第二章系統(tǒng)安全分析故障類型和影響分析

1、故障類型和影響分析故障類型和影響分析FMEA( Failure Model and Effects Analysis )是對系統(tǒng)各組成部分、元件進(jìn)行分析的重要方法。系統(tǒng)的子系統(tǒng)或元件在運(yùn)行過程中會(huì)發(fā)生故障，而且往往可能發(fā)生不同類型的故障。例如，電氣開關(guān)可能發(fā)生接觸不良或接點(diǎn)粘連等類型故障。不同類型的故障對系統(tǒng)的影響是不同的。這種分析方法首先找出系統(tǒng)中各子系統(tǒng)及元件可能發(fā)生的故障及其類型，查明各種類型故障對鄰近子系統(tǒng)或元件的影響以及最終對系統(tǒng)的影響，以及提出消除或控制這些影響的措施。故障類型和影響分析是一種系統(tǒng)安全分析歸納方法。早期的故障類型和影響分析只能做定性分析，后來在分析中包括了故障發(fā)生難

2、易程度的評(píng)價(jià)或發(fā)生的概率。從而把它與致命度分析(CriticalAnalysis )結(jié)合起來，構(gòu)成故障類型和影響、危險(xiǎn)度分析(FMECA。這樣， 若確定了每個(gè)元件的故障發(fā)生概率，就可以確定設(shè)備、系統(tǒng)或裝置的故障發(fā)生概率，從而定量地描述故障的影響。2.4.1 故障類型系統(tǒng)、子系統(tǒng)或元件在運(yùn)行過程中，由于性能低劣，不能完成規(guī)定的功能時(shí)，則稱為故障發(fā)生。系統(tǒng)或元件發(fā)生故障的機(jī)理十分復(fù)雜，故障類型是由不同故障機(jī)理顯現(xiàn)出來的各種故障現(xiàn)象的表現(xiàn)形式。因此，一個(gè)系統(tǒng)或一個(gè)元件往往有多種故障類型。表 2-6 為一般機(jī)電產(chǎn)品、設(shè)備常見故障類型。表 2-6 常見故障類型結(jié)構(gòu)破損外漏不能開機(jī)無輸入機(jī)械性卡住超出允許

3、上限不能關(guān)機(jī)無輸出振動(dòng)超出允許下限不能切換電短路不能保持在指定位置上間斷運(yùn)行提前運(yùn)行電開路不能開啟運(yùn)行/、穩(wěn)定滯后運(yùn)行漏電不能關(guān)閉意外運(yùn)行輸入量過大其它錯(cuò)誤輸入量過小誤關(guān)流動(dòng)不暢輸出量過大內(nèi)漏假運(yùn)行輸出量過小對產(chǎn)品、設(shè)備、元件的故障類型、產(chǎn)生原因及其影響應(yīng)及時(shí)了解和掌握，才能正確地采取相應(yīng)措施。若忽略了某些故障類型，這些類型故障可能因?yàn)闆]有采取防止措施而發(fā)生事故。例如，美國在研制NASA衛(wèi)星系統(tǒng)時(shí),僅考慮了旋轉(zhuǎn)天線匯流環(huán)開路故障而忽略了短路故障，結(jié)果由于天線匯流環(huán) 短路故障使發(fā)射失敗，造成1億多美元的損失。掌握產(chǎn)品、設(shè)備、元件的故障類型需要積累大量的實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，特別 是通過故障類型和影響分析

4、來積累經(jīng)驗(yàn)。2.4.2分析程序故障類型和影響分析通常包括以下四方面：(1)掌握和了解對象系統(tǒng)；(2)對系統(tǒng)元件的故障類型和產(chǎn)生原因進(jìn)行分析；(3)故障類型對系統(tǒng)和元件的影響；(4)匯總結(jié)果和提出改正措施。1 .掌握和了解對象系統(tǒng)對故障類型和影響進(jìn)行分析之前，必須掌握被分析對象系統(tǒng)的有關(guān)資料，以確定分析的詳細(xì)程度。確定對象系統(tǒng)的邊界條件包括以下內(nèi)容：(1) 了解作為分析對象的系統(tǒng)、裝置或設(shè)備；(2)確定分析系統(tǒng)的物理邊界。劃清對象系統(tǒng)、裝置、設(shè)備與子系統(tǒng)、設(shè)備的界線，圈定所屬的元素（設(shè)備、元件）；（ 3）確定系統(tǒng)分析的邊界，應(yīng)明確兩方面的問題： 分析時(shí)不需考慮的故障類型、運(yùn)行結(jié)果、原因或防護(hù)裝置

