第五章 故障模式影響及危害度分析01

1、北京航空航天大學(xué)工程系統(tǒng)工程系北京航空航天大學(xué)工程系統(tǒng)工程系2022-5-231故障模式影響及危害度分析故障模式影響及危害度分析FMECA2022-5-232內(nèi)容提要內(nèi)容提要o概述oFMECA的定義、目的和作用oFMECA的方法oFMECA的步驟n系統(tǒng)定義n故障模式影響分析n危害性分析n危害性矩陣圖oFMECA輸出與注意的問題o應(yīng)用案例2022-5-233概述概述o元部件的故障對系統(tǒng)可造成重大影響n災(zāi)難性的影響o挑戰(zhàn)者升空爆炸發(fā)動機液體燃料管墊圈不密封n致命性的影響o起落架上位鎖打不開o以往設(shè)計師依靠經(jīng)驗判斷元部件故障對系統(tǒng)的影響n依賴于人的知識和工作經(jīng)驗o系統(tǒng)的、全面的和標(biāo)準(zhǔn)化的方法FMEC

2、An設(shè)計階段發(fā)現(xiàn)對系統(tǒng)造成重大影響的元部件故障n設(shè)計更改、可靠性補償o是可靠性、維修性、保障性和安全性設(shè)計分析的基礎(chǔ)2022-5-234FMECA的概念的概念oFMECA的定義n故障模式影響及危害性分析(Failure Mode ,Effects and Criticality analysis , 簡記為FMECA)是分析系統(tǒng)中每一產(chǎn)品所有可能產(chǎn)生的故障模式及其對系統(tǒng)造成的所有可能影響，并按每一個故障模式的嚴(yán)重程度及其發(fā)生概率予以分類的一種歸納分析方法。oFMECA是一種自下而上的歸納分析方法；oFMEA和CA。oFMECA的目的n從產(chǎn)品設(shè)計（功能設(shè)計、硬件設(shè)計、軟件設(shè)計）、生產(chǎn)（生產(chǎn)可行性

3、分析、工藝設(shè)計、生產(chǎn)設(shè)備設(shè)計與使用）和使用發(fā)現(xiàn)各種影響產(chǎn)品可靠性的缺陷和薄弱環(huán)節(jié)，為提高產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性水平提供改進依據(jù)。2022-5-235FMECA作用作用 o保證有組織地定性找出系統(tǒng)的所有可能的故障模式及其影響，進而采取相應(yīng)的措施。o為制定關(guān)鍵項目和單點故障等清單或可靠性控制計劃提供定性依據(jù)。o為可靠性（R）、維修性（M）、安全性（S）、測試性（T）和保障性（S）工作提供一種定性依據(jù)。o為制定試驗大綱提供定性信息。o為確定更換有壽件、元器件清單提供使用可靠性設(shè)計的定性信息。o為確定需要重點控制質(zhì)量及工藝的薄弱環(huán)節(jié)清單提供定性信息。o可及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計、工藝中的各種缺陷。 2022-5-23

4、6FMECA方法分類方法分類2022-5-237在產(chǎn)品壽命周期在產(chǎn)品壽命周期各階段的各階段的FMECA方法方法論證與方案階段工程研制階段生產(chǎn)階段使用階段方法功能FMECA硬件FMECA軟件FMECA損壞模式影響分析過程FMECA統(tǒng)計FMECA目的分析研究系統(tǒng)功能設(shè)計的缺陷與薄弱環(huán)節(jié)，為系統(tǒng)功能設(shè)計的改進和方案的權(quán)衡提供依據(jù)。分析研究系統(tǒng)硬件、軟件設(shè)計的缺陷與薄弱環(huán)節(jié)，為系統(tǒng)的硬件、軟件設(shè)計改進和保障性分析提供依據(jù)。分析研究所設(shè)計的生產(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)計改進提供依據(jù)。分析研究產(chǎn)品使用過程中實際發(fā)生的故障、原因及其影響，為提供產(chǎn)品使用可靠性和進行產(chǎn)品的改進、

