、估算和評估產品的可靠性。為了建模，要在產品工作原理圖的基礎上畫出產品的可靠性框圖。產品的工作原理圖是表示產品各單元之間的功能聯系，而可靠性框圖則是以各

24、種串-并-旁聯的方框組合表示系統各組成單元之間的完成規定功能中的關系。這兩者是不能混淆的。表2是最常見的可靠性框圖模型及其數學表達式。其中串聯模型是指組成產品的所有單元中的任一單元發生故障都會導致整個產品故障。并聯模型亦稱作工作儲備模型。r/n模型是指組成產品的所有單元都工作，但至少r個正常，產品才能正常工作。r/n模型亦稱表決模型。在建立產品的可靠性框圖模型時，應從系統級向分系統、設備、部件極細化，但不一定細化到零部件，這要視具體情況而定。常見的可靠性框圖及其數學表達式可靠性框圖串聯模型數學表達式假設各單元失效間隔時間服從指數分布r/n模型（表決模型）&=4=MTBRH=1-n號“)

25、/ =1l=i=Ln（i -尺）假設各單元相同iiX Cl K,(f才耳！ r )注：Rs一系統可靠度；Ri一單元可靠度；入S系統失效率；入i單元失效率；MTBF一系統平均失效平均間隔時間。(2)可靠性分配工程中常用的可靠性分配方法有比例分配法和加權分配法。1 )比例分配法。如已知系統各單元的相對失效率比ki,則可按下式進行可靠性分配：入i=入ski式中入i第i個單元的失效率；入s系統的失效率。此方法以相似產品的失效率統計數據為基礎。2 )加權分配法。此方法是對各子系統與完成規定任務的有關因素進行評分，得出各子系統的加權系數，據此進行可靠性分配。評分時考慮的因素：復雜程度；技術水平和成熟程度；

26、工作時間；重要程度。5 .故障模式、影響(危害度)分析(FailtModes,Effects(andCriticality)AnalysisFME(C)A)FME(C)A分析是另一個重要的可靠性定性設計分析方法。此方法研究產品的每個組成部分可能存在的故障模式，并確定各個故障模式對產品其他組成部分和產品要求功能的影響。它亦能同時考慮故障發生的概率和危害度的等級。系統的可靠性指標是多個故障模式綜合影響的結果，而要提高系統的可靠性就必須具體分析各組成單元的故障模式對系統的影響和危害程度。FME(C)A分析可用于設計的各個階段，即方案設計、技術設計和施工設計，亦可用于工藝設計和工藝裝備設計。FME(C

27、)A分析所用的表格見表3。此表可隨設計階段、產品對象、分析要求的不同而作必要的調整，分析者可酌情適當增減欄目。嚴酷度的等級舉例見表4。表3FME(C)A表序號設備識別代號名稱功能故障模式故障原因故障影響局部影響最終影響嚴酷度等級故障檢測方法故障發生概率危害度數值建議改進措施負責部門1234567891011121314填寫說明圖號或分析識別號分析的零部件或子系統名稱分析對象功能故障表現形式設想的故障原因對自身和上一級的影響對系統的影響見表4檢測方法或按方法難度分極按統計數據分：很低、低、中等、局四類或更多類參考義獻5提出的改進、補償措施負責改進部門（子）系統名稱分析人負責人完成日期No.只做5

28、"£&析時不作11、12兩項。各欄填表說明詳見參考文獻4、5。表4嚴酷度的等級舉例嚴酷度等級危害程度可能成為主要系統喪失功能，原因的任何事件從而導致系統或其環境的重大損壞的潛在原因或造成人身傷亡潛在出可能成為主要系統喪失功能，從而導致該系統或其環境的重大損失的潛在原因，而又幾乎不危及人身安全的任何事件n造成系統功能、性能退化而對系統或人員的生命或肢體沒有可感覺的損傷的任何事件I可能成為系統功能、性能退化的原因而對系統或其環境幾乎無損壞、對人身安全無損害的任何事件FME（C）A分析一定要由有經驗的設計人員去做，否則會流于形式。企業的可靠性工程師可給予指導和幫助。FME（C）A分析的效果體現在：對影響產品可靠性的設計、工藝等因素有所改進；否則就是無效的分析。6. 故障樹分析（FaultTreeAnalysisFTA）FTA分析是以故障樹的形式進行分析的方法。它用于確定哪些組成部分的故障模式或外界事件或它們的組合可能導致產品的一種已給定的故障模式。它以系統的故障為頂事件，自上而下地逐層查找故障原因，直至找出全部直接原因（基本事件，即硬件和軟件故障、人為差錯和環境因素等），并根據它們之間的邏輯關系用圖表示。這種圖的外形像一棵以系統故障為根的