故障树分析法范文

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1、故障树分析（FTA）是由上往下的演绎式失效分析法，利用布林逻辑组合低阶事件，分析系统中不希望出现的状态。故障树分析主要用在安全工程以及可靠度工程的领域，用来了解系统失效的原因，并且找到最好的方式降低风险，或是确认某一安全事故或是特定系统失效的发生率。故障树分析也用在航空航天、核动力、化工制程、制药、石化业及其他高风险产业，也会用在其他领域的风险识别，例如社会服务系统的失效。故障树分析也用在软件工程，在侦错时使用，和消除错误原因的技术很有关系。

2、在航空航天领域中，更广泛的词语“系统失效状态”用在描述从底层不希望出现的状态到最顶层失效事件之间的故障树。这些状态会依其结果的严重性来分类。结果最严重的状态需要最广泛的故障树分析来处理。这类的“系统失效状态”及其分类以往会由机能性的危害分析来处理。

（来源：文章屋网 ）

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对民用飞机而言，氧气系统一旦发生故障就有可能导致航班延误影响正点率，更严重的可能会危及飞行安全以及机组人员与乘客生命安全。因此，对飞机氧气系统的常见故障进行分析，提高飞机氧气系统的可靠性、安全性和有效性就具有非常重要的现实意义。

一、A320氧气系统

飞机的氧气系统作为飞机主要系统之一，它的任务就是在飞机座舱增压失效时为机组，乘务员和乘客提供生命活动所必需的氧气，保障生命安全。飞机氧气系统可分为机组氧气系统，旅客氧气系统和便携式氧气系统。如果驾驶舱压力突然减少或者有烟雾以及危险气体时，机长，副驾驶和观察员可以在任意时刻根据自身的需要选择是否使用氧气面罩；而只有在座舱失压时，乘务人员和旅客才能允许使用氧气面罩。便携是氧气系统主要用于急救和一些特殊需求的人员。下图为A320机组氧气系统原理图。

二、故障树分析法

故障树分析法（Fault Tree Analysis）简称FTA，是目前我们在研究系统可靠性中一种比较常用的方法。1961年由美国贝尔电话研究室的华特先生提出，其后在航空领域，原子反应堆等复杂动态系统中得到了充分利用。FTA是一种从系统到部件，再到零件的分析方法。它将系统失效和各种硬件软件因素用恰当的逻辑符号连接起来，构成一幅倒立树状图形，来分析系统失效发生的概率。FTA不仅可以对系统失效做出定性分析同时也可以做定量的分析，定性分析即找出各种底事件对系统失效的传播途径，而定量分析则是根据底事件对整个系统影响的轻重程度来计算系统失效的概率。

首先要确定顶事件，即导致系统失效的故障状态。确立好顶事件后，对其进行分析从而找出引起它发生的直接原因，并将所有找出的直接原因与顶事件用恰当的逻辑符号联系起来。然后分析每一个造成系统失效的直接原因，若还能进行进一步分解，则将其作为下一级的输入事件，如果对顶事件那样进行分析处理寻找其间接原因。循环往复逐级向下分解直到所有输入事件不能再分解为止，就构成了一幅完整的故障树图。

三、A320飞机氧气系统典型故障的分析

本文以A320的氧气系统为例，来进一步说明故障树分析法在飞机氧气系统失效时排除故障的具体方法。通过对A320氧气系统的工作原理和故障原因进行综合分析后，总结出氧气系统故障可以分为下列几种情况：首先，故障可分为机组氧气系统故障和旅客氧气系统故障；其次，机组氧气系统故障又可分为机组氧气系统丧失供氧能力和氧气管道压力低且警告系统失效两种情况：而旅客氧气系统故障可分为座舱失压氧气系统无法供氧和单个旅客服务组件（PSU）故障。机组氧气系统丧失供氧能力故障树见图1。

如图1所示，该故障树清晰明了的表达在机组氧气系统丧失供氧能力和两个中部时间以及四个底事件之间的逻辑关系。此时，对飞机而言，会导致其失去控制而损毁；对于机组而言，飞行员可能由于高空缺氧造成晕厥，甚至窒息死亡；而对于乘客来说，绝大多数无法幸免。从上图可以看出，造成该故障的主要原因为氧气渗漏及氧气瓶组件故障，对于驾驶舱氧气面罩无法使用的问题，其发生的概率是比较小的，所以应根据AMM35-12-41PB401中的规定排除故障。

