设备工程监理教材《技术与方法》第六章.docx
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设备工程监理教材《技术与方法》第六章
第六章系统可靠性分析第一节可靠性概述可靠性技术是20世纪50年代兴起的一门综合性工程技术，是研究产品故障发
生原因及其消除和预防的一门学科，其基本思想是通过产品现场使用信息和试验数据的反馈、分析，在设计和制造阶段，就能预测和预防以后可能发生的各种失效的隐患。
可靠性技术要依靠产品设计、材料、工艺、控制、试验和使用维修等各方面的专业技术支持，要同质量管理密切结合，才能保证产品达到规定的可靠性水平，从而确保产品发挥其功能，具有足够的效能。
它起源于电子领域，现已颁发的一些可靠性设计、试验和分析方法或标准，大都是根据电子产品的故障得出的，多数是根据随机性的、由寿命服从指数分布等特点制定的。
现在可靠性技术已从最初应用于电子产品和系统，扩展到包括机械工程在内的许多领域。
在国外，许多产品都采用可靠性作为基本指标，．进行产品的可靠性分析和评定，对提高质量、促进新产品开发起了积极作用。
一＼可靠性的概念
可靠性是产品的一种质量指标，是指产品在规定的时间和规定的条件下完成规定功能的能力，或者是能保持完成规定功能的时间。
它表征产品的耐久性、无故障性、维修性等特征。
常用的指标形式有：
可靠度、失效率、可靠寿命、首次故障平均时间（MTTF）、平均无故障工作时间（MTBF）、维修度、有效度（可用率）等。
同一般质量指标的区别在于它是一种时间质量指标。
一般产品的性能、功能参数只要产品完成就可以考核，即在出厂检验中可得到评定，因而称做t=0（使用前）的质量。
而可靠性是指产品保持其功能的时间，或是在规定时间内保持功能的能力，对它的评定要等用户使用后，或者模拟使用后才能进行，所以称为艺>O的质量。
可靠性是一项包括管理和技术的综合技术，因而它涉及的范围相当广泛，但其主要内容是解决产品不可靠的问题。
为了产品少出故障、不出故障，从而研究预测故障、预防故障和消除故障。
可靠性技术方法基础范围相当广，大致可分为定性和定量两类方法。
定性方法是以固有技术和故障经验为主，根据产品长期应用的效率和积累的许多失效、故障处理经验，指导新设计采取故障预防的对策，以保证产品的可靠性，这是从质的方面提高可靠性的根本途径。
定量方法是在积累了大量可靠性数据的基础上，应用可靠性数学（含概率论、数理统计）方法，定量地确定产品的可靠性。
一可靠性的指标
确定可靠性指标是可靠性工作的第一步，一般应在规划和设计阶段就确定下来，以便研究相应的投资计划和生产力量配备。
可靠性指标可以是定量的或定性的。
定量的指标又可分为耐久性、无故障性、维修性和综合评定等几类。
耐久性指标不是笼统地指寿命长，而是指在对应其规定的使用时间内能否充分发挥其功能的可能性。
采用什么样的指标来评价产品的可靠性，要根据具体产品的简、繁程度和使用目的而定。
一般对于可以修理的复杂系统、机器设备，常用可靠度、可靠寿命、MTBF.MTTF、使用寿命、有效度等指标；对于不能够或者不需修理的产品，主要是耗损件、零件、材料等，常用可靠度、可靠寿命、故障率、失效时间分布特性等指标。
可靠性指标还可分为顾客指标、技术指标、改良指标等。
以上介绍的都是顾客指标。
但在设计、制造中都分解为改良指标，即分解为某个零件发生故障的次数，或者某种故障模式发生故障的次数，在有些试验规范中能看到这些改良的指标形式。
可靠性指标在国外是产品竞争的重要武器，大都为企业内控指标。
为实现可靠性所采用的技术是保密的。
国内，从前是以行政渠道下达指标，1985年机械部就决定对部分机电产品颁发可靠性限期考核的指标，其后又提出十一个行业222种机电产品限期达标的可靠性指标。