5、改型或新產(chǎn)品的研制提供依據(jù)。2022-5-238FMECA的步驟的步驟2022-5-2391 系統(tǒng)定義系統(tǒng)定義o確定系統(tǒng)中進行FMECA的產(chǎn)品范圍n產(chǎn)品層次示例n約定層次規(guī)定的FMECA的產(chǎn)品層次n初始約定層次系統(tǒng)最頂層n最低約定層次系統(tǒng)最底層o描述系統(tǒng)的功能任務(wù)及系統(tǒng)在完成各種功能任務(wù)時所處的環(huán)境條件n任務(wù)剖面、任務(wù)階段及工作方式n功能描述o制定系統(tǒng)及產(chǎn)品的故障判據(jù)、選擇FMECA方法等n故障判據(jù)n分析方法2022-5-23102 故障模式影響分析故障模式影響分析FMEA2022-5-23113 危害性分析危害性分析(CA)o分類：定性和定量oCA表2022-5-2312危害性矩陣圖危害性矩

6、陣圖2022-5-2313FMECA輸出與注意的問題輸出與注意的問題oFMECA輸出n單點故障模式清單n、類故障模式清單n可靠性關(guān)鍵件、重要件n不可檢測故障模式清單n危害性矩陣圖等nFMEA/CA表2022-5-2314實施實施FMECA應(yīng)注意的問題應(yīng)注意的問題o強調(diào)“誰設(shè)計、誰分析”的原則n“誰設(shè)計、誰分析”的原則，也就是產(chǎn)品設(shè)計人員應(yīng)負(fù)責(zé)完成該產(chǎn)品的FMECA工作，可靠性專業(yè)人員應(yīng)提供分析必須的技術(shù)支持。n實踐表明，F(xiàn)MECA工作是設(shè)計工作的一部分?！罢l設(shè)計、誰分析”、及時改進是進行FMECA的宗旨，是確保FMECA有效性的基礎(chǔ)，也是國內(nèi)外開展FMECA工作經(jīng)驗的結(jié)晶。如果不由產(chǎn)品設(shè)計者實

7、施FMECA，必然造成分析與設(shè)計的分離，也就背離了FMECA的初衷。2022-5-2315實施實施FMECA應(yīng)注意的問題應(yīng)注意的問題o重視FMECA的策劃n實施FMECA前，應(yīng)對所需進行的FMECA活動進行完整、全面、系統(tǒng)地策劃，尤其是對復(fù)雜大系統(tǒng)，更應(yīng)強調(diào)FMECA的重要性。其必要性體現(xiàn)在以下幾方面：o結(jié)合產(chǎn)品研制工作，運用并行工程的原理，對所需的FMECA進行完整、全面、系統(tǒng)地策劃，將有助于保證FMECA分析的目的性、有效性，以確保FMECA工作與研制工作同步協(xié)調(diào)，避免事后補做的現(xiàn)象。o對復(fù)雜大系統(tǒng)，總體級的FMECA往往需要低層次的分析結(jié)果作為輸入，對相關(guān)分析活動的策劃將有助于確保高層次

8、產(chǎn)品FMECA的實施。oFMECA計劃階段事先規(guī)定的基本前提、假設(shè)、分析方法和數(shù)據(jù)，將有助于在不同產(chǎn)品等級和承制方之間交流和共享，確保分析結(jié)果的一致性、有效性和可比性。2022-5-2316實施實施FMECA應(yīng)注意的問題應(yīng)注意的問題o保證FMECA的實時性、規(guī)范性、有效性n實時性。FMECA工作應(yīng)納入研制工作計劃、做到目的明確、管理務(wù)實；FMECA工作與設(shè)計工作應(yīng)同步進行，將FMECA結(jié)果及時反饋給設(shè)計過程。n規(guī)范性。分析工作應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行FMECA計劃、有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)/文件的要求。分析中應(yīng)明確某些關(guān)鍵概念，比如：故障檢測方法是系統(tǒng)運行或維修時發(fā)現(xiàn)故障的方法；嚴(yán)酷度是對故障模式最終影響嚴(yán)重程度的度量，危

