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功能危险评估在机电产品安全性评价中的应用

文档作者：牛明伟1 杨黎明2 杨燕1 姜阳1 文档来源： 1．沈阳航空航天大学安全工程学院 2．中南大学土木工程学院，		点击数：	更新时间： 2021年07月27日
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第25卷第6期
2012年11月
机电产品开崖与钏新
Development＆Innovation of Machinery&amp;amp;Electrical Products
V01．25，NO．6
NOV．，201 2
文章编号：1002—6673(2012)06—032—03
功能危险评估在机电产品安全性评价中的应用
牛明伟1，杨黎明2，杨燕1，姜阳1
(1．沈阳航空航天大学安全工程学院，辽宁沈阳110136；2．中南大学土木工程学院，湖南长沙410075)
摘要：从一个新的角度建立了机电产品安全性评估的模型，即功能危险评估(functional hazard assessment)，
该方法从功能的角度分析产品的各层次功能有可能的失效模式以及后果，并依据失效模式和后果确
定机电产品安全性的大小。通过该方法的使用．能在一定程度上弥补以往安全性评估方法的不足，
帮助产品的设计者、使用者根据产品结构特点、自身需求选择合适的方法来评估机电产品的安全
性．以保证产品的安全。
关键词：机电产品；安全性；功能危险评估；风险
中图分类号：TH一39 文献标识码：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一胁n矿，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
近些年来，由于科学技术的日新月异．人们生活水
平得到了迅速提高，各种机电产品充斥于生活的方方面
面，但是由于人类知识和技术能力的有限，任何新产品
在设计、制造、安装等全寿命周期阶段内可能存在的风
险都不可能被完全考虑到．这就会导致很多产品在进入
流通领域后发生各种各样的事故，例如201 1年“7·28”
温州动车事故、“7·5”北京奥的斯电梯事故、丰田召回门
事件等等，这些事故为企业和社会带来了巨大的损失。
如何评价机电产品的安全性已经成为了产品设计中一个
急需解决的问题。目前对安全性的评价，主要是通过评
价元件失效的风险．来确定产品安全性的等级。这种方
法对于简单的机电产品尚可适用，但对于复杂的机电产
品，由于元件的数量级非常高，所带来的工作量和成本
收稿日期：2012—09—04
作者简介：牛明伟(1987一)，男，河南人，硕士研究生。主要研
究方向：机电产品安全性设计；杨黎明(1988一)，女，河南人，
硕士研究生。主要研究方向：框架桥梁结构设计和验证。
32
将难以估计。因此，本文对军用飞机设计领域常用的功
能危险评估(FHA)进行改进和优化，从功能的角度建
立适合机电产品安全性的评价模型。
1功能危险评估的理论和应用研究
1．1功能危险评估理论研究
(1)机电产品安全性。GJB900系统安全通用性大纲
中的定义是：安全性指产品在规定的条件下，以可接受
的风险执行规定功能的能力[11，是产品的一种固有属性。
从这个定义可以看出．安全性对应的是产品事故风险．
产品安全性的好坏可以用风险衡量。它们之间关系式：
S=I-R=I-PxC (1)
式中：S一机电产品的安全性：R一安全性对应的事
故风险；P_事故风险的可能性；C一事故风险的严重性。
因此，对机电产品安全性的评估可以转为对产品事
故风险的评估，风险越大，安全性越差；风险越小，安
全性越大。
(2)功能失效模式。参考GJBl391—92，可定义功能
失效模式为：功能失效模式是由功能的不同失效机理显
万方数据
·产品与市场
现出来的各种失效现象的表现形式。常见的功能失效模
式如下：①失控(全部或部分)；②卡滞或游离；③不能
工作、部分工作或降低工作；④特性改变(载荷、速率、
刚性等)；⑤意外工作或不受指令地工作等。
1．2功能危险评估应用研究
功能危险评估(FHA)目前在学术界和工程领域进行