这种做法虽在一定程度上推进了可靠性工作，但难免不走形式（如样品是小批量精心制作的），且考核的方法不尽科学，致使效果不明显。
我国在产品设计应用可靠性技术，与国外发达国家相比，仍然差距很大。
在市场经济条件下，企业应从市场竞争的需要出发，将可靠性纳入产品的质量指标并实施管理。
三、可靠性的技术
可靠性的技术基础相当广泛。
定量化的方法就是一般可靠性书中的内容，它要从失效的概率分布讲起，如何能定量地设计、试验、控制和管理产品的可靠性。
定性方法则是经验为主，把过去积累的处理失效的经验设计到产品中，使它具有避免故障的能力。
定性和定量方法是相辅相成的。
可靠性技术的重点是研究故障的事前、事中和事后分析技术。
事前分析是指可靠性设计和试验分析技术，其目的是在设计阶段预测和预防所有可能发生的故障和隐患，从而防患于未然，把可靠性设计到产品中去。
事中分析是指产品在运行中的故障诊断、检测和寿命预测技术，以保持运行的可靠性。
事后分析是指产品发生故障或失效后的分析，找出产品故障模式和原因，研究预防故障的技术。
事前分析是可靠性研究重点的重点，美国工业中90070的可靠性成本用于设计上。
常用的提高产品可靠性的技术有：
1．冗余技术
其基本思想是用几个顶一个，可谓有备无患。
为了保证系统运行的可采用并联系统的方法，当主系统出现故障时，备用系统立即自动启动，如有的液压挖掘机采用双泵、双发动机。
2．预应力筛选
在电子元器件中，常在一个预应力下进行元器件的筛选试验，淘汰那些可靠性经不起考验的元器件。
：
）3．降负荷使用对于电子元器件及机械零件中的有疵点的产品，常用降低其额定负荷的方法，
来提高可靠性。
4．应力一强度设计
对机械产品，为了保证其机件结构的可靠性，防止脆性断裂及疲劳断裂，保留适当的安全系数，对产品的组成进行边缘参数设计。
5．环境防护设计
包括：
对产品进行热设计，防止局部温升过高，降低可靠性；对产品进行电磁兼容设计，防止或尽量减少电磁干扰，使产品有良好的屏蔽及接地系统；防潮湿、盐务和霉菌的防护设计；防冲击与振动的设计等。
6．防错设计
为避免在装配、操作、维修中出现差错，应进行防错设计：
（1）对外形相近而功能不同的零部件应从结构上保证不能安装互换。
（2）对于需要按规定次序顺序操作的控制器，应有明显的顺序标号。
（3）对可能出现的误装配、误操作的零部件，均应有明显的标志，以防止误操
O
（4）对维修中可能因为维修不当而引起损坏的零部件和元器件，必须有特殊标志或专门规定。
例如某些器件的焊接时间不能太长、温度不能太高等。
（5）对可能出现安装错位的零部件必须有定位装置（至少应有定位标记）o7．潜在通路分析
对产品进行潜在通路分析，防止出现不需要的有害功能或需要的功能受到抑制，以保障产品的可靠性。
8．人机工程设计
为了减少人为的操作差错，应按人机工程的要求进行宜人设计，如：
适当的操作位置和空间，考虑人的体力限制，适当的工作环境（照明、温度、湿度、噪声和振动等）o
9．维修性设计
维修性是广义可靠性（即可信性）的重要组成部分。
其目的在于通过缩短产品发生故障后的修复时间，并尽可能降低产品的寿命周期总费用。
在应用可靠性技术的理论和方法时，应注意机械类和电子类产品的可靠性问题的差别，见表6-10
表6-1机械类和电子类产品可靠性特点的比较
机械产品
电子产品
系统构成
机械结构
动力系统
电气系统
液压系统
电源系统
指示系统
发送信号系统
接收信号系统
放大系统
可靠性指标
耐用寿命（时间、次数）、MTBF
零件更换寿命、可靠寿命
整机可用性
MTBF
元件失效率
整机可用性
故障机制
在定期维修条件下，复杂的整机设备故
障呈现随机性
零部件以耗损性故障为主
元件和整机故障多属随机性
故障关联性
与连接、使用、维修方式有关
元件故障基本独立无关
使用环境
使用环境条件复杂，需掌握环境变化和
极值条件，应力分析十分重要
使用环境一般良好，有密闭和保护，应力
