第七章 故障模式影响及危害性分析与故障树分析

第七章故障模式影响及危害性和故障树分析故障模式影响及危害性分析概述故障模式影响及危害性分析故障树分析7.1故障模式影响及危害性分析概述故障模式、影响及危害性（FailureModesandEffectsCriticalityAnalysis），简称FMECA。如果不做危害性分析，则称为故障模式与影响分析（FailureModeandEffectAnalysis），简称FMEA。故障模式、影响及危害性分析时一项重要的可靠性工作，从产品方案设计到工程研制阶段要反复地进行FMECA工作，以便能尽早地发现问题并及时地修正设计。故障模式、影响及危害性分析还可为维修性、安全性、耐久性、易损性、后勤保障、维修方案以及失效检查和分系统设计提供信息。7.2故障模式影响及危害性分析7.2.1故障模式影响及危害性分析概念1.故障按GJB451—98《可靠性维修性术语》，对可修复的产品来说，产品丧失规定的功能称为故障；对不可修复的产品来说，产品丧失规定的功能称为失效。2.故障模式故障模式是指产品故障的一种表现形式，一般是能被观察到的一种故障现象。例如，轴类零件断裂、轴承碎裂、杆类零件变形、弹簧的折断、活动零件的运动受阻、齿轮齿面点蚀、机械零件的被腐蚀、火工品的受潮变质等。3.失效机理失效机理是指引起产品或零部件失效的物理、化学变化等的内在原因。4.失效分析在产品失效后，通过对产品的结构、使用和技术文件的逻辑性、系统性检查，来鉴别失效并确定失效机理及基本原因。5.故障影响故障影响是指该故障模式会造成对安全性、设备完好性、任务成功性以及维修或后勤保障等要求的影响。故障影响一般可分为对自身、对上级及最终影响3个等级。6.危害度分析危害性分析（CA）的目的是按每一故障模式的严重程度及该故障模式发生的概率所产生的综合影响对系统中的产品划等分类，以便全面评价系统中各种可能出现的产品故障的影响，是FMEA的补充或扩展，只有在进行FMEA的基础上才能进行CA。它是指对某种故障模式出现的频率及其所产生的后果的相应量度。7.检测方法检测方法是指在每个故障模式发生时的检测手段和方法。8.预防措施预防措施是指产品在设计、工艺、操作时应采取的纠正措施。7.2.2故障模式影响及危害性分析的特点为了完成有效的、高水平的FMEA及FMECA，以下各项是值得注意的。1.时间性2.层次性3.灵活性4.有效性5.故障模式的完整性7.2.3、故障模式影响及危害性分析的基本思路与程序实际上在常规设计思路中已经运用到了FMEA的思想。FMEA的基本思路如图7-2所示。根据GJB1391—92《故障模式、影响及危害性分析程序》的要求，对产品进行故障模式、影响及危害度分析，需要按如下步骤进行：1.熟悉和掌握有关资料1）产品结构和功能的有关资料；2）产品启动、运行、操作、维修资料；3）产品所处环境条件的资料。2.系统定义1）任务功能2）环境条件3）任务时间4）功能框图5）可靠性框图3.填写FMECA工作单4.画危害度矩阵图危害度矩阵是用来确定每一故障模式的危害程度并与其他故障模式相比较，它表示各故障模式的危害度分布，并提供一个用以确定改正措施先后顺序的工具。从原点开始沿对角线越是往前记录（即离原点越远）的故障模式其危害度越严重，越急需先采取改正措施。5.提交FMECA报告应根据前面介绍的分析结果撰写分析报告。FMECA报告中应包括：系统定义、FMECA工作清单和危害度矩阵图、可靠性关键件的清单。报告中还应有一个总结，以反映研制方根据分析所做的结论和建议，总结中也要列出一张经FMECA工作而剔除的零部件清单以及每个零部件被剔除的原因。7.2.4故障模式影响及危害分析的应用以赛格反坦克导弹上控制分系统中拉线陀螺的FMECA工作为例，介绍故障模式、影响及危害性分析的应用。1）系统定义（1）功能：测量导弹滚转角速度位置，形成回输信号，传输给底面控制盒，作为形成控制指令的基准。（2）功能框图：赛格反坦克导弹上控制分系统中拉线陀螺功能框图如图7-5所示。