doc72. Szkoda M., Kaczor G.: Analiza przyczyn i skutków uszkodzeń
download 
Reklamacja Transkrypt
72. Szkoda M., Kaczor G.: Analiza przyczyn i skutków uszkodzeń
POJAZDY SZYNOWE 2/2014 ANALIZA PRZYCZYN I SKUTKÓW USZKODZEŃ (FMEA) W ZASTOSOWANIU DO POJAZDÓW SZYNOWYCH dr inż. Maciej Szkoda, mgr inż. Grzegorz Kaczor Politechnika Krakowska, Instytut Pojazdów Szynowych al. Jana Pawła II 37, 31-864 Kraków tel.: 12-374-33-10, fax.: 12-374-33-11 e-mail: [email protected], [email protected] Słowa kluczowe: analiza FMEA, ocena ryzyka, pojazd szynowy. Streszczenie W pracy przedstawiono wskazówki metodologiczne zastosowania analizy FMEA do oceny zagrożeń eksploatacji pojazdów szynowych. Systematyczna metoda oceny ryzyka występowania zagrożeń dla poprawnej eksploatacji pojazdu umożliwia identyfikację zdarzeń krytycznych a także planowanie i realizację działań prewencyjnych. Szczególną uwagę zwrócono na procedurę postępowania przy aplikacji metody dla potrzeb i wymagań branży kolejowej. Opracowano przykładowy arkusz FMEA dla zestawu kołowego jako jednego z podsystemów pojazdu szynowego. Z racji znacznej objętości tego arkusza, zamieszczono jedynie jego fragment. Jako podstawę do opracowania wykorzystano normę IEC 60812:2006, oparto się również na wybranych dokumentach branżowych i innych specjalistycznych opracowaniach. 1 WPROWADZENIE Wzrastające wymagania dotyczące bezpieczeństwa pojazdów szynowych, wymuszają konieczność stosowania systemowych metod jego oceny, które stanowią połączenie klasycznych technik i narzędzi analizy ryzyka. Jego określenie wiąże się przede wszystkim z identyfikacją rodzajów potencjalnych uszkodzeń, ich przyczyn oraz opisem wpływu na prawidłowe funkcjonowanie pojazdu (obiektu). Stanowi to podstawę do podjęcia działań zapobiegawczych, które mogą zwiększyć bezpieczeństwo eksploatacji. Jedną z metod stosowanych do oceny ryzyka jest metoda Failure Mode and Effects Analysis (FMEA). Została ona opracowana w Stanach Zjednoczonych i wydana w 1949r. pod postacią dokumentu MIL-P 1629 „Procedure for Performing a Failure Mode, Effects and Criticality Analysis”. Obecnie jest stosowana w przemyśle jako metoda wspomagania procesów zarządzania ryzykiem przedsiębiorstwa. Dzięki elastyczności dopasowania procedury postępowania metody do specyfiki analizowanego obiektu, może być wykorzystywana szczególnie w przypadku złożonych systemów i procesów [2,4,8,9,10]. Kluczowym zadaniem analizy FMEA jest ocena ryzyka związanego z występowaniem potencjalnych zagrożeń, które zostały wcześniej zidentyfikowane. Celem analizy FMEA jest również podjęcie działań mogących ograniczyć lub wyeliminować występowanie tych zagrożeń, poczynając od tego najbardziej znaczącego a skończywszy na tych marginalnych. Może POJAZDY SZYNOWE 2/2014 być ona wykorzystana do zarządzania priorytetami podejmowania określonych czynności prewencyjnych. 2 KIEDY WYKONYWAĆ ANALIZĘ FMEA Analiza FMEA dla środków transportu szynowego powinna być wykonywana wtedy, gdy potencjalne uszkodzenia elementów tych obiektów mogą zagrażać bezpieczeństwu zdrowia i życia ich eksploatatorów oraz innych osób przebywających w bezpośrednim otoczeniu. Wskazane jest również prowadzenie tej analizy, gdy niepożądane zdarzenia oddziałują na środowisko naturalne. Na rys. 1 przedstawiono wykres zależności kosztów całkowitych LCC od fazy cyklu życia obiektu technicznego. Pod koniec fazy projektowania około 15% kosztów całkowitych pojazdu jest już poniesionych, ale aż 95% jest zablokowanych. Rys. 1 Koszty LCC na różnych etapach cyklu życia obiektów technicznych [12] 3 