因素gJ1预测
维修方式
一般以预防性维修为主
预防性维修意义不大
可靠性预计
困难
可能
数据准备
公用数据收集不易，积累尚未正规化
数据已广泛发布，已形成数据积累制度
四＼可靠性设计1．综述
为了达到产品的可靠性指标而进行的设计，称可靠性设计。
可靠性设计实质上是指在设计开发阶段运用各种技术和方法，预测和预防产品在制造和使用过程中可能发生的各种偏差、隐患和故障，保证设计一次成功的过程。
这就要求设计者除考虑一般的设计特性，如应力、重量、结构等方面外，还需正确评价在整个寿命周期内可能发生的环境条件和材料性能等变化对产品可靠性的影响，采取事前预防措施，保证定性或定量可靠性目标的实现。
为了实施产品可靠性设计，必须提高设计人员预测和预防故障的能力，除了传统的设计技术外，还要采用各种分析、预测和保证产品可靠性的方法和原则。
可靠性设计的目的是：
在达到产品可靠性指标的前提下，配合产品的价值工程设计，尽可能降低产品在寿命周期内的总费用。
2．可靠性设计的主要内容
可靠性设计的主要内容包括：
（1）可靠性分配。
可靠性设计的首要任务，是把有限的可用于可靠性工作的资
源（人力、物力、资金），安排在效益／成本比最有利的工作项目上。
为此，要研究及建立产品的失效判据，建立产品的可靠性模型，按整机的可靠性目标对产品各组成部分的可靠性进行分配。
（2）提高产品薄弱环节的可靠性。
提高产品可靠性的关键在于提高其薄弱环节的可靠性。
为此，需要进行FMEA和FTA，从而找出薄弱环节，在设计上预先采取补救措施。
（3）采用可靠性技术，如本节前面所述。
（4）可靠性设计管理。
可靠性设计管理是可靠性设计的根本保证。
为此，需要编制一个可靠性设计管理规则，并严格予以执行；建立企业的可靠性设计法规，如标准、手册、规范；建立可靠性的信息系统；建立可靠性队伍。
根据需要可设立可靠性的工作部门或专职人员；开展可靠性的设计评审等。
3．可靠性设计经验
除采用前述可靠性技术外，可靠性设计经验还有：
（1）选择设计方案时尽量不采用还不成熟的新系统和零件，尽量采用已有经验并已标准化的零部件和成熟的技术。
（2）结构简化，零件数削减。
如日本横河记录仪表10年中元件数削减30070，大大提高了可靠性。
（3）考虑功能零件接近可采用模块结构以利于可维修性。
（4）设置故障监测和诊断装置。
（5）考核零部件的互换性。
（6）失效安全设计。
系统某一部分即使发生故障，但使其限制在预先规定的一定范围内，采用失效易损件（如压力锅的易熔限压阀），从而不致影响整个系统的功能。
（7）安全寿命设计。
保证使用中不发生破坏而充分安全的设计。
例如，对一些重要的安全性零件如汽车刹车、转向机构等要保证在极限条件下不能发生变形、破坏。
（8）加强连接部分的设计分析。
例如：
选择合理的连接、止推方式；考核防振、防冲击；对连接条件的确认。
舒
（9）可靠性确认试验。
在没有现成数据和可用的经验时，这是唯一的手段，尤其是机械零部件的可靠性预测精度还很低，主要通过试验确认。
为了使设计时能充分地预测和预防故障，把更多的失效经验设计到产品中，因而必须帮助设计人员掌握充分的故障情报资料和设计依据。
可采取以下措施：
（1）编制可靠性检查表。
从可靠性观点和经验出发，列出设计中应考核的重点，设计时逐项检查，考虑预防的对策。
（2）推行FMEA、FTA方法。
它们是可靠性分析中的重要手段，在国外被看做与设计图样一样重要。
（3）编制故障事例集。
把过去技术上的失败和改进的事例编成手册，供设计者随时参考。
通常用简图表示，将故障和改进作对比，对故障的原因和情况附有简单
说明。
（4）建立可靠性数据库。
广泛有效地收集设计、制造中的失败和改进经验。
试验和实际用的数据，形成检索系统和数据库，使设计者能超越本组织，充分利用别人实践过的经验，如电子产品已形成世界性可靠性信息交换网。