9、害度是對故障模式后果嚴(yán)重程度的發(fā)生可能性的綜合度量，兩者是不同的概念，不能混淆。n有效性。對分析提出的改進、補償措施的實現(xiàn)予以跟蹤和分析，以驗證其有效性。這種過程也是積累FMECA工程經(jīng)驗的過程。2022-5-2317實施實施FMECA應(yīng)注意的問題應(yīng)注意的問題oFMECA的剪裁和評審nFMECA作為常用的分析工具，可為可靠性、安全性、維修性、測試性和保障性等工作提供信息，不同的應(yīng)用目的可能得到不同的分析結(jié)果。各單位可根據(jù)具體的產(chǎn)品特點和任務(wù)對FMECA的分析步驟、內(nèi)容進行補充，剪裁，并在相應(yīng)文件中予以明確。2022-5-2318實施實施FMECA應(yīng)注意的問題應(yīng)注意的問題oFMECA的數(shù)據(jù)n故障

10、模式是FMECA的基礎(chǔ)。能否獲得故障模式的相關(guān)信息是決定FMECA工作有效性的關(guān)鍵。若進行定量分析時還需故障的具體數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)除通過試驗獲得外，一般是需要通過相似產(chǎn)品的歷史數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。有計劃有目的地注意收集、整理有關(guān)產(chǎn)品的故障信息，并逐步建立和完善故障模式及頻數(shù)比的相關(guān)故障信息庫，這是開展有效的FMECA工作的基本保障之一。oFMECA應(yīng)與其他分析方法相結(jié)合nFMECA雖是有效的可靠性分析方法，但并非萬能。它不能代替其他可靠性分析工作。應(yīng)注意FMECA一般是靜態(tài)的、單一因素的分析方法。在動態(tài)方面還很不完善，若對系統(tǒng)實施全面分析還需與其他分析方法（如FTA、ETA等）相結(jié)合。2022-5

11、-2319故障模式故障模式o故障與故障模式n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)（對機械產(chǎn)品也稱失效）n故障模式是故障的表現(xiàn)形式，如起落架撐桿斷裂、作動筒間隙不當(dāng)、收放不到位等o產(chǎn)品功能與故障模式n一個產(chǎn)品可能具有多種功能o起落架：支撐、滑跑、收放等n每一個功能有可能具有多種故障模式o支撐：降落時折起o滑跑：震動o收放：收不起、放不下2022-5-2320典型故障模式典型故障模式GJB1391故障模式影響及危害性分析序故障模式序故障模式序故障模式1結(jié)構(gòu)故障(破損)12超出允差(下限)23 滯后運行2捆結(jié)或卡死13意外運行24 錯誤輸入(過大)3振動14間歇性工作25 錯

12、誤輸入(過小)4不能保持正常位置15漂移性工作26 錯誤輸出(過大)5打不開16錯誤指示27 錯誤輸出(過小)6關(guān)不上17流動不暢28 無輸入7誤開18錯誤動作29 無輸出8誤關(guān)19不能關(guān)機30 (電的)短路9內(nèi)部漏泄20不能開機31(電的)開路10 外部漏泄21不能切換32 (電的)漏泄11超出允差(上限)22提前運行33 其它2022-5-2321機械產(chǎn)品典型故障模式機械產(chǎn)品典型故障模式o 故障模式可分為以下七大類：n損壞型：如斷裂、變形過大、塑性變形、裂紋等。n 退化型：如老化、腐蝕、磨損等。n松脫性：松動、脫焊等n失調(diào)型：如間隙不當(dāng)、行程不當(dāng)、壓力不當(dāng)?shù)取 堵塞或滲漏型：如堵塞、漏油

13、、漏氣等。n 功能型：如性能不穩(wěn)定、性能下降、功能不正常。n其他：潤滑不良等。2022-5-2322故障原因故障原因o直接原因：導(dǎo)致產(chǎn)品功能故障的產(chǎn)品自身的那些物理、化學(xué)或生物變化過程等，直接原因又稱為故障機理。o間接原因：由于其他產(chǎn)品的故障、環(huán)境因素和人為因素等引起的外部原因。o例如起落架上位鎖打不開n直接原因：鎖體間隙不當(dāng)、彈簧老化等n間接原因：鎖支架剛度差2022-5-2323任務(wù)階段與工作方式任務(wù)階段與工作方式o任務(wù)剖面又由多個任務(wù)階段組成n起落架任務(wù)階段：o起飛o著陸o空中飛行o地面滑行o工作方式：n可替換n有余度o上位鎖開鎖：液壓、手動鋼索、冷氣o因此，在進行故障模式分析時，要說明