PROCES WYKONYWANIA ANALIZY FMEA Proces wykonywania analizy FEMA jest określony w różnych dokumnetach, przykła- dowo: MIL-STD-1629A, IEC 60812 „Analysis Techniques for system Reliability – Procedure for Failure Mode and Effect Analysis (FMEA)”, BSI BS 5760-5:1991 “Reliability of systems, equipment and components. Guide to failure modes, effects and criticality analysis (FMEA and FMECA), IMO MSC Resolution 36(63) Annex 4 – Procedures for Failure Mode and Effects Analysis. POJAZDY SZYNOWE 2/2014 Należy zaznaczyć, iż w każdym z ww. dokumentów opis procedury postępowania przy wykonywaniu analizy FMEA różni się w niewielkim stopniu. Wynika to z dostosowania możliwości wykonywania określonych procedur w odrębnych systemach technicznych [12]. 3.1. ZALECENIA Zalecenia dotyczące wykonywania analizy FMEA odnoszą się przede wszystkim do fazy projektowania pojazdów, w której można określić w jakim stopniu czy obiekty te będą spełniać określone wymagania związane z realizacją swoich funkcji użytkowych. Wczesna identyfikacja przyczyn potencjalnych uszkodzeń pozwala ograniczyć ich występowanie. Może ona wskazywać wybór właściwego procesu technologicznego na etapie wytwarzania. Szacuje się, że ok. 80% możliwych przyczyn niezdatności pojazdu, jest wykrywalne na etapie projektowania. Wprowadzanie zmian w konstrukcji pojazdu na etapie jego eksploatacji w celu zmniejszenia ilości przyczyn nieprawidłowego funkcjonowania jest znacznie bardziej kosztowne niż dokonanie tego w fazie projektowania. Podwyższenie niezawodności pojazdu w trakcie eksploatacji polega w zasadzie na jego modernizacji. Jako, że rzeczywista trwałość i niezawodność obiektów różni się od zakładanych wielkości, prowadzenie analizy FMEA nie ogranicza się tylko do jednego procesu, lecz wymaga cyklicznego stosowania w celu ciągłego doskonalenia obiektu analizy. Procedurę wykonania analizy FMEA przedstawia rys. 2 [2]. Pojazd Zagrożenia Konsekwencje Prawdopodobieństwo wystąpienia Łatwość wykrycia Ryzyko = S×O×D Akceptowane Nie Modyfikacje Tak Koniec Rys. 2 Procedura wykonania analizy FMEA w odniesieniu do pojazdu szynowego (opr. własne na podst. [13]) 3.2. STRUKTURA FUNKCJONALNA POJAZDU Struktura funkcjonalna pojazdu przedstawia relacje zachodzące między jego elementami, które warunkują utrzymanie wszystkich wskaźników eksploatacyjnych w określonych przedziałach w taki sposób, aby nie przekraczały one wartości granicznych, nie powodując POJAZDY SZYNOWE 2/2014 przy tym utraty funkcjonalności pojazdu. Aby stworzyć tego typu strukturę należy dokonać dekompozycji pojazdu a następnie sporządzić dokumentację z wykazem funkcji użytkowych oraz dopuszczalnymi warunkami eksploatacji dla wszystkich jego elementów. Ułatwia to systematyzację i przyczyn powstawania uszkodzeń. Przykład schematu uniwersalnej struktury pojazdu szynowego przedstawiono na rysunku 3. Rys. 3 Schemat uniwersalnej struktury pojazdu szynowego z wyszczególnieniem wybranych podsystemów i ele- mentów [13] 3.3. PRZYGOTOWANIE ARKUSZY FMEA W celu dokonania analizy FMEA należy zgromadzić niezbędne informacje związane z opisem pojazdu szynowego, ukazujące w jakim stopniu uszkodzenia poszczególnych elementów wpływają na realizację jego wszystkich funkcji użytkowych. Zbiór tych informacji umieszczany jest w specjalnych arkuszach, których wzory można znaleźć w normach branżowych oraz innych dokumentach poświęconych analizie FMEA. Wysoki stopień złożoności współczesnych środków transportu szynowego wymaga czasochłonnego procesu identyfikacji i porządkowania przyczyn oraz skutków uszkodzeń, co znacznie