5、等。如分析 故障原因時(shí)不考慮飛機(jī)墜落到系統(tǒng)外和地震、龍卷風(fēng)等對系統(tǒng)的影響； 最初的運(yùn)行條件或元素狀態(tài)等，例如對于初始運(yùn)行條件，在正常情況 下閥門是開啟還是關(guān)閉的必須清楚；（ 4）收集元素的最新資料，包括其功能、與其它元素之間的功能關(guān)系 等。分析的詳細(xì)程度取決于被分析系統(tǒng)的規(guī)模和層次。例如，選定一座化工廠作為對象系統(tǒng)時(shí)，故障類型和影響分析應(yīng)著眼于組成工廠的各個(gè)生產(chǎn)系 統(tǒng)，如供料系統(tǒng)、間歇混合系統(tǒng)、氧化系統(tǒng)、產(chǎn)品分離系統(tǒng)和其它輔助系統(tǒng) 等，對這些系統(tǒng)的故障類型及其對工廠的影響進(jìn)行分析。當(dāng)把某個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng) 作為對象系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)對構(gòu)成該系統(tǒng)的設(shè)備的故障類型及其影響進(jìn)行分析。當(dāng) 以某一臺(tái)設(shè)備為分析對象時(shí)，則

6、應(yīng)對設(shè)備的各部件的故障類型及其對設(shè)備的 影響進(jìn)行分析。當(dāng)然，分析各層次故障類型和影響時(shí)最終都要考慮它們對整個(gè)工廠的影響。2對系統(tǒng)元素的故障類型進(jìn)行分析 在對系統(tǒng)元素的故障類型進(jìn)行分析時(shí)，要將其看作是故障原因產(chǎn)生的結(jié)果。首先，找出所有可能的故障類型，同時(shí)盡可能找出每種故障類型的所有 原因，然后確定系統(tǒng)元素的故障類型。故障類型的確定，可依據(jù)以下兩方 面：（ 1）若分析對象是已有元素，則可以根據(jù)以往運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)或試驗(yàn)情況確定 元素的故障類型；2）若分析對象是設(shè)計(jì)中的新元素，則可以參考其它類似元素的故障類型，或者對元素進(jìn)行可靠性分析來確定元素的故障類型。一般來說，一個(gè)元素至少有4種可能的故障類型： 意外運(yùn)

7、行； 運(yùn)行不準(zhǔn)時(shí)； 停止不及時(shí)； 運(yùn)行期間故障。為了區(qū)分故障類型和故障原因，必須明確元素的故障是故障原因?qū)υ毓δ苡绊懙慕Y(jié)果。故障原因可以從內(nèi)部原因和外部原因兩個(gè)方面來分析。在分析時(shí)要把元素進(jìn)一步分解為若干組成部分，如機(jī)械部分、電氣部分等，然后研究這些部分的故障類型（內(nèi)部原因）和這些部分與外界環(huán)境之間的功能關(guān)系，找出可能的外部原因。一般來說，外部原因主要是元素運(yùn)行的外部條件方面的問題，同時(shí)也包括鄰近的其它元素的故障。根據(jù)故障原因分析，最后確定元素的故障類型。圖2-1 為確定元素故障類型的程序。圖 2-1 確定元素故障類型的程序3故障類型的影響故障類型的影響是指系統(tǒng)正常運(yùn)行的狀態(tài)下，詳細(xì)地分析一

8、個(gè)元素各種故障類型對系統(tǒng)的影響。分析故障類型的影響，通過研究系統(tǒng)主要的參數(shù)及其變化來確定故障類型對系統(tǒng)功能的影響，也可以根據(jù)故障后果的物理模型或經(jīng)驗(yàn)來研究故障類型的影響。故障類型的影響可以從下面三種情況來分析：（ 1）元素故障類型對相鄰元素的影響，該元素可能是其它元素故障的原(2)元素故障類型對整個(gè)系統(tǒng)的影響。該元素可能是導(dǎo)致重大故障或事故的原因。(3)元素故障類型對子系統(tǒng)及周圍環(huán)境的影響。4.列出故障類型和影響分析表根據(jù)故障類型和影響分析表，系統(tǒng)地、全面和有序地進(jìn)行分析。最后將 分析結(jié)果匯總于表中，可以一目了然地顯示全部分析內(nèi)容。根據(jù)研究對象和 分析的目的，故障類型和影響分析表可設(shè)置成多種形