图2显示为飞机氧气管道压力低且警告功能失效，这种情况与机务在航前检查时没有仔细检查氧气管路是否渗漏有关，会降低紧急情况下机组的工作能力，直接影响了安全飞行裕度。对于渗漏和氧气瓶组件故障，可以按照图1方法进行排故；对于低压开关故障，应按IPC35-32-09-10检查开关，重新安装后，测试是否正常。

故障树图3显示，单个PSU故障是由氧气面罩不能收放，氧气化学发生器故障和输送电缆及连接器故障造成的。氧气化学发生器故障通常是旅客在使用完氧气面罩后，机务人员应及时参考IPC35-32-09-33更换新氧气瓶及面罩，依据AMM35-32-42-210-001/002对氧气瓶以及压力检查，对其充氧使其压力达到规定水平；对于面罩不能收放，应依据AMM35-21-00重新整理和收纳氧气面罩，并检查其容器。对于A320来说，全机共有54套PSU，其中26套有3个氧气面罩，28套有4个氧气面罩，总共有190个氧气面罩可供使用，而A320客舱座位数为150个，根据CCAR25（运输类飞机适航标准）规定的客舱氧气面罩的总数必须比座位数多10%以上。也就是说在A320客舱中，比规定值10%还要富裕17%，即不会造成灾难性或危险事件的发生。

四、结束语

通过对飞机氧气的典型失效形式用故障树的方法进行分析，显而易见，故障树分析法与传统的排故方法相比，具有其独特的优势。传统的维修方法是在其发生故障后，一一检查所有可能失效的部件，而故障树分析法则是根据故障形式及故障原因直接找出最根本的失效事件，节约了维修的时间和成本，提高了排除故障的速度和精度。综合故障树分析在飞机氧气系统中实践的成功性，建议可以将这种分析方法用在更多的复杂动态系统中。

参考文献：

[1] AMM操作手册[M]. ATA-35.2004.

[2] 陈，王晓春. A320 飞机机组氧气系统[J].科技资讯，2012（27）：44-45.

[3] 李洪宁.基于CBR与FTA的飞机故障诊断专家系统的研究与设计[D].山东：青岛科技大学，2012.

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1 概述

1.1 故障树分析法

故障树分析是系统可靠性和安全性分析的工具之一，于1961年由美国贝尔实验室开发。它用事件符号、逻辑门符号和转移符号描述系统中各种事件之间的因果关系。故障树分析法是把所研究系统的最不希望发生的故障状态作为故障分析的目标，找出直接导致这一故障发生的全部因素，再找出导致下一级事件发生的全部直接因素，直至不需再查的因素为止。故障树分析法以故障树为根据，分析系统发生故障的各种原因和途径，在系统使用维修阶段，可帮助故障诊断、改进使用维修方案。

1.2 节段梁架桥机

某公司用于某跨海大桥的TP50/2300型节段梁架桥机，设计吊重荷载2300吨，为该项目施工的关键设备。该架桥机由主体结构（主梁、前支腿、后支腿、前后中支腿）、起升系统（起重天车、卷扬机具）、液压系统和电控系统等组成。该架桥机有前后两个中支腿。中支腿是整个架桥机的关键部件之一，其主要起着支撑和顶升整个架桥机、驱动架桥机前移过孔等作用。它由滑动支承、回转铰座、纵移机构、主桁架支撑、旋转台、横移机构、支撑梁和顶升装置等组成。中支腿纵移机构位于主桁轨道正中的带孔槽钢滑道平面内，其工作原理是通过液压站控制液压纵移油缸伸缩，利用纵移车上的两个Φ60销子在主桁槽钢滑道上来回插拔来实现整个架桥机的前进。其液压系统工作原理见图1。图中：1-油路开关，2-油泵，3-滤油器，4-溢流阀，5-单向阀，6-换向阀，7-单向阀，8-分流集流阀，9-快速接头，10-液压油缸，11-带排气测压接头。在施工过程中发现架桥机两边主梁走行不同步，由于架桥机过孔时两边主梁走行不同步会造成整机失稳，具有极大的危害性，因此必须及时解决该故障。