komplikuje procedurę wyznaczania wartości niezbędnych miar liczbowych. Dlatego też analizy te wspomagane są specjalistycznymi oprogramowaniem CARE (Computer Aided Reliability Engineering), które oferują możliwości tworzenia bibliotek uszkodzeń a także posiadają gotowe zbioru parametrów niezawodności dla maszyn i urządzeń z różnych obszarów działalności człowieka. Fragment arkusza FMEA dla pojazdu szynowego przedstawiono w tabeli 1 [1,5,6,7]. POJAZDY SZYNOWE 2/2014 Tabela 1 Fragment arkusza FMEA dla pojazdu szynowego Failure Modes and Effects Analysis Skład zespołu: Ocena wizualna stanu powierzchni tocznej Nadmierne podcięcie obrzeża koła Wykolejenie wagonu podczas przejazdu na łuku Jazda po łukach o niewielkich promieniach Oględziny wzrokowe, pomiarowych z wykorzystaniem sprawdzianu i narzędzi Wykruszenia na powierzchni tocznej koła Wzrost hałasu tocznego Pęknięcie termiczne na powierzchni tocznej Ocena wizualna stanu powierzchni tocznej Nadmierny wzrost obciążeń dynamicznych zestawu kołowego Ocena wizualna stanu technicznego koła Przeciążenia termiczne spowodowane niewłaściwym działaniem hamulca Ocena wizualna stanu technicznego koła Pęknięcia obwodowe Pękniecie lub wieńca koła, promieniowe wykolejenie na powagonu wierzchni wieńca koła Pęknięcia obwodowe Pękniecie lub promie- tarczy koła, niowe na wykolejenie powierzchni wagonu tarczy koła Detection Occurrence Zablokowanie zestawu kołowego podczas jazdy wagonu RPN Wzrost hałasu tocznego Podjęte działania D Płaskie miejsca na powierzchni tocznej koła Wyniki działań Zalecane Odpowiedzialny, działania data O Metody wykrywania Data: S 1. Układ biegowy 1.1 Zestaw kołowy Przyczyny uszkodzenia RPN Podsystem/ Rodzaj Skutki Element podzespół uszkodzenia uszkodzenia Koordynator: Severity Przedmiot analizy FMEA: WAGON TOWAROWY POJAZDY SZYNOWE 2/2014 3.3.1. OKREŚLENIE POTENCJALNYCH RODZAJÓW USKODZEŃ Rodzaje uszkodzeń powinny być określone dla wszystkich elementów pojazdu. Należy wśród nich wyróżnić takie czynniki jak m. in.: uszkodzenia całkowitych, uszkodzenia częściowych, niewłaściwa eksploatacja, uszkodzenia uniemożliwiające okresem eksploatacji, zakończenie działania przed wyznaczonym uszkodzenia powodujące przejście do stanu niepełnej zdatności. Organizacja RAC (Reliability Analysis Center) opracowała specjalny dokument, który ułatwia przyporządkowanie rodzaju uszkodzenia elementom złożonych systemów technicznych (np. elementom półprzewodnikowym, mechanicznym, elektromechanicznym, itp.) 3.3.2. OKREŚLENIE POTENCJALNYCH SKUTKÓW USKODZEŃ Potencjalne skutki uszkodzeń identyfikowane są zarówno na poziomie elementu (lokalnie) jak i na poziomie całego pojazdu (globalnie). Na tej podstawie wyznaczane są wartości współczynnika Severity (S), które tworzą ranking krytycznych rodzajów uszkodzeń. 3.3.3. OKREŚLENIE POTENCJALNYCH PRZYCZYN USKODZEŃ W tej sekcji wytypowane zostają najbardziej prawdopodobne przyczyny potencjalnych uszkodzeń. Dzięki ich identyfikacji ułatwione będzie opracowanie systemu utrzymania uwzględniającego działania bieżące i prewencyjne, które wpłyną na poprawę niezawodności obiektu w trakcie jego eksploatacji [12]. 