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功能危險(xiǎn)評(píng)估在機(jī)電產(chǎn)品安全性評(píng)價(jià)中的應(yīng)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(xué)安全工程學(xué)院 2．中南大學(xué)土木工程學(xué)院，		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年07月27日
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第25卷第6期
2012年11月
機(jī)電產(chǎn)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(hào)：1002—6673(2012)06—032—03
功能危險(xiǎn)評(píng)估在機(jī)電產(chǎn)品安全性評(píng)價(jià)中的應(yīng)用
牛明偉1，楊黎明2，楊燕1，姜陽1
(1．沈陽航空航天大學(xué)安全工程學(xué)院，遼寧沈陽110136；2．中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410075)
摘要：從一個(gè)新的角度建立了機(jī)電產(chǎn)品安全性評(píng)估的模型，即功能危險(xiǎn)評(píng)估(functional hazard assessment)，
該方法從功能的角度分析產(chǎn)品的各層次功能有可能的失效模式以及后果，并依據(jù)失效模式和后果確
定機(jī)電產(chǎn)品安全性的大小。通過該方法的使用．能在一定程度上彌補(bǔ)以往安全性評(píng)估方法的不足，
幫助產(chǎn)品的設(shè)計(jì)者、使用者根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、自身需求選擇合適的方法來評(píng)估機(jī)電產(chǎn)品的安全
性．以保證產(chǎn)品的安全。
關(guān)鍵詞：機(jī)電產(chǎn)品；安全性；功能危險(xiǎn)評(píng)估；風(fēng)險(xiǎn)
中圖分類號(hào)：TH一39 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(xué)技術(shù)的日新月異．人們生活水
平得到了迅速提高，各種機(jī)電產(chǎn)品充斥于生活的方方面
面，但是由于人類知識(shí)和技術(shù)能力的有限，任何新產(chǎn)品
在設(shè)計(jì)、制造、安裝等全壽命周期階段內(nèi)可能存在的風(fēng)
險(xiǎn)都不可能被完全考慮到．這就會(huì)導(dǎo)致很多產(chǎn)品在進(jìn)入
流通領(lǐng)域后發(fā)生各種各樣的事故，例如201 1年“7·28”
溫州動(dòng)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(huì)帶來了巨大的損失。
如何評(píng)價(jià)機(jī)電產(chǎn)品的安全性已經(jīng)成為了產(chǎn)品設(shè)計(jì)中一個(gè)
急需解決的問題。目前對(duì)安全性的評(píng)價(jià)，主要是通過評(píng)
價(jià)元件失效的風(fēng)險(xiǎn)．來確定產(chǎn)品安全性的等級(jí)。這種方
法對(duì)于簡(jiǎn)單的機(jī)電產(chǎn)品尚可適用，但對(duì)于復(fù)雜的機(jī)電產(chǎn)
品，由于元件的數(shù)量級(jí)非常高，所帶來的工作量和成本
收稿日期：2012—09—04
作者簡(jiǎn)介：牛明偉(1987一)，男，河南人，碩士研究生。主要研
究方向：機(jī)電產(chǎn)品安全性設(shè)計(jì)；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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。
32
將難以估計(jì)。因此，本文對(duì)軍用飛機(jī)設(shè)計(jì)領(lǐng)域常用的功
能危險(xiǎn)評(píng)估(FHA)進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，從功能的角度建
立適合機(jī)電產(chǎn)品安全性的評(píng)價(jià)模型。
1功能危險(xiǎn)評(píng)估的理論和應(yīng)用研究
1．1功能危險(xiǎn)評(píng)估理論研究
(1)機(jī)電產(chǎn)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(chǎn)品在規(guī)定的條件下，以可接受