（5）不断充实、改善、、设计、试验规范。
从使用实际得来的故障教训要反馈到设计部门，体现在设计、试验方法的改进中，要将这些改进效果作为产品设计规范和试验标准的改进依据，．使它们成为设计技术的一部分。
随着可靠性工作的开展，必须加强设计、试验规范的研究，从而不断改进试验方法和标准。
如日本小松制作所10年中试验标准增加3倍，丰田公司的试验标准有1500项之多，可见它们对试验的重视程度。
（6）建立可靠性工作部门。
在美国，较复杂产品的生产企业，普遍建立可靠性工作部门，由具有丰富可靠性经验和掌握可靠性技术的专家归口管理可靠性工作。
在产品开发项目中配备专业的可靠性工程师。
第二节失效模式及影响分析
失效模式及影响分析、故障树分析和事件树分析是可靠性设计的组成部分。
可靠性是一专门的学科，本章后三节将分别介绍失效模式及影响分析、故障树分析和事件树分析。
一＼失效模式及影响分析简介
失效模式及影响分析，是一种自下而上（由元器件至系统）的故障因果关系的分析方法，可简称为FMEA,FMEA是FailureModeandEffectsAnalysis的缩写。
是对产品、产品功能及组成产品每个零部件从设计、制造到产品系统运行中可能存在的失效模式及影响的分析，是一种重要的预防故障发生的工具oFMEA可以减少产生问题时的“救火”，使体系更有效地运行。
FMEA有三种基本形式：
（1）系统失效模式及影响分析（SystemFailureModeandEffectAnalysis，SFMEA）o分析部件、组件、运行原理等失效模式及其交互作用时，对系统的一个或多个功能的影响。
（2）设计失效模式及影响分析（DesignFailureModeandEffectAnalysis，DFMEA）o产品开发研制时，分析部件或运行原理等的失效模式相互组合时，对产品或系统的影响。
（3）过程失效模式及影响分析（ProcessFailureModeandEffectAnalysis，PFMEA）o用于分析零件或部件在制造及装配中存在的失效模式及其影响。
FMEA方法提供了一种规范化、标准化、系统的有效分析工具oFMEA是对组成产品部件的可能发生故障及对上一级乃至整个系统的影响和危害程度列表进行分析的方法oFMEA是一组系列化的活动，其目的是：
（1）发现并评价产品、过程中潜在的失效及其后果。
（2）采取能避免或减少这些潜在失效发生的措施。
（3）形成文件以便跟踪检验所采取措施的效果，便于不断改进。
FMEA可用于现有产品和现有过程的改进，新产品和新过程的设计，预测产品和过程的可靠性水平oFMEA是分析产品和过程薄弱环节，并采取措施改进并提高可靠性水平的有效方法。
目前国内外的许多工程中都大力推广这种简单易行、效果良好的方法，并采取强制性的措施加以推行。
如：
国际通信卫星、欧洲空间局和美国的各型卫星都规定必须进行FMEAo我国所有的汽车制造公司都要求其各级供应商进行FMEA，而且，还要通过第三方的认证评价。
日本的汽车行业也规定不但在设计阶段必须进行，而且在制定工序时也应进行FMEAo具体说，某教练机的液压系统经FMEA后发现12个关键的故障模式，在设计阶段即采取了改进措施将其消除。
某雷达通过FMEA后发现其发射机中的一个薄弱环节，因此采用了冗余设计措施，从而大大提高了雷达的可靠性。
一＼设计失效模式及影响分析1．设计失效模式及影响分析简介设计失效模式及影响分析可简称DFMEA，是在设计初期采用的一种分析技术，
保证充分考虑到并指明潜在的失效模式及相关的原因及机理。
并评价最终产品与其相关的其他部件子系统及系统相互关系。
应用DFMEA可在以下方面辅助设计，降低失效风险：
（1）有助于对设计要求的评价，并可对不同设计方案作出客观真实评价。
（2）考虑制造与装配的工艺要求，并进行最初工艺设计。
（3）提高设计开发过程中设计质量和可靠性。
