机械可靠性设计与应用

    随着科学技术的不断发展，在设计领域，可靠性技术日益
受到各行各业人们的关注。目前，可靠性技术已经成为科研和
生产不可缺少的内容。
    可靠性工程是以产品寿命特征为研究对象的一门新兴的
边缘学科。可靠性理论在许多领域都得到广泛的发展和应用，
并成为产品设计、生产和管理的质量指南，可靠性也日渐成为
工科学生学习的内容。    、
    本书共分为7章。第1章介绍了可靠性的基本概念、定
义、基本特征等。第2章介绍了可靠性的数学基础以及常用概
率分布。第3章介绍了可靠性的基本原理及干涉模型、设计变
量的统计原理与方法。第4章介绍系统可靠性设计与分析，从
系统的角度进行可靠性预测和可靠性分配。第5章主要介绍
故障树分析的有关内容以及故障树的定量分析与定性分析。
第6章主要介绍模糊可靠性方法。第7章是作者近几年来的
有关复杂钢结构可靠性的应用实例的研究结果。
    在编写过程中，参阅了大量文献并引用了部分文献的研究
成果，特此向相关作者致谢。
    本书的主要读者对象是工科本科生，也可供工程技术人员
和科研人员参考。限于水平，不妥之处，热忱希望广大读者批
评指正。
    作者
    2008年1月于太原

 故障树分析法
5．1概述
5．1．1故障树分析法简介
    故障树分析法简称FTA(fault tree analysis)，是与可靠性框
图法等价的系统可靠性分析方法。框图法分析的着眼点是系统的
可靠性，而故障树分析法考察系统可靠性时，则是从系统的不可靠
(即故障)人手的。
    20世纪60年代，人们主要采用框图分析法对系统进行可靠
性分析。但是随着大型复杂系统的建立(如洲际导弹、宇航、核电
站等)，对系统的可靠性要求愈来愈高。要对大型复杂系统作出可
靠性分析，建立逻辑框图成了十分困难的事。框图分析法只能求
出一些简单系统的某特定时刻的工作概率，同时框图分析法很难
清楚地把人的影响和环境的影响表示出来。于是人们去寻找新的
途径，努力研究简便易行的新的分析方法。
    1961年美国贝尔实验室首先开始使用故障树分析法，用于民
兵导弹的发射控制系统可靠性研究中，取得了很大成功。研究报
告在1965年波音公司系统安全年会上发表，引起了学术界的重
视。其后波音公司研制出了FTA的计算机程序，进一步推动了
它的发展。美国洛克希德公司又将FTA应用于大型客机L一1011
的安全J生可靠性评价中，建立了30余棵故障树，大大提高了客机
的安全性。到20世纪60年代中期，FTA从宇航领域进入核工业
和其他领域。1974年美国原子能委员会发表了WASH一1400反
应堆安全分析报告(即《美国商用核电站事故风险评价报告(草
案)》)，报告中应用了事件树和故障树分析法，取得了很大的成功，
使故障树分析法在全世界范围内得到了普遍重视。近30年来
 FTA发展十分迅速，其理论日趋完善，其应用已从宇航、核能等领
域进人到了一般电子、电力、交通、化工、机械等各个领域，同时在
社会安全、经济管理领域也开始得到应用。现在国际上已公认故
障树分析法是可靠性、安全性分析的一种简单、有效、有发展前途
的方法。科技工作者也愈来愈多地采用FTA作为评价系统可靠
性和安全性的手段，用FTA来预测和诊断故障、分析系统的薄弱
环节、指导使用和维修、实现系统设计的*优化等等。
    故障树分析法是一种图形演绎方法，是故障事件在一定条件
下的逻辑方法。它是用一种特殊的倒立树状逻辑因果关系图，清
晰地说明系统是怎样失效的。故障树分析法的基本思想是：
    把系统故障作为顶端事件，然后沿着这样的思路进行分析：首
先分析人员应该提出并回答“哪些直接因素能够造成顶事件的出
现”，并罗列出来A、B、C等等，其次针对罗列出来的因素A、B、C
等，再找出它们中每一个发生的下一级因素是哪些，按照这个线索
步步深入下去，一直追溯到系统的*基本事件为止。将上述各种
级别的事件和诱发因素通过逻辑关系联系起来，就形成了一个树
状逻辑图，称为故障树(FT)。根据故障树，分析系统发生故障的
各种原因和系统可靠性特征量，就是故障树分析法——FTA。
    故障树分析法的主要特点如下：
    (1)故障树分析是一种图形演绎法，是故障事件在一定条件
下的逻辑推理方法。它不局限对系统作一般的可靠性分析，它可
以围绕一个或一些特定的故障状态，作层层深入的分析。因而能
在清晰的图形下表达出系统的内在联系，并指出单元故障与系统
故障之间的逻辑关系。其直观性强。
    (2)故障树分析能反映出系统的外部因素(环境因素、人为决
策错误等)对系统故障的影响，应用起来比较灵活。
    (3)故障树分析法把系统的故障与组成系统各单元的故障有
机地联系在一起，可以找出系统的全部可能的失效状态。故障树
本身也是一种形象化的技术资料，在它建成以后，对系统的管理和
运行人员也起到了直观教学和维修指南的作用。
     (4)故障树分析法常用于分析复杂系统，因此它离不开计算
机软件，目前应用于故障树分析方面的软件，从定性、定量、图形化
等方面都取得很大发展。
    (5)FTA要比可靠性框图更实用、灵活、直观，它可以表示人
为因素及环境的影响、多状态系统、非单调关联系统、相依关系等。
它的困难在于在建故障树时，需找出系统单元的所有故障模式，往
往难免会有遗漏。
    FTA在以下几方面尚待深入研究：自动建树、非单调关联系
统FTA、多状态系统FTA、相依底事件FTA、FTA的组合爆炸困
难(计算量随故障树规模按指数增长)、可修系统首次故障时间分
布和平均寿命计算及数据库等。
5．1．2 FrA的步骤和注意事项
    建树工作要求建树者对于系统及其各个组成部分有透彻的了
解，应由系统设计人员亲自建树，同时与其他方面专家密切合作。
建树是一个多次反复、逐步深入完善的过程。
    5．1．2．1故障树分析法的步骤  ．
    (1)选择合理的顶事件，确定系统的边界条件。若FTA的任
务是分析已发生的故障的原因，则顶事件是给定的，无需选择；若
FTA是预测系统会发生何种故障，并分析造成故障的原因时，就
要正确地选择顶事件。选择时应认真分析，不能遗漏重大故障。
同时还要确定出系统的各种边界条件，以利正确建树。
    (2)建造故障树。对于复杂系统，建树时应按系统层次由上
至下逐级展开。
    (3)简化故障树。在明确定义系统接口和进行合理假设的情
况下，可以对所建故障树进行必要的简化。对于复杂庞大的故障
树可应用模块分解法、逻辑简化法和早期不交化方法等进行合理
的简化。