了大量的研究和应用，其中比较有代表性如下所示：
(1)在美国国防部的系统安全大纲(MIL—STD一882E)
中[21，推荐使用功能危险评估判断军用产品的安全关键功
能，并且给出了功能危险评估的基本过程。
(2)在美国航空管理部的标准AC25．1309t3]中．详细
的阐述了FHA在美国民用飞机设计研究中的应用。
(3)在国内，刘建军、孙春林等在AC25．1309的基础
上开展了航空领域的功能危险评估的应用研究。详细可
见参考文献『4～5]。
1．3对功能危险评估的优化改进点
美军标882E和航空领域中的FHA主要适用于产品
概念设计阶段，通过评估功能失效模式的严重度确定功
能失效的等级，进而对不同等级的严重性设置不同的允
许失效概率，使设计者能够根据允许失效概率对软件、
硬件、人机交界面进行设计。这种方式会有以下缺陷：
①评估范围只能适用于概念设计阶段，不能适用详细设
计之后和成品阶段的安全性评估；②在评价功能失效模
式的等级时只是对严重性采取定性的分析。主观性大。
本文则是将这种方法进行优化和改进，建立了适合
产品详细设计之后和成品阶段的安全性评估模型。
2机电产品安全性评估模型的建立
2．1确定机电产品的功能
在飞机设计中。功能危险评估分为整机级和系统级．
主要是根据分析的目的而确定。本文也是根据产品的结
构的复杂程度、分析目的、客户需求等建立功能清单。
一般情况下，应该收集以下信息：①产品顶层功能清单
(产品在设计时，根据用户需求提取的功能)；②产品设
计功能分解方案(软件、硬件以及交界面)；③产品设计
方案。根据以上产品信息再结合相关专家和设计人员的
经验，并借助功能分解树(FDT)、功能框图、功能流程图
等方法建立功能分解模型，确定评价产品安全性的功能
清单。
2．2机电产品功能失效模式的识别
产品功能失效模式的识别是功能危险评估中至关重
要的一步。功能对事故风险的贡献主要是通过其不同的
失效模式来体现，失效模式是产品事故发生的原因。在
这一步中，我们可以使用失效模式和影响分析
(FMEA)、故障树(grA)等方法，从归纳和演绎的两个角
度识别功能的失效模式以及可能导致的后果，确定产品
的功能失效模式清单。
2．3机电产品功能失效模式评价指标的选择
对功能不同失效模式选择合适的评价指标是评价产
品整体安全性的基础。指标选择的好坏直接关系能否真
实、准确的反应产品的安全性．本文选择以下三个指标
作为评价指标：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响事故风险大小；②失效后
果。失效模式不同，可能导致的人员伤亡、财产损失也
不同；③相关性。产品各项功能之间必然存在着一定的
物理和逻辑关系。一个功能的失效有可能引起别的功能
的失效，相关性所反应的正是一种功能的失效对别的功
能影响的程度。
2．4机电产品功能失效模式的定性评价
在实际产品设计中，由于产品种类的多样性、结构
的复杂性、技术的成熟性等因素，有些产品具有完整的
失效概率、失效后果的数据库，有些则没有。因此，在
评价时需要根据失效数据是否完整．选择合适的评价方
法。对于缺少失效数据的产品，本文拟选用FMEA分析[1
中的风险优先数(RPN)，通过对失效模式的失效概率
Pfi、失效后果Cfi以及相关性击进行打分，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)
在进行评价之前．应首先对以上三个指标制定评分
准则，评分准则的制定应由使用者、设计者以及相关部
门共同制定，下面仅给出参考准则。失效概率见表1。
失效模式的后果见表2；相关性见表3。
2．5机电产品功能失效模式的定量评估
对于拥有完善的失效率数据和技术状态数据的产
品．本文建议使用FMECA中的危险度评价方法。失效
模式i的危险度C．计算：
Ci=rnxC6xPn (3)
其中失效概率P。的计算，对于精度要求高的产品
可以使用马尔可夫模型，对于精度要求不高的可以使用
可靠性框图(RBD)，从功能的角度绘制系统和子系统的
表1失效概率评分准则
等级失效模式的失效概率参考值
l 极低1／106
2 1／20000
相对极低