2 故障树的建立

建造故障树的目的是通过建树过程更好地对系统进行了解，从中找出容易发生故障的环节，以便更好地进行维修，并为故障树定性分析提供前提。

2.1 建树的方法和步骤

在建树之前，应收集并分析相关技术资料。建树的方法有很多，对文章中的故障可以采用演绎法进行人工建树。演绎法建树应从顶事件开始由上而下，循序渐进逐级进行，步骤如下：（1）分析顶事件，寻找引起顶事件发生的直接的必要和充分的原因。将顶事件作为输出事件，将所有直接原因作为输入事件，并根据这些事件实际的逻辑关系用适当的逻辑门相联系。（2）分析每一个与顶事件直接相联系的输入事件。如果该事件还能进一步分解，则将其作为下一级的输出事件，如同（1）中对顶事件那样进行处理。（2）重复上述步骤，逐级向下分解，直到所有的输入事件不能再分解或不必要再分解为止。这些输入事件即为故障树的底事件。

2.2 构建故障树

文章针对“两主梁纵移走行不同步”这一故障采用故障树分析法进行系统分析，建造故障树，以快速发现故障原因，及时解决该故障。首先做如下假设：（1）各底事件之间相互独立；（2）事件均为二值性且不存在外界干扰因素；（3）各管路和连接接头完好。在故障树中，顶事件、中间事件、底事件分别用T、M、X符号表示，树中各符号的意义分别为：（1）顶事件T：两主梁纵移走行不同步。（2）中间事件M：M1为主梁摩擦力相差过大，M2为主梁荷载不同，M3为同步阀故障，M4为纵移油缸故障，M5为同步阀失灵，M6为纵移油缸外泄，M7为纵移油缸内泄。（3）底事件X：X1为主梁摩擦系数相差过大，X2为主梁荷载相差过大，X3为同步阀误差大，X4为固定节流孔堵塞，X5为主阀芯移动受阻，X6为系统压力不足，X7为减压阀弹簧失灵，X8为密封圈破损，X9为液压缸体变形，X10为液压缸体有划痕，X11为柱塞与缸体配合磨损严重。通过分析，建立该故障的故障树见图2。

3 故障树的分析

3.1 定性分析

故障树定性分析的主要目的是：寻找导致与系统有关的不希望事件发生的原因和原因的组合，即寻找导致顶事件发生的所有故障模式，辨明潜在的故障。一个系统的最小割集代表一种故障模式，故障树定性分析的任务就是要寻找故障树的全部最小割集。计算最小割集的常用方法有上行法和下行法两种。针对本故障，文章采用“下行法”求最小割集。由于本故障树均由或门构成，因此它的最小割集为{X1}、{X2}、{X3}、{X4}、{X5}、{X6}、{X7}、{X8}、{X9}、{X10}、{X11}，即这些事件中只要有1个发生就会导致顶事件的发生，在诊断过程中需要根据实际工况逐个进行分析判断。

3.2 故障排查及诊断分析

由故障树可以清楚地看出造成该故障的所有因素，可以用排除法对最小割集进行排查。步骤1：对于造成M1主梁摩擦力相差过大的所有底事件X1、X2，通过观察可以发现两主梁下部与滑板接触面均平滑且良好，两边主梁荷载基本相同，故可排除{X1、X2}。步骤2：对于M6纵移油缸外泄，通过外观检查发现液压缸无漏油现象，可排除{X8、X9}。对于M7纵移油缸内泄，将两纵移油缸不通过同步阀而通过两单动阀进行联动试验，发现两油缸离一个行程还有300mm左右时，两油缸均较架桥机滞后15mm，说明两油缸同步，无内泄现象，可排除{X10、X11}。步骤3：针对M3同步阀故障，将纵移油缸通过同步阀进行过孔联动，通过测量发现，施工方向左侧油缸在伸出500mm时，较右侧油缸滞后20mm；将左右侧纵移油缸的油管对换，并通过同步阀进行过孔联动，通过测量发现，施工方向右侧油缸在伸出500mm时，较左侧油缸滞后16mm。因此，可初步判定是同步阀故障。为避免发生误判，采用“比较法”，即把同步阀卸下，换上同型号的合格的同步阀，重复上述检查过程，发现两纵移油缸伸出速度相同，两主梁纵移走行同步，从而可确定故障的真实原因在同步阀。故障原因缩小在{X3、X4、X5、X6、X7}中。步骤4：对卸下的同步阀进行解体检查，发现主阀芯被污物卡死，无法移动，使两出口流量不同，从而导致进入两纵移油缸的液压油量不同，致使两主梁走行不同步。对主阀芯进行清洗、装配好后重新安装在油路中，运行发现两主梁纵移走行同步良好，从而确定故障原因为X5。

4 结束语

文章介绍了故障树分析法，并通过发生的故障实例介绍了故障树的分析程序。通过对故障树进行定性分析，快速有效地找出故障发生的原因，减少了不必要的工作，节省了诊断时间，取得了较好的效果。

参考文献

[1]苏凡囤.基于FTA的轮式推土机液压系统故障模式研究[J].中国工程机械学报，2012（3）：21-26.