的風(fēng)險(xiǎn)執(zhí)行規(guī)定功能的能力[11，是產(chǎn)品的一種固有屬性。
從這個(gè)定義可以看出．安全性對(duì)應(yīng)的是產(chǎn)品事故風(fēng)險(xiǎn)．
產(chǎn)品安全性的好壞可以用風(fēng)險(xiǎn)衡量。它們之間關(guān)系式：
S=I-R=I-PxC (1)
式中：S一機(jī)電產(chǎn)品的安全性：R一安全性對(duì)應(yīng)的事
故風(fēng)險(xiǎn)；P_事故風(fēng)險(xiǎn)的可能性；C一事故風(fēng)險(xiǎn)的嚴(yán)重性。
因此，對(duì)機(jī)電產(chǎn)品安全性的評(píng)估可以轉(zhuǎn)為對(duì)產(chǎn)品事
故風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估，風(fēng)險(xiǎn)越大，安全性越差；風(fēng)險(xiǎn)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(jī)理顯
萬方數(shù)據(jù)
·產(chǎn)品與市場(chǎng)
現(xiàn)出來的各種失效現(xiàn)象的表現(xiàn)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(xiǎn)評(píng)估應(yīng)用研究
功能危險(xiǎn)評(píng)估(FHA)目前在學(xué)術(shù)界和工程領(lǐng)域進(jìn)行
了大量的研究和應(yīng)用，其中比較有代表性如下所示：
(1)在美國(guó)國(guó)防部的系統(tǒng)安全大綱(MIL—STD一882E)
中[21，推薦使用功能危險(xiǎn)評(píng)估判斷軍用產(chǎn)品的安全關(guān)鍵功
能，并且給出了功能危險(xiǎn)評(píng)估的基本過程。
(2)在美國(guó)航空管理部的標(biāo)準(zhǔn)AC25．1309t3]中．詳細(xì)
的闡述了FHA在美國(guó)民用飛機(jī)設(shè)計(jì)研究中的應(yīng)用。
(3)在國(guó)內(nèi)，劉建軍、孫春林等在AC25．1309的基礎(chǔ)
上開展了航空領(lǐng)域的功能危險(xiǎn)評(píng)估的應(yīng)用研究。詳細(xì)可
見參考文獻(xiàn)『4～5]。
1．3對(duì)功能危險(xiǎn)評(píng)估的優(yōu)化改進(jìn)點(diǎn)
美軍標(biāo)882E和航空領(lǐng)域中的FHA主要適用于產(chǎn)品
概念設(shè)計(jì)階段，通過評(píng)估功能失效模式的嚴(yán)重度確定功
能失效的等級(jí)，進(jìn)而對(duì)不同等級(jí)的嚴(yán)重性設(shè)置不同的允
許失效概率，使設(shè)計(jì)者能夠根據(jù)允許失效概率對(duì)軟件、
硬件、人機(jī)交界面進(jìn)行設(shè)計(jì)。這種方式會(huì)有以下缺陷：
①評(píng)估范圍只能適用于概念設(shè)計(jì)階段，不能適用詳細(xì)設(shè)
計(jì)之后和成品階段的安全性評(píng)估；②在評(píng)價(jià)功能失效模
式的等級(jí)時(shí)只是對(duì)嚴(yán)重性采取定性的分析。主觀性大。
本文則是將這種方法進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，建立了適合
產(chǎn)品詳細(xì)設(shè)計(jì)之后和成品階段的安全性評(píng)估模型。
2機(jī)電產(chǎn)品安全性評(píng)估模型的建立
2．1確定機(jī)電產(chǎn)品的功能
在飛機(jī)設(shè)計(jì)中。功能危險(xiǎn)評(píng)估分為整機(jī)級(jí)和系統(tǒng)級(jí)．
主要是根據(jù)分析的目的而確定。本文也是根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)
構(gòu)的復(fù)雜程度、分析目的、客戶需求等建立功能清單。
一般情況下，應(yīng)該收集以下信息：①產(chǎn)品頂層功能清單
(產(chǎn)品在設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)用戶需求提取的功能)；②產(chǎn)品設(shè)
計(jì)功能分解方案(軟件、硬件以及交界面)；③產(chǎn)品設(shè)計(jì)
方案。根據(jù)以上產(chǎn)品信息再結(jié)合相關(guān)專家和設(shè)計(jì)人員的
經(jīng)驗(yàn)，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(píng)價(jià)產(chǎn)品安全性的功能
清單。
2．2機(jī)電產(chǎn)品功能失效模式的識(shí)別