14、產(chǎn)品的故障模式是在哪一個任務(wù)剖面的哪一個任務(wù)階段的什么工作方式下發(fā)生的。2022-5-2324任務(wù)剖面任務(wù)剖面L=123L=209T=12.15L=419.6T=24.40L=117.7T=6.84L = 38L=827.4T=48.10T=48.1投720L副油箱投960L副油箱T=12.2M=0.86M=0.86M=0.86M=0.86航程航程L（km）航時航時T（min）高度高度H（km）T=24.4T=6.8T=5.0 空空空剖面空剖面1 1510112022-5-2325故障影響故障影響o故障影響與約定層次n約定層次示例o故障影響n局部影響:某產(chǎn)品的故障模式對該產(chǎn)品自身和與該產(chǎn)品所在

15、約定層次相同的其他產(chǎn)品的使用、功能或狀態(tài)的影響n高一層次影響:某產(chǎn)品的故障模式對該產(chǎn)品所在約定層次的高一層次產(chǎn)品的使用、功能或狀態(tài)的影響n最終影響:指系統(tǒng)中某產(chǎn)品的故障模式對初始約定層次產(chǎn)品的使用、功能或狀態(tài)的影響2022-5-2326嚴(yán)酷度類別嚴(yán)酷度類別o嚴(yán)酷度：產(chǎn)品故障造成的最壞后果的嚴(yán)重程度o嚴(yán)酷度類別定義(GJB1391)嚴(yán)酷度類別嚴(yán) 重 程 度 定 義類(災(zāi)難的)這是一種會引起人員死亡或系統(tǒng)(如飛機、坦克、導(dǎo)彈及船舶等)毀壞的故障。類(致命的)這種故障會引起人員的嚴(yán)重傷害、重大經(jīng)濟損失或?qū)е氯蝿?wù)失敗的系統(tǒng)嚴(yán)重?fù)p壞。類(臨界的)這種故障會引起人員的輕度傷害，一定的經(jīng)濟損失或?qū)е氯蝿?wù)延誤

16、或降級的系統(tǒng)輕度損壞。類(輕度的)這是一種不足以導(dǎo)致人員傷害、一定的經(jīng)濟損失或系統(tǒng)損壞的故障，但它會導(dǎo)致非計劃性維護或修理。2022-5-2327故障檢測方法故障檢測方法o故障檢測方法一般包括目視檢查、離機檢測、原位測試等手段：n自動傳感裝置n傳感儀器n音響報警裝置n顯示報警裝置o故障檢測一般分為事前檢測與事后檢測兩類，對于潛在故障模式，應(yīng)盡可能設(shè)計事前檢測方法。2022-5-2328補償措施補償措施o設(shè)計補償措施n產(chǎn)品發(fā)生故障時，能繼續(xù)安全工作的冗余設(shè)備n安全或保險裝置(如監(jiān)控及報警裝置)n可替換的工作方式(如備用或輔助設(shè)備)n可以消除或減輕故障影響的設(shè)計或工藝改進(如概率設(shè)計、計算機模擬仿

17、真分析和工藝改進等)o操作人員補償措施n特殊的使用和維護規(guī)程，盡量避免或預(yù)防故障的發(fā)生n一旦出現(xiàn)某故障后操作人員應(yīng)采取的最恰當(dāng)?shù)难a救措施2022-5-2329約定層次示例約定層次示例故障影響系統(tǒng)定義2022-5-2330故障概率等級或數(shù)據(jù)來源故障概率等級或數(shù)據(jù)來源o故障概率等級定性分析方法nA級-經(jīng)常發(fā)生 20%nB級-有時發(fā)生 10% 20%nC級-偶然發(fā)生 1% 10%nD級-很少發(fā)生 0.1% 1%nE級-極少發(fā)生 .0.1%o數(shù)據(jù)來源n預(yù)計值n分配值n外場評估值等2022-5-2331故障模式頻數(shù)比故障模式頻數(shù)比o故障模式頻數(shù)比n故障模式頻數(shù)比是產(chǎn)品的某一故障模式占其全部故障模式的百分