3.3.4. OKREŚLENIE METOD WYKRYWANIA USKODZEŃ Ustalenie wytycznych dotyczących zapobiegania występowaniu uszkodzeń system jest kolejnym etapem analizy FMEA. Istnieje wiele metod wykrywania potencjalnych zagrożeń, niektóre z nich są wspomagane sprzętowo lub za pomocą specjalistycznego oprogramowania komputerowego. Kluczowe znaczenie ma także wprowadzenie prewencyjnego sytemu utrzymania [12]. POJAZDY SZYNOWE 2/2014 3.3.5. WYZNACZENIE WARTOŚCI WSKAŹNIKA RPN Ryzyko wystąpienia każdego zidentyfikowanego rodzaju uszkodzenia może być wyrażone za pomocą wskaźnika Risk Priority Number (RPN), na które składa się wpływ na działanie systemu (Severity), prawdopodobieństwo wystąpienia uszkodzenia (Occurrence), prawdopodobieństwo wcześniejszego wykrycia możliwego uszkodzenia (Detection). Wskaźnik RPN jest wyrażony następującą zależnością [5]: RPN i Si Oi Di (1) Wartość Severity Si , określane jako stopień wpływu danego uszkodzenia na działanie systemu. Wg opracowania MIL-STD-1629A jest przedstawiana jako miara liczbowa z przedziału <0; 4> (tabela 1) [5]. Wartość Occurrence Oi jest współczynnikiem określającym prawdopodobieństwo wystąpienia danego rodzaju uszkodzenia. Prawdopodobieństwo to jest związane z intensywnością uszkodzeń. Można również dokonać kwantyfikacji jakościowej tego współczynnika (tabela 2) [5]. Wartość Detecion Di , jest współczynnikiem określającym prawdopodobieństwo wykrycia potencjalnego uszkodzenia. Parametr ten wprowadza istotny punkt widzenia, który nie zawsze jest brany pod uwagę przy innego rodzaju analizach. Trudność wcześniejszego wykrycia zagrożenia dla właściwego działania systemu może być przedstawiony jako znaczący problem powodujący wzrost wrażliwości oddziaływania elementów na system (tabela 3) [5]. Tabela 2 Skala współczynnika Severity wg MIL-STD-1629A [5] Wartość Kategoria 1 Kategoria IV – o najmniejszym znaczeniu 2 Kategoria III – o mniejszym znaczeniu 3 Kategoria II – krytyczne 4 Kategoria I – katastrofalne Opis Uszkodzenie nie na tyle poważne, żeby mogło powodować zatrzymanie działania systemu jednak wymaga podjęcia nieplanowych czynności obsługowych Uszkodzenie, które może powodować mało znaczące skutki dla poprawnego działania systemu. Może powodować obniżenie współczynnika gotowości technicznej systemu Uszkodzenie, które może powodować znaczne skutki przyczyniające się do zatrzymania działania systemu Uszkodzenie, które może powodować straty ludzkie lub utratę części uzbrojenia systemu (np. dla statków powietrznych, czołgów, rakiet, statków itp.) POJAZDY SZYNOWE 2/2014 Tabela 2 Skala współczynnika Occurence wg MIL-STD-1629A [5] Wartość Kategoria 1 Poziom E – praktycznie niemożliwe 2 Poziom D – odległe 3 Poziom C - sporadyczne 4 Poziom B – możliwe 5 Poziom A - częste Opis Prawdopodobieństwo wystąpienia jest bliskie zeru w danym okresie eksploatacji. Dla dowolnego rodzaju uszkodzenia wynosi mniej niż 0,001. Prawdopodobieństwo wystąpienia uszkodzenia w danym okresie eksploatacji jest większe niż 0,001 lecz mniejsze niż 0,01 Prawdopodobieństwo wystąpienia uszkodzenia w danym okresie eksploatacji jest większe niż 0,01 lecz mniejsze niż 0,1 Prawdopodobieństwo wystąpienia uszkodzenia w danym okresie eksploatacji jest większe niż 0,1 lecz mniejsze niż 0,2 Prawdopodobieństwo wystąpienia uszkodzenia w danym okresie eksploatacji jest większe niż 0,2 Tabela 3 Skala współczynnika Detection wg MIL-STD-1629A [5] Wartość Kategoria 1 Prawie pewne 2 Bardzo wysokie 3 Wysokie 4 Umiarkowanie wysokie 5 Umiarkowane 6 Niskie 7 Nieznaczne 8 Bardzo nieznaczne 9 Odległe 10 Praktycznie niemożliwe Opis Prawdopodobieństwo wcześniejszego wykrycie potencjalnego uszkodzenia jest bliskie jedności. Bardzo wysokie prawdopodobieństwo wcześniejszego wykrycia potencjalnego uszkodzenia. Wysokie prawdopodobieństwo wcześniejszego wykrycia potencjalnego uszkodzenia. Umiarkowanie wysokie prawdopodobieństwo wcześniejszego wykrycia potencjalnego uszkodzenia. Umiarkowane prawdopodobieństwo wcześniejszego wykrycia potencjalnego uszkodzenia. Niskie