產(chǎn)品功能失效模式的識(shí)別是功能危險(xiǎn)評(píng)估中至關(guān)重
要的一步。功能對(duì)事故風(fēng)險(xiǎn)的貢獻(xiàn)主要是通過其不同的
失效模式來體現(xiàn)，失效模式是產(chǎn)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(gè)角
度識(shí)別功能的失效模式以及可能導(dǎo)致的后果，確定產(chǎn)品
的功能失效模式清單。
2．3機(jī)電產(chǎn)品功能失效模式評(píng)價(jià)指標(biāo)的選擇
對(duì)功能不同失效模式選擇合適的評(píng)價(jià)指標(biāo)是評(píng)價(jià)產(chǎn)
品整體安全性的基礎(chǔ)。指標(biāo)選擇的好壞直接關(guān)系能否真
實(shí)、準(zhǔn)確的反應(yīng)產(chǎn)品的安全性．本文選擇以下三個(gè)指標(biāo)
作為評(píng)價(jià)指標(biāo)：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(fēng)險(xiǎn)大小；②失效后
果。失效模式不同，可能導(dǎo)致的人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失也
不同；③相關(guān)性。產(chǎn)品各項(xiàng)功能之間必然存在著一定的
物理和邏輯關(guān)系。一個(gè)功能的失效有可能引起別的功能
的失效，相關(guān)性所反應(yīng)的正是一種功能的失效對(duì)別的功
能影響的程度。
2．4機(jī)電產(chǎn)品功能失效模式的定性評(píng)價(jià)
在實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，由于產(chǎn)品種類的多樣性、結(jié)構(gòu)
的復(fù)雜性、技術(shù)的成熟性等因素，有些產(chǎn)品具有完整的
失效概率、失效后果的數(shù)據(jù)庫，有些則沒有。因此，在
評(píng)價(jià)時(shí)需要根據(jù)失效數(shù)據(jù)是否完整．選擇合適的評(píng)價(jià)方
法。對(duì)于缺少失效數(shù)據(jù)的產(chǎn)品，本文擬選用FMEA分析[1
中的風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)(RPN)，通過對(duì)失效模式的失效概率
Pfi、失效后果Cfi以及相關(guān)性擊進(jìn)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(jìn)行評(píng)價(jià)之前．應(yīng)首先對(duì)以上三個(gè)指標(biāo)制定評(píng)分
準(zhǔn)則，評(píng)分準(zhǔn)則的制定應(yīng)由使用者、設(shè)計(jì)者以及相關(guān)部
門共同制定，下面僅給出參考準(zhǔn)則。失效概率見表1。
失效模式的后果見表2；相關(guān)性見表3。
2．5機(jī)電產(chǎn)品功能失效模式的定量評(píng)估
對(duì)于擁有完善的失效率數(shù)據(jù)和技術(shù)狀態(tài)數(shù)據(jù)的產(chǎn)
品．本文建議使用FMECA中的危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)方法。失效
模式i的危險(xiǎn)度C．計(jì)算：
Ci=rnxC6xPn (3)
其中失效概率P。的計(jì)算，對(duì)于精度要求高的產(chǎn)品
可以使用馬爾可夫模型，對(duì)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(píng)分準(zhǔn)則
等級(jí)失效模式的失效概率參考值
l 極低1／106
2 1／20000
相對(duì)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(shù)據(jù)
·產(chǎn)品與市場(chǎng)·
表2失效模式后果評(píng)分準(zhǔn)則
等級(jí)失效模式的后果
對(duì)系統(tǒng)的性能不會(huì)產(chǎn)生影響．用戶注意不到的輕
l 輕微
微失效
對(duì)系統(tǒng)的性能有輕微影響。用戶可能會(huì)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(huì)覺得不舒適和不滿意。
中斷操作的重大失效(如發(fā)動(dòng)機(jī)不能啟動(dòng))或提
供舒適性的子系統(tǒng)不能T作的失效(空調(diào)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(cái)產(chǎn)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(guān)性評(píng)分準(zhǔn)則