18、比率。如果考慮某產(chǎn)品所有可能的故障模式，則其故障模式頻數(shù)比之和將為1n模式故障率m是指產(chǎn)品總故障率p與某故障模式頻數(shù)比的乘積o例：故障模式頻數(shù)比及模式故障率氣體控制活門故障模式 故障模式頻數(shù)比產(chǎn)品故障率p模式故障率m不閉合不打開外部漏氣34%57%9%0123450.041970.070360.01111總 計10 0.123452022-5-2332故障影響概率故障影響概率o故障影響概率是指假定某故障模式已發(fā)生時，導(dǎo)致確定的嚴(yán)酷度等級的最終影響的條件概率。某一故障模式可能產(chǎn)生多種最終影響，分析人員不但要分析出這些最終影響還應(yīng)進一步指明該故障模式引起的每一種故障影響的百分比，此百分比即為。這多

19、種最終影響的值之和應(yīng)為1n故障影響概率示例2022-5-2333故障模式危害度與產(chǎn)品危害度故障模式危害度與產(chǎn)品危害度o故障模式危害度評價單一故障模式危害性nCm(j)=pt, j=， o產(chǎn)品危害度評價產(chǎn)品的危害性nCr(j)= Cmi(j)，i=1,2,nn為該產(chǎn)品的故障模式總數(shù)，j=，nCmi(j)產(chǎn)品在第j類嚴(yán)酷度類別下的所有故障模式的危害度之和2022-5-2334某型軍用教練飛機升降舵系統(tǒng)的某型軍用教練飛機升降舵系統(tǒng)的FMECA o系統(tǒng)定義 n系統(tǒng)組成及功能 n約定層次 n繪制可靠性方框圖n故障判據(jù) n嚴(yán)酷度類別 oFMECA表的填寫nFMECA表格的選取 nFMECA表中信息來源 n

20、主要故障模式 n系統(tǒng)在不同嚴(yán)酷度下的危害度 oFMECA報告2022-5-2335系統(tǒng)定義系統(tǒng)定義o系統(tǒng)組成及功能n某型軍用教練飛機升降舵系統(tǒng)是單梁盒式薄壁結(jié)構(gòu)，并是由梁、小梁、肋、蒙皮所組成的雙閉室剖面結(jié)構(gòu)。為保證升降舵系統(tǒng)的操作由負(fù)載、配平性能需要，還裝有配重的調(diào)整片、翼尖配重。 o約定層次 n初始約定層次為某型軍用教練機n約定層次圖 o繪制方框圖n繪制功能結(jié)構(gòu)方框圖n繪制可靠性框圖o故障判據(jù) o嚴(yán)酷度類別2022-5-2336某型軍用教練飛機升降舵系統(tǒng)約定層次某型軍用教練飛機升降舵系統(tǒng)約定層次2022-5-2337功能結(jié)構(gòu)方框圖功能結(jié)構(gòu)方框圖2022-5-2338可靠性框圖可靠性框圖2022-5-2339故障判據(jù)故障判據(jù)o升降舵系統(tǒng)凡發(fā)生不滿足以下要求的情況之一，即認(rèn)為該系統(tǒng)發(fā)生了故障：n舵面偏轉(zhuǎn)時應(yīng)準(zhǔn)確及時偏轉(zhuǎn)到規(guī)定位置；n左、右升降舵應(yīng)保持同步偏轉(zhuǎn)；n飛機長期穩(wěn)定飛行時，舵面應(yīng)保持確定的平衡位置；n舵面偏轉(zhuǎn)時無卡滯現(xiàn)象；n飛行中舵面無強烈振動現(xiàn)象；n調(diào)整片按要求能正常偏轉(zhuǎn)；n配重?zé)o松動現(xiàn)象；n舵面結(jié)構(gòu)滿足了強度、剛度要求，沒有因疲勞、腐蝕等導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)的損傷。 2022-5-2340嚴(yán)酷度類別嚴(yán)酷度類別o升降舵系統(tǒng)嚴(yán)酷度類別的定義 嚴(yán)酷度類別 嚴(yán)重程度定義 類（災(zāi)難的