（3）可靠性框图：赛格反坦克导弹上控制分系统中拉线陀螺可靠性框图如图7-6所示。2）FMECA工作单赛格反坦克导弹上控制分系统中拉线陀螺的FMECA工作单如表7-2所列。3）画危害度矩阵图赛格反坦克导弹上控制分系统中拉线陀螺如图7-7所示。由矩阵图可以明显地看到，危害度最大的故障模式为钢带割断导线，这将会引起导弹在发射阶段产生掉弹问题。7.3故障树分析7.3.1故障树分析概述故障树：是表示事件因果关系的树状逻辑图故障树分析又称失效树分析，简称FTA（FaultTreeAnalysis）。它是“在系统设计过程中，通过对造成系统失效的各种因素（包括硬件、软件、环境、人为因素）进行分析，画出逻辑框图（即故障树），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，以计算系统失效概率，采取相应的纠正措施，以提高系统可靠性的一种设计分析方法”。把所研究系统的最不希望发生的故障状态作为故障分析的目标，然后寻找直接导致这一故障发生的全部因素，再找出造成下一级事件发生的全部直接因素，一直追查到那些原始的、其故障机理或概率分布是已知的，因而毋需再深究的因素为止。用相应的符号代表这些事件，再用适当的逻辑门把顶事件、中间事件和底事件联结成倒立树形图。这样的树形图称为故障树，用以表示系统的特定顶事件与它的子系统或各个元件故障事件之间的逻辑结构关系。以故障树为工具，分析系统发生故障的各种途径，计算各个可靠性特征量，对系统的安全性或可靠性进行评价的方法称为故障树分析法(FTA)。最不希望发生的事件称为顶事件；毋需再深入研究的事件（仅作为导致其它事件发生的原因，亦即顶事件发生的根本原因）称为底事件，介于顶事件与底事件之间的一切事件（中间结果）为中间事件，故障树分析法的特点：根据上述特点，故障树分析法适合于对复杂的动态系统进行可靠性分析、安全性分析和风险评价。（4）多目标、可计算。在设计中，可帮助弄清系统的故障模式，找出系统的薄弱环节。由于故障树是由特定的逻辑门和一定购事件构成的逻辑图，因此可以用电子计算机来辅助建树，并进行定性分析和定量计算。（2）故障树分析法，不但可用于对系统的可靠性、安全性进行定性分析和定量计算，而且还可定量考虑造成系统故障的各种因素。（1）由于它是一种图形演绎方法，故直观、形象。（3）由于它将系统故障的各种可能因素联系起来而有利于弄清系统的故障模式、找出系统可靠性的薄弱环节，提高系统可靠性的分析精度。故障树分析法一般可按下列步骤：（1）建立故障树；（2）建立故障树的数学模型；（3）进行系统可靠性的定性分析；（4）进行系统可靠性的定量分析。FTA技术主要用途：（1）复杂系统的功能逻辑分析。（2）分析同时发生的非关键事件对顶事件的综合影响。（3）评价系统可靠性与安全性。（4）确定潜在设计缺陷和危险。（5）评价采用的纠正措施。（6）简化系统故障查找。故障树是表示事件因果关系的树状逻辑图。故障树分析（FTA）就是以故障树（FT）为模型对系统进行可靠性分析的方法。7.3.2故障树的建立1.故障树EFL2L1S1S2B供水系统如下图所示供水系统，E为水箱，F为阀门，L1和L2为水泵，S1和S2为支路阀门。此系统的规定功能是向B侧供水，“B侧无水”是一个不希望发生的事件，即系统的故障状态。2.故障树符号逻辑符号也称为逻辑门符号，表示下级事件与上级事件的因果关系。门下面的事件称为输入事件，门上面的事件称为输出事件（也称门事件）(1)与门表示只有当全部输入事件都同时存在时，其输出事件才发生。设与门共有n个输入事件Bi(i=1,2,…,n)，则其输出事件A和输入事件的逻辑关系可表示为121nniiABBBB(2)或门表示只要输入事件中的任何一个发生，则输出事件发生。设与门共有n个输入事件Bi(i=1,2,…,n)，则其输出事件A和输入事件的逻辑关系可表示为121nniiABBBB水管冻堵无保温层T≤0℃禁门故障树(3)禁门只有一个输入事件，侧面的长圆框内视条件事件C，只有当该条件存在时，输入事件B才能导致输出事件A发生。