等級(jí)相關(guān)性的影響程度
l 輕微對(duì)于系統(tǒng)或其他功能的失效沒有影響或影響甚微
對(duì)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(gè)或二個(gè)其他功能的失效，但對(duì)事故影
4,5．6 中等
響不大。
能夠引起多個(gè)功能或系統(tǒng)失效．扳有可能導(dǎo)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(dǎo)致事故
9，10 非常高
的發(fā)生。
框圖181，相關(guān)性h的計(jì)算可以參考文獻(xiàn)【6】，失效后果C6
的確定根據(jù)最大危險(xiǎn)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(cái)產(chǎn)損失評(píng)估值，N，、N：、N廠
事故中輕傷、重傷、死亡人數(shù)評(píng)估值。
2．6機(jī)電產(chǎn)品安全性的合成評(píng)估
在計(jì)算出功能的每一種失效模式的RPN和危險(xiǎn)度
C。后，需要對(duì)所有的失效模式進(jìn)行合成，以綜合評(píng)價(jià)機(jī)
電產(chǎn)品的安全性的事故風(fēng)險(xiǎn)值：
％--Σ(RPN)I=ΣC__P#C6X‰ (6)
--I i!I ；tl
式中：＆一產(chǎn)品的事故風(fēng)險(xiǎn)值；n一產(chǎn)品具有的功能
失效模式的數(shù)量。通過使用改進(jìn)和優(yōu)化后的功能危險(xiǎn)評(píng)
估，得到了產(chǎn)品事故風(fēng)險(xiǎn)值，這個(gè)值代表了機(jī)電產(chǎn)品安
全性的大小。風(fēng)險(xiǎn)值越大，安全性越?。伙L(fēng)險(xiǎn)值越小，
安全性越大。
3結(jié)論
本文通過改進(jìn)和優(yōu)化在軍用飛機(jī)領(lǐng)域常用的功能
危險(xiǎn)評(píng)估的方法．從一個(gè)新的角度建立了機(jī)電產(chǎn)品安
全性的評(píng)價(jià)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(guān)性的三個(gè)指標(biāo)。使評(píng)
價(jià)結(jié)果更加科學(xué)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(huì)在以后的T作
中繼續(xù)探討。
參考文獻(xiàn)：
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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(dòng)化及儀表，2008，2．
(上接第31頁)欲望。水龍頭的整體外觀設(shè)計(jì)為形如一
只手接著一滴水的“節(jié)水標(biāo)志”樣式． “手”形狀是手
柄，在使用者的作用下實(shí)現(xiàn)向下，向右旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，由水
滴底部出水，從而實(shí)現(xiàn)水龍頭的正常運(yùn)作。最終實(shí)物樣
機(jī)如圖4所示。
4總結(jié)
水是生命之源。是人類
賴以生存的最珍貴的資源。
現(xiàn)實(shí)的情況是．我們對(duì)水資
源的浪費(fèi)十分嚴(yán)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(cuò)誤地認(rèn)為，節(jié)
水是限制用水。甚至是不讓用水。其實(shí)，節(jié)水是讓人合
理地用水。高效率地用水，不會(huì)隨意地浪費(fèi)。于是我們
的分段式半自動(dòng)節(jié)水水龍頭設(shè)計(jì)。改變傳統(tǒng)水龍頭供水
方式，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上改變出水量。并采用自動(dòng)鎖緊結(jié)構(gòu)
以及外觀造型設(shè)計(jì)，既滿足使用者的使用需求，同時(shí)實(shí)
現(xiàn)了高效節(jié)水功能。最后，希望我們的分段式半自動(dòng)節(jié)
水水龍頭能為中國(guó)的節(jié)水政策貢獻(xiàn)出一份力量。
參考文獻(xiàn)：
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業(yè)出版襯=．2009．

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