9、式。2.4.3應(yīng)用實(shí)例1 .電機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)故障類型和影響分析一電機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)如圖2-2所示，該系統(tǒng)是一種短時(shí)運(yùn)行系統(tǒng)，如果運(yùn)行 時(shí)間過長則可能引起電線過熱或者電機(jī)過熱、短路。對系統(tǒng)中主要元素進(jìn)行 故障類型和影響分析，結(jié)果列于表2-7。圖2-2電機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)示意圖表2-7電機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)故障類型和影響分析73?故障類型可能的原因?qū)ο到y(tǒng)影響按鈕卡住 接點(diǎn)斷/、開機(jī)械故障機(jī)械故障人員沒放開按鈕電機(jī)/、轉(zhuǎn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間過長 短路會(huì)燒毀保險(xiǎn)絲繼電器接點(diǎn)/、閉合 接點(diǎn)/、斷開機(jī)械故障機(jī)械故障經(jīng)過接點(diǎn)電流過人電機(jī)/、轉(zhuǎn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間過長 短路會(huì)燒毀保險(xiǎn)絲保險(xiǎn)絲不熔斷質(zhì)量問題 保險(xiǎn)絲過粗短路時(shí)不能斷開短路電機(jī)/、轉(zhuǎn) 短路質(zhì)

10、量問題按鈕卡住繼電器接點(diǎn)/、閉合質(zhì)量問題運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間過長喪失系統(tǒng)功能電路電流過大燒毀保險(xiǎn)絲使繼電器接點(diǎn)粘連2.空氣壓縮機(jī)儲(chǔ)罐的故障類型和影響分析空氣壓縮機(jī)的儲(chǔ)罐屬于壓力容器，其功能是儲(chǔ)存空氣壓縮機(jī)產(chǎn)生的壓縮 空氣。這里僅考察儲(chǔ)罐的罐體和安全閥兩個(gè)元素的故障類型及其影響，分析 結(jié)果列于表2-8。表2-8儲(chǔ)氣罐的故障類型和影響分析故障類型故障的影響故障原因故障的識(shí)別校正措施輕微漏氣能耗增加接口不嚴(yán)漏氣噪聲，空壓機(jī)頻繁打壓加強(qiáng)維修保養(yǎng)1嚴(yán)重漏氣壓力迅速卜.降焊接裂隙壓力表讀數(shù)下降，巡回檢查停機(jī)修理破裂壓力迅速卜.降 損傷人員設(shè)備材料缺陷、 受沖擊等壓力表讀數(shù)下降，巡回檢查停機(jī)修理2.4.4故障類型和影響

11、、危險(xiǎn)度分析把故障類型和影響分析從定性分析發(fā)展到定量分析，則形成了故障類型和影響、危險(xiǎn)度分析 FMECA Failure Modes Effects and CriticalityAnalysis ）。故障類型和影響、危險(xiǎn)度分析包括兩個(gè)方面的分析：（1）故障類型和影響分析；（2）危險(xiǎn)度分析。例如，起重機(jī)制動(dòng)裝置和鋼絲繩的部分故障類型和影響、危險(xiǎn)度分析見表 2-9。危險(xiǎn)度分析的目的在于評(píng)價(jià)每種故障類型的危險(xiǎn)程度。通常，采用概率-嚴(yán)重度來評(píng)價(jià)故障類型的危險(xiǎn)度。概率是指故障類型發(fā)生的概率。嚴(yán)重度是指故障后果的嚴(yán)重程度。采用該方法進(jìn)行危險(xiǎn)度分析時(shí)，通常把概率和嚴(yán)重度分別劃分為若干等級(jí)。例如，美國的杜邦

12、公司把概率劃分為6等級(jí)，危險(xiǎn)程度劃分為3個(gè)等級(jí)（見表2-9中注）。表2-9起重機(jī)的故障類型和影響、危險(xiǎn)度分析（部分）項(xiàng)目構(gòu)成元素故障模式故障影響危險(xiǎn) 程度故障 發(fā)生概率處理方法應(yīng)急措施制動(dòng)電氣元件動(dòng)作失靈過卷、墜落大10儀表檢查立即檢修裝置機(jī)械部件變形、摩破裂中10-4觀察及時(shí)檢修制動(dòng)瓦塊擦間隙過 大摩擦力小大10-3檢查調(diào)整鋼絲純股及形、磨斷絕中10-4觀察更換鋼絲損斷超標(biāo)斷絕大10-1檢查更換注：危險(xiǎn)程度分為： 大：危險(xiǎn)；中：臨界； 小：安全。應(yīng)急措施：立即停止作業(yè)；及時(shí)檢修；注意發(fā)生概率：非常容易發(fā)生：1X10-1容易發(fā)生：1X10-2偶爾發(fā)生：1X10-3不常發(fā)生：1X10-4幾乎不發(fā)

