第5章-1故障模式影响及危害度分析

苏州大学城市轨道交通学院2020/4/61故障模式影响及危害度分析FMECA2020/4/62内容提要概述FMECA的定义、目的和作用FMECA的方法FMECA的步骤系统定义故障模式影响分析危害性分析危害性矩阵图FMECA输出与注意的问题应用案例2020/4/63失效模式影响与危害度分析（FMECA）是“在系统设计过程中，通过对系统各组成单元潜在的各种失效模式及其对系统功能的影响，与生产后果的严重程度进行分析，提出可能采取的预防改进措施，以提高产品可靠性的一种设计分析方法”FMECA是一种非常有效的可靠性保证技术，如果在设计、制造阶段没有货不认真进行FMECA，即使是小的疏忽，也会造成严重的灾难性的事故。2020/4/64概述元部件的故障对系统可造成重大影响灾难性的影响挑战者升空爆炸——发动机液体燃料管垫圈不密封致命性的影响起落架上位锁打不开以往设计师依靠经验判断元部件故障对系统的影响依赖于人的知识和工作经验系统的、全面的和标准化的方法—FMECA设计阶段发现对系统造成重大影响的元部件故障设计更改、可靠性补偿是可靠性、维修性、保障性和安全性设计分析的基础2020/4/65FMEA（FMECA）发展历程FMEA由Grumman航空公司在20世纪50年代开发，该公司用它分析舰载飞机飞控系统的安全性。从20世纪70年代到90年代，各种军用、专业协会标准和规格中定义和改进了FMEA方法。1971年，电子工业协会（EIA）G-41可靠性委员会颁布了“失效模式和影响分析”1974年，美国国防部处出版了美军标Mil-Std1629“失效模式、影响和危害性分析执行程序”。1985年，国际电工技术委员会（IEC）介绍了IEC812“系统可靠性分析技术——失效模式和影响分析程序”2020/4/66FMEA（FMECA）发展历程20世纪80年代末期，汽车行业开始采用FMEA。1993年，由Chrysler、Ford和GM代表组成的供应商质量需求小组通过QS-9000过程将FMEA引入到质量手册中。1994年，汽车工程师协会（SAE）出版了SAEJ-1739“设计中的潜在失效模式及影响分析和制造、装配过程中的潜在模式及影响分析”参考手册，提供了进行FMEA工作时的基本指南。1999年，Daimler、Chrysler、Ford和GM作为汽车工作组的一部分同意认可新的国际标准“ISO/TS16949”，其中包括FMEA且在2006年最终取代QS-90002020/4/67FMECA的概念FMECA的定义故障模式影响及危害性分析(FailureMode,EffectsandCriticalityanalysis,简记为FMECA)是分析系统中每一产品所有可能产生的故障模式及其对系统造成的所有可能影响，并按每一个故障模式的严重程度及其发生概率予以分类的一种归纳分析方法。FMECA是一种自下而上的归纳分析方法；FMEA和CA。FMECA是FMEA合理的扩展，它具有了定量分析的特点，进行FMECA必先进行FMEA2020/4/68FMECA的目的FMECA技术的目的实际上是找出一种全面的、系统的分析故障的方法，并将这种方法程序化、标准化和格式化。从产品设计（功能设计、硬件设计、软件设计）、生产（生产可行性分析、工艺设计、生产设备设计与使用）和产品使用角度发现各种影响产品可靠性的缺陷和薄弱环节，为提高产品的质量和可靠性水平提供改进依据。2020/4/69FMECA作用保证有组织地定性找出系统的所有可能的故障模式及其影响，进而采取相应的措施。为制定关键项目和单点故障等清单或可靠性控制计划提供定性依据。为可靠性（R）、维修性（M）、安全性（S）、测试性（T）和保障性（S）工作提供一种定性依据。为制定试验大纲提供定性信息。为确定更换零部件、元器件清单提供使用可靠性设计的定性信息。为确定需要重点控制质量及工艺的薄弱环节清单提供定性信息。