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
万方数据
·产品与市场·
表2失效模式后果评分准则
等级失效模式的后果
对系统的性能不会产生影响．用户注意不到的轻
l 轻微
微失效
对系统的性能有轻微影响。用户可能会注意并引
2,3 低
起轻微抱怨
4．5．6 中等引起系统性能下降．用户会觉得不舒适和不满意。
中断操作的重大失效(如发动机不能启动)或提
供舒适性的子系统不能T作的失效(空调子系统
7,8 高
不能工作)引起很多系统性能下降．用户觉得很
不舒适和不满意。
引起生命、财产损失的致命失效或不符合政府法
9．10 非常高
规的失效
表3相关性评分准则
等级相关性的影响程度
l 轻微对于系统或其他功能的失效没有影响或影响甚微
对系统和其他功能的失效有一定影响．但影响不
2，3 低
大。
能够引起一个或二个其他功能的失效，但对事故影
4,5．6 中等
响不大。
能够引起多个功能或系统失效．扳有可能导致事故
7．8 高
的发生。
能够引起很多功能或系统接连失效．肯定导致事故
9，10 非常高
的发生。
框图181，相关性h的计算可以参考文献【6】，失效后果C6
的确定根据最大危险原则和概率求和原则。失效模式i
的后果C。：
C庐L加(4) L=c+20(Nm5N2+警) (5)
式中：C一事故中财产损失评估值，N，、N：、N厂
事故中轻伤、重伤、死亡人数评估值。
2．6机电产品安全性的合成评估
在计算出功能的每一种失效模式的RPN和危险度
C。后，需要对所有的失效模式进行合成，以综合评价机
电产品的安全性的事故风险值：
％--Σ(RPN)I=ΣC__P#C6X‰ (6)
--I i!I ；tl
式中：＆一产品的事故风险值；n一产品具有的功能
失效模式的数量。通过使用改进和优化后的功能危险评
估，得到了产品事故风险值，这个值代表了机电产品安
全性的大小。风险值越大，安全性越小；风险值越小，
安全性越大。
3结论
本文通过改进和优化在军用飞机领域常用的功能
危险评估的方法．从一个新的角度建立了机电产品安
全性的评价模型．并且在模型中使用了失效概率、失
效后果以及失效模式之间的相关性的三个指标。使评
价结果更加科学合理。但是由于能力的有限．本文尚
还有很多不完善的地方值得商榷．将会在以后的T作
中继续探讨。
参考文献：
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16l薛瑞楠．产品安全相关性评价模式研究[吼沈刚航空航天大学．2007．
【7】国防科T委技术T业委员会．故障模式、影响及危害性分析程序
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【8】方来华，吴宗之，等．基于可靠性框图法的安全功能失效概率定撮
分析【J】．化T自动化及仪表，2008，2．
(上接第31页)欲望。水龙头的整体外观设计为形如一
只手接着一滴水的“节水标志”样式． “手”形状是手
柄，在使用者的作用下实现向下，向右旋转运动，由水
滴底部出水，从而实现水龙头的正常运作。最终实物样
机如图4所示。
4总结
水是生命之源。是人类
赖以生存的最珍贵的资源。
现实的情况是．我们对水资
源的浪费十分严重。水资源往往就在“指尖”流走。不
明白“节水”二字真正含义的人，总是错误地认为，节
水是限制用水。甚至是不让用水。其实，节水是让人合
理地用水。高效率地用水，不会随意地浪费。于是我们
的分段式半自动节水水龙头设计。改变传统水龙头供水
方式，在结构设计上改变出水量。并采用自动锁紧结构
以及外观造型设计，既满足使用者的使用需求，同时实
现了高效节水功能。最后，希望我们的分段式半自动节
水水龙头能为中国的节水政策贡献出一份力量。
参考文献：
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【21溃良贵，纪名刚．机械设计【M】．高等教育出版社．2006．
【3】Autodesk．|nc．Autodesk Inventor 2009基础培训教程【M】．化学T
业出版衬=．2009．

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