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中图分类号：TP277 文献标识码：A

1故障树分析法的特点

故障树分析法简称FTA（Failures Tree Analysis）模型是一个根据被诊断对象结构、功能特征的建立的模型，是一种定性的因果模型，顶事件作为系统最不希望发生的事件，中间事件和底事件是可能导致顶事件发生的其它事件，用逻辑门表示事件与事件之间联系，故障树是一种倒树状的结构。反映了特征向量与故障向量（故障原因）之间的全部逻辑关系。

故障树分析法的特点是：

（1）通过定性分析，可帮助弄清系统的故障模式，找出系统的薄弱环节。通过对各种基本事件进行安全控制的优先级别顺序，采取措施以确定各基本事件对故障影响的程度，为制定科学合理的故障树提供了基本依据。

（2）故障树的因果关系直观、清晰。对导致出现故障的各种原因及逻辑关系可以做出全面、形象、简洁的判断，使有关人员了解故障点的出现原因和处理措施。

（3）通过定量分析，再依据各基本事件可能出现的概率，计算出故障发生的概率，为实现系统的最优安全控制目标提供一个具体量的概念，这也有助于其它各项指标的量化处理。

2故障树的生成方法及步骤

近年来相继出现了一些较好的算法和程序，但计算机建树系统仍不完善，对于近年出现的计算机算法所适用范围各有差异，至今未出现比较规范和系统化的算法。本文采用传统的故障树分析法，由于有前期大量工作的基础，对系统设备故障的统计分析，继而采用传统故障树分析方法。

以系统化和规范化的算法作为故障树分析法的出发点，通过提出的在建立在描述元件（部件）故障模型的基础上，基于系统分析利用邻接矩阵确定系统故障树顶部结构。通过子要素级别分析，强连接关系识别和基本子要素的确定，最终自动生成故障树的方法。应用该方法大大增强了故障树的可读性，简化了系统故障树生成的复杂性，为故障树生成节省大量重复劳动，使生成的故障树具有更强的理论依据和可行性。

根据以上特点，故障树分析法可适用于对复杂的动态系统进行可维修性及可靠性分析。图1为一个简单的故障树原理图。图中顶事件：系统故障，由部件A或部件B引发，而部件A的故障又是由两个元件1、2中的一个失效引起，部件B的故障是在两个元件3、4同时失效时发生。

故障树分析诊断法步骤如下：

（1）调查故障的概率。收集故障发生的概率，进行概率统计；

（2）选择合理的顶事件。一般以待诊断故障为顶事件对象；

（3）建造正确合理的故障树。这是诊断的核心与关键；

（4）故障搜寻与诊断。根据建立的故障树，对故障进行搜寻和诊断，搜寻方法有逻辑推理诊断法、最小割集诊断法等。

在建树之前，应该对所分析的系统深入细致地进行了解。因此，需要广泛收集有关系统的设计、设备技术规范、流程图、运行等技术文件和资料，并进行仔细的分析研究具体方法为：

（1）选择和确定顶事件：最不希望发生的系统故障我们确定为顶事件。一般这个事件具有明显地影响系统的正常运行、产生不稳定因素、使技术性能下降等特征。但顶事件必须有明确的定义，而且一定是可以分解的。有时最不希望发生的故障状态不止一个，因而一个系统需要建几棵树，所以一般顶事件并不是唯一的。

（2）自上而下的建造故障树：在确定顶事件之后，将它作为第一行，找出导致顶事件的所有可能的直接原因，作为第一级中间事件，把它们用相应的事件符号表示出来，并用适合于它们之间逻辑关系的逻辑门符号与顶事件相连接，然后逐级向下发展，直到找出引起系统失效的全部原因，作为底事件。这样，就得到了一棵倒置的故障树。

建立故障树应从以下几方面入手：

（1）收集和调查系统事故资料。收集、调查系统的已有故障资料和类似系统的故障资料。