FMECA方法及工程应用案例

北京航空航天大学FMECA方法及工程应用案例北京航空航天大学2015年1月主要内容可靠性概述1FMECA方法2FMECA在工业企业的应用3结束语41.可靠性概述可靠性基本概念三规定一能力:产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。故障:可靠性是一门与产品故障作斗争的新兴学科。量化指标:可靠度R(t)；失效率λ(t)；平均故障间隔时间MTBF；寿命概率密度f(t)；……定义核心特征值2.FMECA方法FMECA（故障模式影响及危害性分析）定义作用目的FMECA是分析产品所有可能的故障模式及其可能产生的影响，并按每个故障模式产生影响的严重程度及其发生概率予以分类的一种归纳分析方法。为维修性、测试性、安全性和保障性工作的开展提供定性依据。从不同角度发现产品的各种缺陷和薄弱环节，并采取有效的改进和补偿措施以提高可靠性水平。2.FMECA方法产品周期寿命各阶段的FMECA方法2.FMECA方法2.1FMECA实施步骤2.FMECA方法确定系统中进行FMECA的产品范围产品层次约定层次——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•步骤一：系统定义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补偿措施备注12345678910111213对每一产品的每一故障模式采用一种编码体系进行标识记录被分析产品或功能的名称与标简要描述产品所具有的主要功能根据故障模式分析的结果简要描述每一产品的所有故障模式根据故障原因分析结果简要描述每一故障模式的所有故障原因简要说明发生故障的的任务阶段与产品的工作方式根据故障影响分析的结果，简要描述每一个故障模式的局部、高一层次和最终影响并分别填入第7栏--9栏根据最终影响分析的结果按每个故障模式分配严酷度类别简要描述故障检测方法简要描述补偿措施本栏主要记录对其它栏的注释和补充说明•步骤二：FMEA分析2.FMECA方法2.FMECA方法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•故障与故障模式–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•产品功能与故障模式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•GJB1391典型故障模式2.FMECA方法2.FMECA方法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：润滑不良等。•机械产品典型故障模式2.FMECA方法直接原因：导致产品功能故障的产品自身的那些物理、化学或生物变化过程等，直接原因又称为故障机理。间接原因：由于其他产品的故障、环境因素和人为因素等引起的外部原因。例如——起落架上位锁打不开直接原因：锁体间隙不当、弹簧老化等间接原因：锁支架刚度差•故障原因2.FMECA方法任务剖面又由多个任务阶段组成起落架任务阶段：起飞着陆空中飞行地面滑行工作方式：可替换有余度上位锁开锁：液压、手动钢索、冷气因此，在进行故障模式分析时，要说明产品的故障模式是在哪一个任务剖面的哪一个任务阶段的什么工作方式下发生的。•任务阶段与工作方式任务剖面•L=123•L=209•T=12.15•L=419.6•T=24.40•L=117.7•T=6.84•L=38•L=827.4•T=48.10•T=48.1•投720L副油箱•投960L副油箱•T=12.2•M=0.86•M=0.86•M=0.86•M=0.86•航程L（km）•航时T（min）•高度H（km）•T=24.4•T=6.8•T=5.0•空—空剖面1•5•10•112.FMECA方法故障影响与约定层次约定层次示例故障影响局部影响:某产品的故障模式对该产品自身和与该产品所在约定层次相同的其他产品的使用、功能或状态的影响高一层次影响:某产品的故障模式对该产品所在约定层次的高一层次产品的使用、功能或状态的影响最终影响:指系统中某产品的故障模式对初始约定层次产品的使用、功能或状态的影响•故障影响约定层次示例飞机液压系统45100其他系统主供压分系统45110助力供压分系统45120缓冲瓶451110油箱451120液压助塞泵ZB-34451130泵轴451131轴承组件451132柱塞451133严酷度：产品故障造成的最坏后果的严重程度严酷度类别定义(GJB1391)严酷度类别严重程度定Ⅰ类(灾难的)这是一种会引起人员死亡或系统(如飞机、坦克、导弹及船舶等)毁坏的故障。Ⅱ类(致命的)这种故障会引起人员的严重伤害、重大经济损失或导致任务失败的系统严重损坏。Ⅲ类(临界的)这种故障会引起人员的轻度伤害，一定的经济损失或导致任务延误或降级的系统轻度损坏。Ⅳ类(轻度的)这是一种不足以导致人员伤害、一定的经济损失或系统损坏的故障，但它会导致非计划性维护或修理。