可及早发现设计、工艺中的各种缺陷。2020/4/610FMECA方法FMECA是FMEA和CA的综合(是基于分层方法来确定潜在失效模式是怎样影响一个产品的。（FMEA)仍然是一种六西格玛工具。FMEA方法FMEA的目的是为了研究技术装备故障对其工作所产生的后果和影响，并将其可能的故障模式按严重程度分类，并采取必要的改进措施。1.硬件法：硬件法是列出各个硬件产品，并对它们可能出现的故障模式加以分析，根据硬件产品的功能对每个故障模式进行评价。当硬件产品已具有图纸和其他资料时，一般采用硬件法。这种分析方法适用于从零部件级开始，自下而上进行分析，再扩展到系统级。2020/4/6112.功能法：功能法认为每个产品用于完成多种功能。功能法从分析系统的设备功能图开始，而不是从硬件产品开始。当硬件产品功能不能明确确定时，例如在技术装备研制初期，各个零部件设计尚未完成，得不出详细的零部件明细表，系统原理图及系统总装图，一般采用功能法。2020/4/612CA分析方法CA的目的是按每一故障的严重程度及故障模式发生概率所产生的综合影响来对其进行分类，以便全面地评价各故障模式的影响。（1）故障率λp（2）故障模式比率αj是指产品以第j种故障模式出现占所有故障模式的百分比。（3）故障影响概率βj是分析人员根据经验判断得到的，它是产品以第j中故障模式发生故障而导致产品任务丧失的条件概率（4）工作时间2020/4/613（5）故障模式危害度CmjCmj是产品危害度数值的一部分，是产品在特定的故障严重级别下第j个故障模式所具有的危害度值。Cmj=λp·αj·βj·t(6)产品危害度Cr在某一特定的故障严重级别和任务阶段，产品危害度就是该产品在此故障严重级别情况下的各种故障模式危害度Cmj的总和)(11tCCjjnjpnjmjr2020/4/614FMECA的步骤明确分析范围故障模式分析产品功能与任务分析明确产品的故障判据危害性分析故障影响分析补偿措施分析故障检测方法分析故障原因分析得出分析结果系统定义FMEACA2020/4/6151系统定义确定系统中进行FMECA的产品范围产品层次示例约定层次——规定的FMECA的产品层次初始约定层次——系统最顶层最低约定层次——系统最底层描述系统的功能任务及系统在完成各种功能任务时所处的环境条件任务剖面、任务阶段及工作方式功能描述制定系统及产品的故障判据、选择FMECA方法等故障判据分析方法2020/4/6162故障模式影响分析FMEA初始约定层次产品任务审核第页共页约定层次产品分析人员批准填表日期故障影响序号产品名称功能故障模式故障原因任务阶段与工作方式局部影响高一层次影响最终影响严酷度类别故障检测方法改正措施备注2020/4/6173危害性分析(CA)初始约定层次产品任务审核第页共页约定层次产品分析人员批准填表日期代码产品或功能标志功能故障模式故障原因任务阶段与工作方式严酷度类别故障概率等级或故障数据源故障率λp故障模式频数比α故障影响概率β工作时间t故障模式危害度Cm(j)产品危害度Cr(j)备注123456789101112131415分类：定性和定量CA表2020/4/618危害性矩阵图ⅣⅢⅡⅠ危害性增加严酷度等级产品危害度Cr故障模式危害度Cm(j)故障概率等级2020/4/619FMECA输出与注意的问题FMECA输出单点故障模式清单Ⅰ、Ⅱ类故障模式清单可靠性关键件、重要件不可检测故障模式清单危害性矩阵图等FMEA/CA表2020/4/620实施FMECA应注意的问题为了得到精确的FMECA，零件设计工程师、系统设计工程师、可靠性工程师之间必须密切配合，分工合作。可靠性工程师承担实施FMECA的总责任，零件和系统设计工程师负责失效模式的分析。FMECA必须及时地和反复地进行。FMECA的主要任务是为产品设计和研制过程的决策及时提供信息，因此在实施FMECA的计划过程中要规定时间进度，以保证分析结果有助于产品设计和研制过程的决策。