Диссертация на соискание звания " Мастер триз " Научный руководитель Мастер триз рубин Михаил Семенович Санкт Петербург 2011 Page 2
 Скачать 1.49 Mb.
|
|
Particles are created between the 0.2 um and 20 um filters There is some gas dissolved in the water 20 um filter doesn’t stop particles and gas bubbles Self-excited oscillations occur in the high pressure system 0.2 um filter doesn’t stop particles and gas bubbles Particles, debris and gas bubbles are created before the 0.2 um filter Inverted Key Problems Formulation 1. How to introduce particles and debris in the high-pressure system before the 0.2 um filter? 2. How to create particles between the 0.2 um and 20 um filters? 3. How to let particles pass through 0.2 um filter? 4. How to let big particles (>35 um) pass through 20 um filter? 5. How to introduce gas in the high-pressure system? 6. How to create self-excited oscillations in the high-pressure system? Рис . 26. Диверсионные задачи , решение которых приведет к нарушению формирования водяной струи Page 65 Copyright 2003 GEN3 Partners 67 High force is applied to the screw fastening of the cross-roller slides Something becomes stuck between the ASR and hand piece Debris are introduced into the water jet drive The screw fastening of the cross-roller slides is weak Inverted Key Problems Formulation 7. How to apply force to the barrel that exceeds the strength of the cross-roller slide’s fastening to the Hydrokeratome case? 8. How to introduce debris into the water jet drive? 9. How to introduce debris between the ASR seat and hand piece? Рис . 27. Диверсионные задачи , решение которых приведет к нарушению траектории движения водяной струи относительно роговицы Copyright 2003 GEN3 Partners 84 Inverted Key Problems Formulation 10. How to overdrive the Hydrokeratome component * or make it work at the breaking point? 11. How to make operating conditions (humidity, temperature, pressure, etc.) inappropriate for the Hydrokeratome component * ? * This is applicable to the following components: • vacuum solenoid valve • vacuum pump • vacuum, nitrogen and high pressure transducers • high-pressure valve • pressure intensifier • nitrogen pressure regulators • DC motor • controller • Aspiration pump The operating conditions (humidity, temperature, pressure, etc.) are inappropriate for the component The component becomes overdriven or works at the breaking point Рис . 28. Диверсионные задачи , связанные с созданием условий для естественных отказов компонентов Гидрокератома Page 66 7. Произведем анализ условий и режимов работы стандартных узлов , перечисленных на Рис . 28, на предмет их соответствия штатным условиям и режимам эксплуатации . В результате проверки режимов и условий работы стандартных узлов и деталей , перечисленных на Рис . 28, было выявлено следующее : • Усилитель давления сильно перегружен Он работает за пределами своей рабочей области ( Рис . 29) и долго в таком режиме работать не может Заказчик признал , что этот узел часто выходит из строя и требует замены • Датчик давления азота работает при давлении , близком к предельному для него ( Рис . 30). Его рабочее давление было равно 91 psi и Заказчик хотел увеличить его до 100 psi, тогда как предельное давление для этого датчика - 101,5 psi. В этих условиях небольшое случайное повышение давления в системе может вывести датчик из строя или исказить его показания • Датчики вакуума (vacuum transducers) работают в нештатных условиях высокой влажности ( Рис . 31), в то время как эти датчики предназначены для работы в сухой атмосфере Производитель прямо указывает , что повышенная влажность резко снижает надежность этих датчиков • Контроллер Гидрокератома работает в условиях повышенной влажности и вибрации ( Рис . 32). Влага конденсируется на расположенных рядом с контроллером шлангах и других элементах пневматической системы , в которых азот , расширяясь , совершает работу и охлаждается Вибрации передаются на контроллер от усилителя давления , насосов и клапанов пневматической системы , которые расположены на одном шасси с ним Таким образом , каждый из этих четырех компонентов может выйти из строя в любой момент , что способно вызвать небольшие или ( менее вероятно ) критические НЭ в надсистеме 8. Произведем анализ условий успешных испытаний Гидрокератома на предмет их соответствия штатным условиям его работы . Некоторые испытания Гидрокератома приходили в клинике , в настоящей операционной Несущественным отличием от реальных условий коммерческой эксплуатации было то , что операция отделения лоскута проводилась на слепых добровольцах и не сопровождалась последующей абляцией Существенным же отличием было то , что все испытания носили кратковременный характер , тогда как в реальной клинической практике LASIK- процедура поставлена на поток и оборудование работает длительное время Таким образом , можно сделать вывод , что в реальных условиях отказы Гидрокетатома , включая отказы его компонентов ( см предыдущий шаг анализа ), будут происходить значительно чаще , чем это происходило в условиях лабораторных испытаний Page 67 Copyright 2003 GEN3 Partners 85 http://www.hii-pumps.com/images/LP500B.pdf Currently used pressure Intensifier 3L-SS-220 P re s s u re , p s i Liquid flow (cu. in./min. ) http://www.bspump.com/pages/haskel/d1_3hp_3.htm New pressure intensifier MS-188 Guaranteed operating area ?15000 psi Extrapolated area Actual operating point: 20000 psi 1.5 cu.in/min • The operating water pressure in the Hydrokeratome is 20,000 psi, which is far above the maximum pressure of 15,000 psi that the manufacturer guarantees for the currently used pressure intensifier and for the new pressure intensifier as well. • Both pressure intensifiers can hardly provide the water discharge rate required for normal operation of the Hydrokeratome. Identified Solutions for inverted Key Problem 10 (1) Technical characteristics of the pressure intensifier: The pressure intensifier is greatly overdriven and is working at the breaking point! Рис . 