•严酷度类别2.FMECA方法故障检测方法一般包括目视检查、离机检测、原位测试等手段：自动传感装置传感仪器音响报警装置显示报警装置故障检测一般分为事前检测与事后检测两类，对于潜在故障模式，应尽可能设计事前检测方法。•故障检测方法2.FMECA方法2.FMECA方法设计补偿措施安全或保险装置(如监控及报警装置)可替换的工作方式(如备用或辅助设备)可以消除或减轻故障影响的设计或工艺改进(如概率设计、计算机模拟仿真分析和工艺改进等)操作人员补偿措施特殊的使用和维护规程，尽量避免或预防故障的发生一旦出现某故障后操作人员应采取的最恰当的补救措施•补偿措施2.FMECA方法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•步骤三：CA分析2.FMECA方法故障概率等级——定性分析方法A级--经常发生20%B级--有时发生10%20%C级--偶然发生1%10%D级--很少发生0.1%1%E级--极少发生.0.1%数据来源预计值分配值外场评估值等•故障概率等级或数据来源故障模式频数比α是产品的某一故障模式占其全部故障模式的百分比率。如果考虑某产品所有可能的故障模式，则其故障模式频数比之和将为1模式故障率λm是指产品总故障率λp与某故障模式频数比α的乘积例：故障模式频数比及模式故障率气体控制活门故障模式故障模式频数比α产品故障率λp模式故障率λm不闭合不打开外部漏气34%57%9%0．123450.041970.070360.01111总计1．00.123452.FMECA方法•故障模式频数比故障影响概率β是指假定某故障模式已发生时，导致确定的严酷度等级的最终影响的条件概率。某一故障模式可能产生多种最终影响，分析人员不但要分析出这些最终影响还应进一步指明该故障模式引起的每一种故障影响的百分比，此百分比即为β。这多种最终影响的β值之和应为1故障影响概率示例产品名称故障模式故障模式频数比α故障影响严酷度故障影响概率β卡死0．5火车滑轨并驶入火车站火车脱轨ⅡⅠ0.90.1制动系统效率降低0．5火车不能有效减速火车不能有效减速且发生安全事故ⅡⅠ0.80.2•故障影响概率2.FMECA方法2.FMECA方法故障模式危害度——评价单一故障模式危害性Cm(j)=α×β×λp×t,j=Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ产品危害度——评价产品的危害性Cr(j)=∑Cmi(j)，i=1,2,…,nn为该产品的故障模式总数，j=Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ∑Cmi(j)——产品在第j类严酷度类别下的所有故障模式的危害度之和•故障模式危害度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2.FMECA方法•危害性矩阵图2.FMECA方法•单点故障模式清单•FMEA/CA表•I、II类故障模式清单•可靠性关键件、重要件•危害性矩阵图等•不可检测故障模式清单FMECA输出2.2FMECA输出2.FMECA方法“谁设计、谁分析”的原则，也就是产品设计人员应负责完成该产品的FMECA工作，可靠性专业人员应提供分析必须的技术支持。实践表明，FMECA工作是设计工作的一部分。“谁设计、谁分析”、及时改进是进行FMECA的宗旨，是确保FMECA有效性的基础，也是国内外开展FMECA工作经验的结晶。如果不由产品设计者实施FMECA，必然造成分析与设计的分离，也就背离了FMECA的初衷。2.3实施FMECA的注意事项•1.强调“谁设计、谁分析”原则2.FMECA方法实施FMECA前，应对所需进行的FMECA活动进行完整、全面、系统地策划，尤其是对复杂大系统，更应强调FMECA的重要性。其必要性体现在以下几方面：有助于保证FMECA分析的目的性、有效性，以确保FMECA工作与研制工作同步协调，避免事后补做的现象。对复杂大系统，总体级的FMECA往往需要低层次的分析结果作为输入，对相关分析活动的策划将有助于确保高层次产品FMECA的实施。FMECA计划阶段事先规定的基本前提、假设、分析方法和数据，将有助于在不同产品等级和承制方之间交流和共享，确保分析结果的一致性、有效性和可比性。2.3实施FMECA的注意事项•2.重视FMECA的策划2.FMECA方法实时性。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。2.3实施FMECA的注意事项•3.保证实时性、规范性、有效性2.FMECA方法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。2.3实施FMECA的注意事项•4.FMECA的裁剪和评审2.FMECA方法故障模式是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。2.3实施FMECA的注意事项•5.FMECA的数据2