prawdopodobieństwo wcześniejszego wykrycia potencjalnego uszkodzenia. Nieznaczne prawdopodobieństwo wcześniejszego wykrycia potencjalnego uszkodzenia. Bardzo nieznaczne prawdopodobieństwo wcześniejszego wykrycia potencjalnego uszkodzenia. Odległe prawdopodobieństwo wcześniejszego wykrycia potencjalnego uszkodzenia. Praktycznie niemożliwe wcześniejsze wykrycie potencjalnego uszkodzenia. W normach i literaturze znaleźć można różne propozycje dotyczące ilości kategorii i ich skali numerycznej. Ilość kategorii, ich skala oraz opis powinien być dopasowany do potrzeb obiektu, będącego przedmiotem analizy, np. pojazdu. POJAZDY SZYNOWE 2/2014 3.3.6. OPRACOWANIE PLANU DZIAŁAŃ ZAPOBIEGAWCZYCH Opracowanie planu działań zapobiegawczych jest jednym z najistotniejszych etapów analizy FMEA. Dokonuje się go wówczas, gdy w ocenie zespołu eksperckiego wyznaczona wartość wskaźnika RPN jest zbyt wysoka. Proponowane działania powinny być uwzględnione w systemie utrzymania pojazdu szynowego. Następnie, po ponownym obliczeniu wartości RPN, weryfikowane jest ryzyko wystąpienia zagrożenia. Jeżeli jego poziom jest akcpeptowalny – analiza FMEA dobiega końca, jeżeli nadal jest ono powyżej dopuszczalnej granicy – podejmowane są kolejne działania zapobiegawcze [7]. 4 PODSUMOWANIE FMEA jest skuteczną metodą jakościowego analizy niezawodności. Jest stosowana do analizy systemów jak i procesów. Ustala systematyczne podejście wymagające znajomości wszystkich znanych lub spodziewanych rodzajów uszkodzeń. Zwykle przeprowadzenie analizy FMEA skutkuje podjęciem działań mających na celu zredukowanie ilości uszkodzeń a następnie ponownej analizie wartości RPN i weryfikacja słuszności podjętych działań. Kładąc nacisk na punkt widzenia konsumenta, zwiększona niezawodność i efektywność działania produktu. Bibliografia [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] Chruzik K., Drzewiecki A., Wachnik R.: Wykorzystanie metody FMEA do oceny ryzyka w MMS. Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej. Seria: TRANSPORT z. 81/2013, s. 17-23. Folajewska A.: Analiza FMEA – zasady, komentarze, arkusze. Verlag Dashofer Sp. z o.o. Warszawa, 2010. Little David M. : Failure Modes and Effects Analysis. Tyco Electronics Corp. Kaczor G.: Niezawodność wybranych par ciernych pierścień tłokowy - tuleja cylindrowa. Czasopismo Techniczne z. 9-M/2012r., 101-110 Manzini R, Regattieri A, Pham H, Ferrari E. Maintenance for Industrial Systems. Springer-Verlag Gmbh, 2010. O’Conor PDT, Newton D, Bromley R. Practical Reliability Engineering. 4th ed. John Wiley & Sons Ltd.; 2000. Pamuła W.: Niezawodność i bezpieczeństwo. Wybór zagadnień. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej. Gliwice 2011. Sitarz M., Chruzik K., Wachnik R.: Zastosowanie metod RAMS i FMEA w systemach zarządzania bezpieczeństwem kolejowym. Journal of KONBIN 4(24)2012. Szkoda M. Assessment of Reliability, Availability and Maintainability of Rail Gauge Change Systems, Eksploatacja i Niezawodnosc – Maintenance and Reliability, 2014 (w druku). Szkoda M. Wskaźniki niezawodności środków transportu szynowego, Logistyka 3/2012, 2195-2202. Villacourt M.: Failre Mode and Effects Analysis (FMEA): A Guide for Continuous Improvement for the Semiconductor Equipment Industry. SEMATECH Inc., 1992. POJAZDY SZYNOWE 2/2014 [12] [13] Guidance on Failure Mode & Effects Analyses (FMEAs). The International Marine Contractors Association (IMCA). IMCA M 166, April 2002. PN-IEC 60812:2006, Techniki analizy nieuszkadzalności systemów – Procedura analizy cyklu życia. PKN, Warszawa 2006.
