第五章系统的失效分析

52第五章系统的失效分析应用归纳、演绎的方法，定性或定量分析系统可能发生的失效，研究失效的原因、影响及严重程度，从而为系统的改进提供依据。第一节失效分析概述一、失效分析的作用事前设计制造交付运行保养事中事后维修或报废预测故障故障诊断故障发生紧急对策初步分析确定故障状态及评价故障特征检测与识别N能否确定故障Y假定故障原因并试验确认故障总评价确定对策实施改进措施确认报告过去的经验数据库调查分析试验研究53二、系统失效分析常用方法系统失效分析中最常采用的方法有：失效模式及影响分析(FailureModeandEffectAnalysis),简称为FMEA；失效模式、影响及致命度分析(FailureMode,EffectandCriticalityAnalysis),简称为FMECA；失效树分析(FaultTreeAnalysis),简称为FTA。1.FMEA和FTA的提出◇FMEA：1950年代初美国格鲁曼(Grumman)飞机公司将FMEA应用于战斗机操纵系统的设计分析。FMECA：为定量分析的需要，在FMEA的基础上发展而成。◇FTA：1961年美国贝尔电话研究所的H.A.Waston提出FTA，并将其应用于“民兵”导弹发射控制系统的可靠性分析。◇各国先后将FMEA、FMECA和FTA分析方法形成标准文件2.FMEA和FTA的特点◇目的相同：在系统或零部件失效分析的基础上，研究系统失效原因，进行系统可靠性或安全性的分析与评价，找出提高系统可靠性或安全性的途径。◇分析方法或途径不同FMEA：一种由下而上的定性评价法，即使没有定量的数据，也能分析出问题的所在。分析研究的途径：从组成系统的最基本的零部件可能产生的各种失效分析入手，逐级向上分析失效产生的影响，最终找出对系统的影响。FMECA：在FMEA的基础上再进行定量分析即致命度分析即为FMECA。54FTA：一种由上而下的逻辑推理方法，即可用于定性分析，也可用于定量计算。分析研究途径：从系统发生的事件开始，逐级向下找出导致上一级事件发生的各种因素（中间事件），一直找到最基本的因素（基本事件），并研究这些因素（事件）之间的逻辑关系。3.FMEA和FTA的应用◇广泛应用于各工业领域的系统失效及安全分析◇可应用于产品寿命周期的各个阶段第二节失效分析的基本概念一、失效的定义及其分类1.失效的定义失效：产品丧失规定的功能。对可修复产品而言，失效通常称为故障。产品丧失规定功能的含义：在规定条件下，产品不能完成其规定功能或产品一个或几个参数不能保持在规定范围内或导致产品不能完成其功能的零部件或结构件的失效或由于环境应力的变化而导致产品功能的丧失或由于操作失误而导致产品功能的丧失。2.失效的分类◇分类原则的确定可按失效产生的原因、失效的危害程度等原则进行分类。如汽车的故障分为：致命、严重、一般和轻微四种。◇依据产品的具体情况进行分类◇应明确定义失效的含义55表5-1失效的一般分类表分类原则失效类别定义按失效原因误用失效不按规定要求使用产品而引起的失效。本质失效在规定条件下使用，因产品固有缺陷引起的失效。独立失效不是由某种失效而引起的失效。从属失效由某种失效而引起的失效。按失效程度完全失效产品性能超过规定界限，以至完全丧失规定功能。部分失效产品性能超过规定界限，但未完全丧失规定功能。按失效可否预测突然失效通过事前的测试或监控不能预测到的失效。渐变失效通过事前的测试或监控能够预测到的失效。按失效发生速度突变失效突然完全失效。退化失效渐变而部分失效。间歇失效失效后不经修复，而在限定时间内能自行恢复功能。按失效的危害程度致命失效可能导致人员伤亡或设备重大损坏的失效。严重失效可能导致系统功能失效或显著下降或零部件失效。轻度失效不致引起系统功能下降的零部件失效。按计算可靠性指标时计入否关联失效在计算可靠性指标时必须计入的失效。非关联失效在计算可靠性指标是不必计入的失效。按产品的工作期早期失效设计和制造上的缺陷而引起的工作初期失效。