一个适时的粗略分析比一个不能满足进度要求的详细分析更有价值。2020/4/621实施FMECA应注意的问题要先进行FMECA分析，后进行可靠性预计。对于机械及机电产品，不可能对所有零部件都进行可靠性预计、应力分析和可靠性试验，必须以FMECA的分析结果为基础，对关键的零部件进行应力分析和试验，然后再进行可靠性预计。2020/4/622实施FMECA应注意的问题保证FMECA的实时性、规范性、有效性实时性。FMECA工作应纳入研制工作计划、做到目的明确、管理务实；FMECA工作与设计工作应同步进行，将FMECA结果及时反馈给设计过程。规范性。分析工作应严格执行FMECA计划、有关标准/文件的要求。分析中应明确某些关键概念，比如：故障检测方法是系统运行或维修时发现故障的方法；严酷度是对故障模式最终影响严重程度的度量，危害度是对故障模式后果严重程度的发生可能性的综合度量，两者是不同的概念，不能混淆。有效性。对分析提出的改进、补偿措施的实现予以跟踪和分析，以验证其有效性。这种过程也是积累FMECA工程经验的过程。2020/4/623实施FMECA应注意的问题FMECA的剪裁和评审FMECA作为常用的分析工具，可为可靠性、安全性、维修性、测试性和保障性等工作提供信息，不同的应用目的可能得到不同的分析结果。各单位可根据具体的产品特点和任务对FMECA的分析步骤、内容进行补充，剪裁，并在相应文件中予以明确。2020/4/624实施FMECA应注意的问题FMECA的数据故障模式是FMECA的基础。能否获得故障模式的相关信息是决定FMECA工作有效性的关键。若进行定量分析时还需故障的具体数据，这些数据除通过试验获得外，一般是需要通过相似产品的历史数据进行统计分析。有计划有目的地注意收集、整理有关产品的故障信息，并逐步建立和完善故障模式及频数比的相关故障信息库，这是开展有效的FMECA工作的基本保障之一。FMECA应与其他分析方法相结合FMECA虽是有效的可靠性分析方法，但并非万能。它不能代替其他可靠性分析工作。应注意FMECA一般是静态的、单一因素的分析方法。在动态方面还很不完善，若对系统实施全面分析还需与其他分析方法（如FTA、ETA等）相结合。2020/4/625故障模式故障与故障模式故障是产品或产品的一部分不能或将不能完成预定功能的事件或状态（对机械产品也称失效）故障模式是故障的表现形式，如起落架撑杆断裂、作动筒间隙不当、收放不到位等产品功能与故障模式一个产品可能具有多种功能起落架：支撑、滑跑、收放等每一个功能有可能具有多种故障模式支撑：降落时折起滑跑：震动收放：收不起、放不下初始约定层次产品任务审核第页共页约定层次产品分析人员批准填表日期故障影响序号产品名称功能故障模式故障原因任务阶段与工作方式局部影响高一层次影响最终影响严酷度类别故障检测方法改正措施备注2020/4/626典型故障模式GJB1391《故障模式影响及危害性分析》序故障模式序故障模式序故障模式1结构故障(破损)12超出允差(下限)23滞后运行2捆结或卡死13意外运行24错误输入(过大)3振动14间歇性工作25错误输入(过小)4不能保持正常位置15漂移性工作26错误输出(过大)5打不开16错误指示27错误输出(过小)6关不上17流动不畅28无输入7误开18错误动作29无输出8误关19不能关机30(电的)短路9内部漏泄20不能开机31(电的)开路10外部漏泄21不能切换32(电的)漏泄11超出允差(上限)22提前运行33其它2020/4/627机械产品典型故障模式故障模式可分为以下七大类：损坏型：如断裂、变形过大、塑性变形、裂纹等。退化型：如老化、腐蚀、磨损等。松脱性：松动、脱焊等失调型：如间隙不当、行程不当、压力不当等。堵塞或渗漏型：如堵塞、漏油、漏气等。功能型：如性能不稳定、性能下降、功能不正常。其他：润