29. Результаты анализа : усилитель давления сильно перегружен Copyright 2003 GEN3 Partners 86 (http://e-www.motorola.com/files/sensors/doc/data_sheet/MPX5700.pdf) The normal gas pressure in the nitrogen transducer XD3 in the existing pneumatic system is 91 psi. When the new pressure intensifier is used, the pressure in the transducer will be about 100 psi, which is very close to its maximum operating pressure of 101.5 psi guaranteed by the manufacturer. The nitrogen pressure transducer is working at the breaking point! If the pressure in the pneumatic system increases slightly , for example, due to a failure in the nitrogen pressure regulator, the transducer will fail to give the correct data to the controller and the whole system could fail . Identified Solutions for inverted Key Problem 10 (2) * See the block diagram of the pneumatic system Technical characteristics of the the pressure transducer XD3 * : Рис . 30. Результаты анализа : датчик давления азота работает на границе штатного режима эксплуатации Page 68 Copyright 2003 GEN3 Partners 87 Identified Solutions for inverted Key Problem 11 (1) * See the block diagram of the vacuum system The vacuum transducers are working in inappropriate operating conditions! They are designed to work only on dry air, but the air in the vacuum system is humid because it comes from the water jet operating area that contains a sufficient amount of water. This will eventually cause failure in both transducers . They will give wrong readings to the controller, which could cause a cutting error . Technical characteristics of the pressure transducers XD1, 2 * : (http://e-www.motorola.com/files/sensors/doc/data_lib/DL200.pdf) ; http://e-www.motorola.com/files/sensors/doc/data_sheet/MPX5100.pdf) Humid air dramatically increases the probability of the pressure transducer’s failure. Рис . 31. Результаты анализа : датчики вакуума (pressure transducers или vacuum transducers) работают в нештатных условиях высокой влажности Copyright 2003 GEN3 Partners 76 Identified Solutions for inverted Key Problems 11(2) High humidity inside the console can cause failures in electronic components, connectors, etc. Water condensates on the cold components and remains inside the console close to the electronic system increasing the humidity Nitrogen decompresses in the regulators, valves, mufflers, pressure intensifier, and tubing and cools them In addition, all vibrations from the pumps, valves, intensifier and tubing affect the electric cables, connectors and electronic boards , which can cause their failure Рис . 32 Результаты анализа : контроллер работает в условиях повышенной влажности и вибрации Page 69 9. Решим сформулированные ключевые диверсионные задачи ( Рис . 26, Рис . 27), используя имеющиеся в Гидрокератоме и его надсистеме ресурсы . Все сформулированные на шаге 6 диверсионные задачи были решены с использованием имеющихся в Гидрокератоме ресурсов На Рис . 33- Рис . 37 приведены примеры решения нескольких из этих задач , иллюстрирующие возможность появления наиболее вероятностных серьезных НЭ : • Твердые частицы разными путями легко могут проникать в гидравлическую систему Гидрокератома или образовываться внутри нее ( Рис . 33, Рис . 34). • Фильтры с порами 0,2- мкм и 20- мкм , предназначенные для задерживания этих частиц , вполне могут пропустить крупную ( более 35 мкм ) частицу ( Рис 34- Рис . 36), которая застрянет в выходном сопле и блокирует или отклонит струю Не презентации результатов проекта Заказчик признал , что как раз такой НЭ произошел накануне , во время клинического испытания прибора на слепом добровольце : во время операции водяная струя внезапно отклонилась внутрь глазного яблока и прорезала его Если бы глаз был зрячий , зрение , скорее всего , было бы потеряно • Крепление направляющих , по которым водяной ствол перемещается в процессе реза , настолько слабое , что под действием рабочего усилия , которое хирург прикладывает к hand piece, в нем обязательно появится люфт , и юстировка положения струи нарушится ( Рис . 37). Заказчик признал , что hand piece и в самом деле часто требует длительной юстировки Copyright 2003 GEN3 Partners 52 Identified Solutions for Inverted Key Problem 1 Particles and debris could appear in the high-pressure system before the 0.2 um filter in the following ways: • They can enter the distilled water tubing from the operating-room when the water bag is disconnected from the system. • They can enter the high-pressure hose when the high-pressure connector is disconnected. • They can be scraped off the high-pressure hose and/or connector when the hand piece is being connected to the hose. • Pieces of grease (e.g. Crytox) can leave the high-pressure valve and enter the system when the valve turns the water jet on/off. • Some particles could remain in the system after preventive reassembly, etc. There are many ways for particles and debris to enter the high-pressure system. Рис . 