13、生：1 X10-5很難發(fā)生：1X10-6當(dāng)用危險(xiǎn)度一個(gè)指標(biāo)來評(píng)價(jià)時(shí)，可按下式計(jì)算危險(xiǎn)度:n(2-1)C (:k1k2 t)i =1式中，C一系統(tǒng)的危險(xiǎn)度;n 一導(dǎo)致系統(tǒng)重大故障或事故的故障類型數(shù)目;入一元素的基本故障率；t 一元素的運(yùn)行時(shí)間；a 一導(dǎo)致系統(tǒng)重大故障或事故的故障類型數(shù)目占全部故障類型數(shù)目的比 例；B 一導(dǎo)致系統(tǒng)重大故障或事故的故障類型出現(xiàn)時(shí)，系統(tǒng)發(fā)生重大故障或 事故的概率;ki一實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)的修正系數(shù)；k2實(shí)際運(yùn)行環(huán)境條件的修正系數(shù)。表2-10列出了供參考的B值。表2-10參考的B值影 響發(fā)生概率（3 )實(shí)際損失可以預(yù)計(jì)的損失 可能出現(xiàn)的損失沒有影響B(tài) = 1.000.10 B

14、1.000 B 0.10B = 01.4 FMEA過程詳解1.4.1 故障模式分析1、故障：故障是產(chǎn)品或產(chǎn)品的一部分不能或?qū)⒉荒芡瓿深A(yù)定功能的事件 或狀態(tài)（對某些產(chǎn)品如電子元器件、彈藥等稱為失效）。2、故障模式：故障模式是故障的表現(xiàn)形式，如短路、開路、斷裂、過度 耗損等。故障模式是FMECA析的基礎(chǔ)，同時(shí)也是進(jìn)行其它故障分析（如故障樹分 析、事件樹分析等）的基礎(chǔ)之一。在進(jìn)行故障模式分析時(shí)，應(yīng)注意區(qū)分兩類不同性質(zhì)的故障，即功能故障 和潛在故障。3、功能故障：功能故障是指產(chǎn)品或產(chǎn)品的一部分不能完成預(yù)定功能的事 件或狀態(tài)。即產(chǎn)品或產(chǎn)品的一部分突然、徹底地喪失了規(guī)定的功能。4、潛在故障是指產(chǎn)品或產(chǎn)品的

15、一部分將不能完成預(yù)定功能的事件或狀o潛在故障是一種指示功能故障將要發(fā)生的一種可鑒別（人工觀察或儀器檢測）的狀態(tài)。例如，輪胎磨損到一定程度 （可鑒別的狀態(tài)），即發(fā)生爆胎故障 （功能故障）。圖1-2中給出了某金屬材料的功能故障與潛在故障的示例。圖1-2功能故障與潛在故障的關(guān)系需要指出的是并不是所有的故障都經(jīng)歷潛在故障再到功能故障這一變化 過程。在進(jìn)行故障模式分析時(shí)，區(qū)分潛在故障模式與功能故障模式是十分必 要的（如潛在故障模式可用于產(chǎn)品的故障監(jiān)控與檢測）。在進(jìn)行故障模式分析時(shí)還應(yīng)注意，應(yīng)確定和描述產(chǎn)品在每一種功能下的 可能的故障模式。一個(gè)產(chǎn)品可能具有多種功能，而每一種功能又可能具有多 種故障模式，分

16、析人員的任務(wù)就是找出產(chǎn)品每一種功能的全部可能的故障模 式。從表1-1中可知，在系統(tǒng)的壽命周期內(nèi)，分析人員經(jīng)過各種目的FMECA即可掌握系統(tǒng)的全部故障模式，但首先遇到的問題是在系統(tǒng)研制初期如何分 析各產(chǎn)品可能的故障模式。一般來說，可通過統(tǒng)計(jì)、試驗(yàn)或分析預(yù)測來解 決，即可遵循如下原則：對系統(tǒng)中直接采用的現(xiàn)有產(chǎn)品，可以以該產(chǎn)品在過去的使用中所發(fā) 生的故障模式為基礎(chǔ)，再根據(jù)該產(chǎn)品使用環(huán)境條件的異同進(jìn)行分析 修正，得到該產(chǎn)品的故障模式；對系統(tǒng)中的新產(chǎn)品，可根據(jù)該產(chǎn)品的功能原理進(jìn)行分析預(yù)測，得到 該產(chǎn)品的故障模式，或以與該產(chǎn)品具有相似功能的產(chǎn)品所發(fā)生的故 障模式作為基礎(chǔ)，分析判斷該產(chǎn)品的故障模式。表1-1