(4)表决门(n取k门)表示n个输入事件中有任意k个(kn)同时存在时，则输出事件发生。水泵ABC泵系统故障A故障2/3B故障C故障三取二系统故障树BACB侧无水+L1故障S1故障+L2故障S2故障TOP+泵系统故障E故障F故障G1I支路故障II支路故障G2G3B侧无水泵系统故障F故障E故障或I支路故障II支路故障与L1故障S1故障或L2故障S2故障或EFL2L1S1S2B3.建树的一般步骤和方法建树的方法：第一类是人工建树，主要应用演绎法进行建树。演绎法建树应从顶事件开始由上而下、循序渐进逐级进行。第二类是计算机辅助建树，主要应用判定表法和合成法。首先定义系统，然后建立事件之间的相互联系关系，编制程序由计算机辅助进行分析。如何建立故障树2．选择和确定顶事件通常把最不希望发生的系统故障状态作为顶事件。它可以是借鉴其他类似系统发生过的重大故障事件，也可是指定的事件。任何需要分析的系统故障事件都可作为顶事件。但顶事件必须有明确的含义，而且一定是可以分解的。1．熟悉系统在建树之前，应该对所分析的系统进行深入的了解。为此，需要广泛收集有关系统的设计、运行、流程图、设备技术规范等技术文件和资料，并进行仔细的分析研究。3．定义故障树的边界条件即要对系统的某些组成部分(部件、子系统)的状态、环境条件等作出合理的假设。如当分析硬件系统时，可将“软件可靠”和“人员操作可靠”作为边界条件，分析线路时，“导线可靠”是常用的边界条件边界条件应根据分析的需要确定。在确定顶事件和边界条件确定之后，就可以从顶事件出发展开故障树，找出导致顶事件的所有可能的直接原因，作为下一级中间事件，把它们用相应的事件符号表示出来，并用适合于它们之间逻辑关系的逻辑门符号与顶事件相连接，然后逐级向下发展，了一棵倒置的故障树。4.构造发展故障树(1)要有层次地逐级进行分析。可以按系统的结构层次，也可按系统的功能流程或信息流程逐级分析。(2)找出所有矩形事件的全部、直接起因。(3)对各级事件的定义要简明、确切。(4)正确运用故障树符号。(5)所有中间事件都被分解为底事件时，故障树建成。例：家用洗衣机故障树潘存云教授研制上盖控制面板进水口排水管外箱体盛水桶支撑拉杆脱水桶电动机带传动减速器波轮解:(1)系统情况此处主要分析洗衣机主系统，主要由电动机、传动系统和波轮组成。AB带传动脱水桶波轮传动系统电机(3)确定边界条件此处假设“管路及其联接”、“导线和接头”及电源均可靠(2)确定顶条件主系统不希望发生的故障有波轮不转、波轮转速过低、振动过大等。其中最严重的故障事件是波轮不转。(4)构造故障树按照功能流程对顶事件逐级向下分解其故障模式及其逻辑关系，得到故障树电流过大保险丝失效B洗衣机波轮不转波轮松脱主轴不转波轮开裂紧固件失效桶底有异物未及时清理电容器失效定时器故障抱轴主轴阻力过大主轴无转矩异物卡住电动机不转传动系统故障电动机烧坏BAAB洗衣机系统简图波轮传动系统电机例：剪草机用内燃机的故障树解:(1)系统情况场地剪草机用内燃机是一小型风冷汽油机，最大功率3kW。油箱在气缸上方以重力方式给油，无燃料泵。启动可用蓄电池供电的电动机，也可用拉索启动。(2)确定顶条件以“内燃机不能启动”作为故障树的顶事件。(3)确定边界条件这里派出内燃机机体、管路及其联接和人员操作等故障，即认为它们是可靠的。内燃机不能启动燃料不足压缩不足无火花油箱内无油活塞不能移动转动能量不足G1G2G3G4G6G5G7油管堵塞密封漏气活塞环故障火花塞故障磁电机故障上次用完未检查油箱活塞楔住活塞杆断裂线路故障电池用完拉索断裂P1P2P3P4P5P6P7D1C1C2C3C4C5C10C11C12C6C7D2C8C9轴承胶合汽化器故障(4)构造故障树首先分析不能启动的首要直接原因：“燃料不足”、“活塞不能压缩”、“火花塞无火花”，以或门将其与顶事件连接，即形成故障树第一级。再分别对这三个中间事件的发生原因进行分析，形成故障树第二级。7.3.3故