（4）为制订全面的设计开发计划提供信息。
（5）根据失效严重程度制定一套设计改进和开发试验优先控制系统。
（6）提供一个讨论降低风险的形式。
（7）为分析研究现场情况，评价设计更改及开发先进设计提供参考。
DFMEA是一份动态文件，在产品开发设计的各阶段中，随着设计变化或其他信息及时地进行修改，直到设计任务完成oDFMEA应考虑制造和装配中有关工艺问题，如铸造拔模斜度、焊接中的有关问题、材料性能等方面的要求。
2．失效模式及影响分析流程顺序
（1）失效模式及后果分析的顺序，见表6-20
（2）失效模式及影响分析的流程。
失效模式及影响分析（包括DFMEA和PFMEA）的流程一般可分为以下九步进行，见表6-30
3．DFMEA的表格说明
DFMEA一般以表格的形式进行研究，表格根据研究对象的特点制定，表6—4是设计失效模式及影响分析表格。
表6—3失效模式及影响分析的流程步骤
步骤
活动
第一步
描述产品或过程
第二步
义功能
第三步
识别潜在失效
第四步
分析失效影响并分类
第五步
确定原因并归类
第六步
检查当前方法和控制有效性
第七步
计算危害程度
第八步
采取纠正预防措施
第九步
跟踪研究，不断改进
表头部分有：
系统名称、子系统名称、零部件名称、责任部门、关键日期、负责人、编号、编制人、日期、参加人员等项。
DFMEA表格内各项说明：
①项目／功能：
用简明的文字说明项目的名称和编号，及项目应满足设计意图的功能，当有多项功能时应分别说明。
这相当于表6-3所示的DFMEA流程中的第一、二步工作。
②潜在失效模式：
是指系统、子系统或零部件可能未达到设计目标的形式。
失效模式有：
断裂、变形、松动、泄漏、粘连、短路、氧化等。
这相当于表6-3所示的DFMEA流程中的第三步工作。
③潜在失效后果：
失效模式对系统功能的影响，应说明失效对安全性的影响及与法规符合的程度。
应分析系统．中不同层次的失效引起的后果。
典型的失效后果可能是但不限于下列情况：
噪声、．工作不正常、外观不符合、不稳定等。
这相当于表6-3所示的DFMEA流程中的第四步工作。
④严重度（S）：
是失效模式严重程度的评价指标。
要减少严重级别，只能通过修改设计来实现（见表6-5）o
表6-5设计严重度（S）评价准则
失效后果
评定准则
严重度（S）
严重危害
发生严重影响安全性及不符合法规
10-9
高
系统不能运行或性能下降
8—6
低
系统运行正常，但有舒适或方便性的问题存在
5—4
轻微或无
有轻微影响外观、配合的问题存在或无影响
3—1
⑤重要程度：
零件、子系统或系统的特性分级，如关键、重要等。
对特殊过程的控制应用适当的符号或字母表示。
符号的选择应根据具体情况而确定。
⑥潜在失效起因或机理：
设计的薄弱部分，其作用的结果是失效模式。
应尽可能多的将所有失效起因或机理简明、完整地表述出来。
失效起因可能是：
材料不符合、设计寿命估计不当、应力过大、计算错误、润滑不当等。
失效机理可能包括：
屈服、疲劳、材料不稳定、磨损、腐蚀等。
这相当于表6-3所示的DFMEA流程中的第五步工作。
⑦频度（O）：
某一特定失效起因或机理出现的可能性（见表6-6）o通过设计更改或消除失效起因或机理是降低频度的唯一途径。
表6—6设计频度（O）评定准则
失效发生的可能性
频度（O）
很高：
几乎不可避免
10-9
高：
反复发生
8-7
中等：
偶尔发生
6-4
低：
相对很少发生
3-2
极低：
失效不太可能发生
1
设计控制：
预防问题产生采取的措施。
控制方法有：
设计评审、计算研究、台架试验、可行性评审、样件试验等。
这相当于表6-3所示的DFMEA流程中的第六步工作。
⑨不易探测度（D）：
是探测失效原因或机理能力的评价指标（见表6-7）o
表6-7设计不易探测度（D）评价准则
探测性
评定准则
不易探测度（D）