33. Как твердые частицы и загрязнения могут появиться в гидравлической системе Гидрокератома до 0,2- мкм фильтра Page 70 Copyright 2003 GEN3 Partners 53 Water pressure Identified Solutions for Inverted Key Problems 2-3 Water jet is off Water jet is being turned on Water jet is being turned off Filter displacement 0.2 um filter deforms and shifts to and fro under the water pressure when the water jet turns on and off. This causes some particles to come off the filter . In addition to this, the filter could scrape off particles from the parts which it is in contact with (O-ring, etc.). The more clogged the filter the more severe this problem. Comment: this is what Client has already observed during the user evaluation on July 10. Besides this, the displacement of the filter could break the filter sealing and, so, the particles may penetrate it. This filter breaks down and creates particles. It also could let particles go through it. Рис . 34. Как 0,2- мкм фильтр может порождать твердые частицы , и как они могут пройти сквозь него Copyright 2003 GEN3 Partners 55 As is clearly seen from the photomicrography, pores in the filter are of different sizes and shapes. So, some large particles can penetrate the 20 um filter even if their diameter is bigger than the size of pores given in the spec on the filter. www.mottcorp.com Particle Removal Efficiency 90% at 20 µm 99% at 26 µm 99.9% at 35 µm Identified Solutions for Inverted Key Problem 4 (1) Photomicrography of the 20 um filter One 35 um particle in a thousand will penetrate the 20 um filter and obstruct the orifice! Рис . 35. 30- мкм фильтр может пропускать некоторое количество частиц размером от 35 мкм Page 71 Copyright 2003 GEN3 Partners 56 If the particle is non-spherical (as most particles are!), it will penetrate 20 um filter even if its length significantly exceeds 35um After passing through the filter, the long particle will be carried by the water jet to the orifice and will obstruct it. Identified Solutions for Inverted Key Problem 4 (2) It is physically impossible to filter out all particles that can obstruct the orifice! Рис . 36. Как частицы размером больше 35 мкм могут проходить через поры 20- мкм фильтра и блокировать сопло , формирующее водяную струю Copyright 2003 GEN3 Partners 68 Identified Solutions for Inverted Key Problem 7 Results of our calculations (example): At the applied tangential force P=1 kg, the shearing load applied to the screw will be about 12 kg while the maximum force that it can withstand is estimated to be about 8-10 kg. A model to calculate mechanical stresses in the hand piece (all dimensions are shown in mm) Screw Cross-roller slide The cross-roller slide will move when a relatively weak force is applied to the high-pressure connector. This will increase the backlash in the barrel mounting. The barrel eventually will be maladjusted! Рис . 37. Крепление поперечных направляющих , по которым водяной ствол перемещается в процессе реза , очень слабое и долго не проработает Page 72 10. Составим список возможных сценариев возникновения НЭ . Оценка вероятности возникновения выявленных системных целевых НЭ ( Рис . 22), сделанная по результатам решения диверсионных задач ( Рис . 26- Рис . 28), представлена на Рис . 38. Cop yrig ht 2 00 3 GEN 3 Part ne rs 116 Summary of the Identified System Target Effects Water jet forming failures Failures specific to how the Hydrokeratome ac tion principle is implemented Controller failures Water jet maladjustment “Natural” failures of the components Non-technical failures (misuses, oversights, etc.) The barrel positio n in the hand pi ece becomes m isadjusted Th e orifice positio n in the barrel becomes m isadjusted Th e han d pi ece becom es deformed The pressure i ntensifier fai ls The high pressure valve fai ls to turn on/off the water jet on ti me The hi gh pressu re system l eaks The contro ller fail s to turn on/off the high pressure valve on ti me The controll er fai ls to turn on/ off the dri ve on time The co ntrol ler underfeeds the DC m otor T he DC motor fai ls The water j et d ri ve becomes stu ck or obstructed The controller overfeed s the DC m otor The control ler feeds the DC m otor with voltage rippl e The fri cti on in th e drive or m oto r b ecom es irregul ar The l ock on the h and piece becomes broken or unl ocked The vacuu m system leaks or becom es clogged The vacuum pump fail s The patient suddenly mo ves hi s head The doctor accid entally pull s on the hand pi ece S omebody o r som ethi ng suddenly pull s on the tubing/ hose The water jet doesn’t in stantl y stop when the hi gh pressure val ve swi tches off The vacuum pum p becomes “overdriven ” The controller fail s to switch es off the vacuum val ve o n tim e T he vacuum so lenoid val ve fai ls to switch vacuum off T he control ler fai ls to switch off the hi gh pressure val ve instan tl y when vacuum beco mes l ow T he doctor/ techni ci an comm its a m istake/ oversig ht Something becom es stu ck between the ASR and hand piece T he vacuum so lenoid val ve turns vacuum off at the wron g tim e The ni trogen pressure regul ator fails The orifice becom es obstructed or broken S el f-exci ted o scil lations occur in the high pressure system The high pressure system prior to the ori fi ce b ecom es cl ogged Sm al l |