17、產(chǎn)品壽命周期各階段的FMEAT法階段方案階段研制階段生產(chǎn)階段使用階段方法功能FMECA硬件FMECA 軟件FMECAQFMECA 設(shè)備FMECA統(tǒng)計(jì)FMECA目的分析研究系 統(tǒng)功能設(shè)計(jì) 的缺陷與薄 弱劃、節(jié)，為 系統(tǒng)功能設(shè) 計(jì)的改進(jìn)和 方案的權(quán)衡 提供依據(jù)分析研究系統(tǒng)硬 件、軟件設(shè)計(jì)的 缺陷與薄弱環(huán) 節(jié)，為系統(tǒng)的硬 件、軟件設(shè)計(jì)改 進(jìn)和方案權(quán)衡提 供依據(jù)分析研究所設(shè)計(jì)的生產(chǎn) 工藝過程的缺陷和薄弱 環(huán)節(jié)及其對產(chǎn)品的影響， 為生產(chǎn)工藝的設(shè)計(jì)改進(jìn) 提供依據(jù)。分析研究生產(chǎn) 設(shè)備的故障對產(chǎn)品的影 響，為生產(chǎn)設(shè)備的改進(jìn)提 供依據(jù)分析研究產(chǎn)品使用過 程中實(shí)際發(fā)生的故 障、原因及其影響， 為評(píng)估論證、研制、

18、生產(chǎn)各階段的FMECA 的肩效性和進(jìn)行產(chǎn)品 的改進(jìn)、改型或新產(chǎn) 品的研制提供依據(jù)1.4.2 故障原因分析故障模式分析只說明了產(chǎn)品將以什么模式發(fā)生故障，并未說明產(chǎn)品為何 發(fā)生故障的問題。因此，為了提高產(chǎn)品的可靠性，還必須分析產(chǎn)生每一故障 模式的所有可能原因。分析故障原因一般從兩個(gè)方面著手，一方面是導(dǎo)致產(chǎn) 品功能故障或潛在故障的產(chǎn)品自身的那些物理、化學(xué)或生物變化過程等直接 原因；另一方面是由于其他產(chǎn)品的故障、環(huán)境因素和人為因素等引起的間接 故障原因。直接故障原因又稱為故障機(jī)理。正確區(qū)分故障模式與故障原因是非常重要的。故障模式是可觀察到的故 障表現(xiàn)形式，而直接故障原因描述的是由于設(shè)計(jì)缺陷、質(zhì)量缺陷、

19、元部件誤 用和其他故障過程而導(dǎo)致故障的機(jī)理。例如，在晶體管內(nèi)基片上有一個(gè)裂 縫，可以導(dǎo)致集電極到發(fā)射極開路，在這里“集電極到發(fā)射極開路”是故障 模式，而“晶體管內(nèi)基片上有裂縫”是故障原因（機(jī)理）。表1-2典型故障模式廳P故障模式廳P故障模式廳P故障模式1結(jié)構(gòu)故障（破損）12超出允差（下限）2 23滯后運(yùn)行2捆結(jié)或卡死13意外運(yùn)行24錯(cuò)誤輸入（過大）3振動(dòng)14間歇性工作25錯(cuò)誤輸入（過小）4;不能保持正常位置15漂移性工作P 26錯(cuò)誤輸出（過大）5打不開16錯(cuò)誤指示27錯(cuò)誤輸出（過?。?關(guān)不上17流動(dòng)不暢r 28無輸入718錯(cuò)誤動(dòng)作29無輸出8誤關(guān)19不能關(guān)機(jī)30短路（電的）|9r內(nèi)部漏泄20不能開機(jī)31開路（電的）10外部漏泄21不能切換32漏泄（電的）11:超出允差（上限）22提前運(yùn)行33其他1.4.3 故障影響分析1.4.4 風(fēng)險(xiǎn)分析1.4.5 故障檢測方法分析1.4.6 補(bǔ)償措施分析1.4.7 FMEA的實(shí)施1.4.8 FMEA的注意事項(xiàng)第二章 典型的FME給析方法介紹2.1 典型的FME給析方法隨著FME技術(shù)的推廣和發(fā)展，各個(gè)國家、各個(gè)行業(yè)紛紛推出了FMEAI求和方法，并形成標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范或手冊，其中比較著名的見表2-1。表2-1典型的FMEA方法標(biāo)準(zhǔn)、手冊和規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)/手冊編號(hào)名稱發(fā)