很少
很少或几乎不可能探测失效的原因
10-7
较少
较少能探测失效原因
6-4
很多
有很多的机会可以探测到失效原因
3-1
⑩风刚顷序数（彪）Ⅳ）：
是严重度（S）、频度（O）、不易探测度（D）的乘积。
即
尺尸Ⅳ=Sx0×D
风险顺序数大时设计人员应采取纠正措施，减少风险顺序数。
人们根据风险评估来决定是否采取改进措施。
一般对于汽车的安全件和关键件来说，前者一进人中风险区（即磁）Ⅳ≥64），后者位于中等风险区中间区域（即尺刚≥120），就要采取改进措施。
当然由于行业不一，其起始值是不同的。
但上述不是绝对的，还需顾及：
①不管RPN的值多大，当严重度（S）高时要特别注意，一般可能要采取改进措施。
②当危及顾客、制造和装配人员时，要采取改进措施。
若需要多个改进时，可按磁）Ⅳ值的大小来排列优先解决的顺序。
这相当于表
6-3所示的DFMEA流程中的第七步工作。
④建议措施：
应按磁）Ⅳ排列次序，首先对风险顺序数最高和最关键的项目采取措施，减少尉）Ⅳ值。
措施一般包括：
试验设计、修改试验计划、修改设计、修改材料性能等。
⑤责任和目标完成日期：
确定建议措施的职责及其时域要求。
⑥采取的措施：
简明地说明所采取的措施。
措施的结果：
显示采取纠正措施之后的磁）Ⅳ的结果。
这相于表6--3所示
的DFMEA流程中的第八步工作。
⑧措施结果的跟踪研究：
FMEA是一个动态文件，需要根据不断改进的情况进行修改，跟踪研究对不断改进设计的质量大有帮助。
这相当于表6-3所示的DFMEA流程中的第九步工作。
三、过程失效模式及影响分析1．过程失效模式及影响分析简介过程失效模式及影响分析可简称PFMEA,PFMEA是对过程进行分析的一种分
析技术，保证充分考虑并指明潜在失效模式及其后果，分析其起因和机理oPFMEA
是总结了工艺设计时的设计思想，是一种系统化的设计方法oPFMEA可用于以下方面：
确定与产品相关的过程失效模式。
评价失效模式对顾客的潜在影响。
③确定失效起因，减少失效。
④根据失效模式的级别，建立纠正措施的优选体系。
PFMEA是一份动态文件，应在生产设备准备之前完成。
设计缺陷所产生的失效模式不包括在PFMEA中，PFMEA只解决过程中的失效，
但要考虑产品设计特性参数。
2．PFMEA的表格说明PFMEA一般采用表格的形式进行研究，表格应根据研究的对象制定，表6—8
为PFMEA的一个例子。
PFMEA表头部分有：
系统名称、子系统名称、过程名称、责壬部门、关键日期、负责人、编号、编制人、日期、参加人员等项。
PFMEA表格内各项说明：
①过程功能和要求：
用简明的文字说明工艺过程或工序的目的。
这相当于表
6-3所示的PFMEA流程中的第一、二步工作。
②潜在失效模式：
过程可能发生不满足过程要求及设计意图的形式，是对某一具体过程不符合要求的描述。
典型的失效模式有：
弯曲、毛刺、断裂、变形、短路、安装调试不当等。
这相当于表6--3所示的PFMEA流程中的第三步工作。
③潜在失效后果：
失效模式对顾客的影响。
失效后果可能有：
噪声、不能正常工作。
这相当于表6-3所示的PFMEA流程中的第四步工作。
④严重度（S）：
是失效模式严重程度的评价指标。
要减少严重级别，只能通过修改过程设计来实现（见表6-9）o
⑤重要程度：
零件、子系统或系统的过程特性分级，如关键、重要等。
对特殊过程的控制应用适当的符号或字母表示。
⑥潜在失效起因或机理：
失效是如何发生的，并依据可纠正或控制的原则来描述。
典型的失效起因或机理：
扭矩过大或过小，焊接不正确、测量存在问题，热处理的温度、润滑不当，零件错装或漏装等。
这相当于表6-3所示的PFMEA流程中的第五步工作。
⑦频度（O）：
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