偶然失效正常使用中一些偶然原因造成的失效。耗损失效老化、磨损、耗损、和疲劳等原因而引起的失效。二、失效模式1.失效模式：失效的表现形式，是可通过人的感官或测量仪表观测到的失效形式。◇准确掌握零部件的失效模式是系统失效分析的基础在描述系统失效模式时，尽量以零部件的失效模式来表征。562.失效模式的常见类型表5-2机电系统的失效模式及常见的表现形式失效模式类型常见的表现形式损坏型裂痕（纹）、裂开、断裂、碎裂、弯坏、塑性变形、蠕变、磨损、点蚀、剥落、胶合、拉伤、卡死、烧蚀、烧坏、击穿、短路、开路和错位等。退化型老化、变色、变质、表面防护层脱落、浸蚀、腐蚀、正常磨损、积碳和发卡等。松脱型松旷、松动、脱开、脱掉和脱焊等。失调型间隙不适、行程不当、响度不适、流量不适、压力不适、温度不适、电压不适和电流不适等。堵塞型不畅、堵塞等。渗漏型渗油、渗水、漏雨、漏气、漏风、漏电等。功能型功能不正常或不稳定、性能下降、性能失效、启动困难、转向沉重、转向不回位、离合器接合不稳、分离不彻底、分离不开、指示不准、参数输出不准、失调、抖动、温升过高、漂移、声不响、灯不亮、接触不良等。其它型上述七种失效模式中不能包括者，如润滑不良、汽车没油、驾驶室闷热等。3.同一产品可能出现多种失效模式各失效模式发生的频数及其比率，是失效分析定量化的基础和确定主要的失效模式的依据。表5-3轴承失效模式及其比率失效模式磨损腐蚀摩擦侵蚀疲劳变形裂痕合计失效模式比例（%）60.218.710.63.14.42.50.51004.失效模式的不定性：失效模式与材质、设计、制造、储存、使用、维修、工作条件和负荷情况等因素密切相关。57三、失效判据1.失效判据：失效判定标准。失效分析及可靠性研究的前提条件之一。2.失效判据制定时应考虑的因素根据不同产品、不同工况和不同失效模式，在保证产品具有要求的使用功能的前提下，按产品主要性能指标制定失效判据。如对精密仪器齿轮，出现点蚀即为失效；而对通用机械齿轮，尤其是重型机械齿轮，点蚀达到一定程度才判为失效。第三节失效模式、影响和致命度分析一、FME(C)A的准备工作1.人员组成◇设计人员◇可靠性工程师◇必要时可邀请产品使用者参加2.明确FME(C)A的研究内容◇了解分析对象的组成和结构列出构成系统各单元的零部件一览表。◇了解分析对象的工作原理及工作环境◇收集有关资料及信息——设计资料、图纸、设计和使用说明书等——组成产品零部件的可靠性数据和试验数据等——相似产品或相似零部件的失效资料及其影响分析资料583.确定失效或故障判据拟定各类失效模式的失效判据及其含义二、FME(C)A的内容或分析程序1.明确系统的组成◇明确系统的组成确定系统、子系统及零部件的结构和功能◇画出系统功能及结构层次图如翻斗汽车结构层次可用如下框图表示2.画出系统可靠性功能逻辑框图◇明确单元与单元之间的逻辑关系◇明确单元与系统之间的逻辑关系3.按单元列出各组成零件可能发生的失效模式◇明显或已确认的失效模式◇潜在的失效模式4.从多个方面分析失效原因◇设计方案正确与否◇结构是否合理◇制造因素◇是否使用维护不当◇环境、人为因素等其它外因系统翻斗汽车功能制动功能动力传动转向功能液压升降子系统后制动前制动制动控制制动冷却部件活塞、活塞缸活塞环、活塞盘浮动密封外壳零件油缸活塞密封O型环595.指出失效后果,提出可能的改进措施各种失效模式产生的不良后果及其影响——对系统、子系统功能的影响——对其它相关零部件的影响——对环境及人员所造成的影响——失效可能造成的经济损失6.统计（估计）各失效模式发生的频数及频率◇用失效模式发生的频率作为该失效模式发生概率的估计值◇发生概率高且不良后果严重的失效即为主要失效模式◇优先对主要的失效模式提出可能的改进措施——纠正措施——预防措施7.进行FMECA的致命度分析◇各失效模式致命度评分值的计算（小松制作所采用）54321FFFFFCini,,2,1表5-4)5,,2,1(jFj的推荐值系数含义分类取值1F对系统损害程度系数有致命损伤的失效造成相当大损失的失效不造成功能丧失的失效5.03.01.02F对系统影响程度系数造成系统2个以上的重大失效造成系统1个以上的重大失效对系统无重大影响2.01.00.53F失效发生频率系数失效发生的频率较高失效可能发生失效发生的可能性很小1.51.00.74F预防失效的难易程度系数不能预防能够预防预防很简便1.31.00.75F是否重新设计系数需大力修改设计可用类似的设计用同一设计1.21.00.860◇对),,2,1(niCi值的分析——1iC：零件失效模式对系统造成的危害程度较大。需改变原有设计并提出预防失效的措施。——15.0iC：有一定程度的危险。需修改原有设计并提出预防失效的措施。——5.0iC：没有危险，无需修改原设计。8.填写FME(C)A表格第四节失效树分析一、失效树分析的基本概念1.失效树分析的含义在系统的设计过程中，通过对可能造成系统失效的各种因素，包括硬件、软件、环境和人为因素等进行分析，画出逻辑框图即失效树或故障树，从而确定系统失效原因的各种可能组合方式或其发生概率，以计算系统的失效概率，并采取措施，以提高系统可靠性的一种设计方法。2.失效树分析的特点◇一种图形演绎的方法◇可考虑造成系统失效的各种因素◇可用于培训系统的使用人员◇可用于查找事故原因◇可用于定量计算复杂系统的失效概率◇分析复杂、工作量大，可应用计算机辅助分析。61二、失效树应用的符号1.事件及其符号表5-5常用的事件符号及其含义序号符号名称符号的含义1结果事件来自那些通过逻辑门入口的失效事件的合成，它包括除底事件之外的所有中间事件及顶事件。2基本的失效事件不能在分解的失效事件，其失效参数（如失效率、不可靠度等）来自经验数据。3省略事件发生概率较小的事件，其原因没能或暂时不能得到充分推敲，或由于缺少数据或兴趣而没能得到发展。定性或定量分析时可忽略不及。4A转入事件表示故障事件的转移：同一故障事件常在不同的位置出现，为了简化和减少重复，用这两种符号，加上相应的标号（图中的A）分别表示从某处转入和转到某处。A转出事件5触发事件期待着发生的失效事件，它可能发生，也可能不发生。2.常用的逻辑符号◇与门：只有输入事件),,2,1(niBi同时全部发生，输出事件A才发生。其逻辑关系表达式为nBBBA21◇或门：如任何一个或几个输入事件),,2,1(niBi发生，则输出事件A发生。其逻辑关系表达式为nBBBA21◇禁门：当条件C存在时，则输入事件B直接引起输出事件A的发生，否则事件A不发生。62◇优先与门：如果所有的输入事件),,2,1(niBi从左往右按顺序发生，则输出事件A发生。◇异或门：如输入事件1B和2B中的任何一个发生，但不同时发生，则输出事件A发生。◇表决门（nm/门）：如n个输入事件中的m个发生，则输出事件发生。三、失效树分析的程序1.选择和确定顶事件◇顶事件必须有明确的定义◇顶事件可能不是唯一的需针对每一顶事件建树。◇顶事件可选取：最不希望发生的失效事件或失效事件2.自上而下建树◇建树方法——演绎法，常由人工来完成。——合成法和决策表法，常用计算机辅助完成。◇建树过程：以顶事件为第一行，找出导致顶事件发生的所有可能的直接原因即第一级中间事件，将它们用相应的事件符号表示，再用正确的逻辑门符号将它们与顶事件相连接；然后逐级向下发展，直到找出引起系统失效的全部原因，即底事件。四、失效树的定性和定量分析1.失效树的定性分析：确定失效树的全部最小割集和最小路集。63◇割集和最小割集割集：使顶事件发生的底事件的集合。当这些底事件同时发生时，顶事件必然发生。最小割集：割集中的任一底事件不发生，则顶事件也不发生。◇路集和最小路集路集：一些底事件的集合。当这些底事件同时不发生时，则顶事件必然不发生。最小路集：路集中任意去掉一个底事件就不再成为路集。2.失效树的定量分析：以失效树这一逻辑图形作为模型，计算或估计系统顶事件发生的概率，从而对系统的可靠性、