第四章故障模式及影响分析318221750.docx
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第四章故障模式及影响分析318221750
第四章故障模式及影响分析
第一节概述
第二节故障的基本概念
第三节故障模式及影响分析的分析步骤
第四节致命度分析
第五节故障模式及影响分析表格与举例
第一节
一、分析方法的特点
1.故障模式及影响分析是通过原因来分析系统故障（结果）。
即用系统工程方法，从元件（或组件）的故障开始，由下向上逐次分析其可能发生的问题．预测整个系统的故障，利用表格形式，找出不希望的初始原因事件。
2.系统发生故障便可能丧失其功能。
故障模式及影响分析除考虑系统中各组成部分上、下级的层次概念，如物理、空间、时间关系外，还主要考虑功能联系。
从可靠性的角度看，侧重于建立上级和下级的逻辑关系。
因此，故障模式及影响分析是以功能为中心，以逻辑推理为重点的分析方法。
3.该方法是一种定性分析方法，不需要数据作为预测依据，只要有理论知识和过去故障的经验积累就可以了，因而便于掌握。
当个人知识不够时，可采用集思广益的办法进行分析。
4.该方法适用于产品设计、工艺设计、装备设计和预防维修等环节。
二、故障模式及影响分析的目的和要求
1.搞清楚系统或产品的所有故障模式及其对系统或产品功能以及对人、环境的影响；
2.对有可能发生的故障模式，提出可行的控制方法和手段；
3.在系统或产品设计审查时，找出系统或产品中薄弱环节和潜在缺陷，并提出改进设计意见，或定出应加强研究的项目，以提高设计质量，降低失效率，或减少损失；
4.必要时对产品供应列入特殊要求，包括设计、性能、可靠性、安全性或质量保证的要求；
5.对于由协作厂提供的部件以及对于应当加强试验的若干参数需要制定严格的验收标准；
6.明确提出在何处应制定特殊的规程和安全措施，或设置保护性设备、监测装置或报警系统；
7.为系统安全分析、预防维修提供有用的资料。
第二节故障的基本概念
一、故障
所谓故障，一般是指元件、子系统、系统在规定的运行时间内，达不到设计规定的功能。
系统或产品发生故障有多方面原因，以机电产品为例，从其制造、产出和发挥作用，一般都要经历规划、设计、选材、加工制造、装配、检验、包装、贮存、运输、安装、调试、使用、维修等多个环节，每一个环节都有可能出现缺陷、失误、偏差与损伤，这就有可能使产品存在隐患，即处于一种可能发生故障的状态，特别是在动态负载、高速、高温、高压、低温、摩擦和辐射等苛刻条件下使用，发生故障的可能性更大。
从安全角度来说，一般使用事故、灾害的概念。
所谓事故、灾害，是指“故障引起的人身伤亡和物质财产的损失”。
也就是说，故障是事故、灾害的原因。
一个系统或产品从正常发展成事故有一个过程：
正常一异常一征兆状态一故障一事故。
征兆状态是指即使判断为异常，还未达到故障以至事故与灾害状态。
通过观测、检测、监视这种征兆状态可收集到征兆信息．利用征兆信息、可以诊断、预测故障与事故。
根据可靠性定义，讨论故障时不能离开“功能、时间和条件”三个因素。
1．功能
系统或产品发生故障，即丧失功能，其原因或根源不外乎是下级发生故障或不正常（其症状或现象称为故障模式）。
上级和下级的层次概念，除考虑原对象的物理、空间关系外，应主要考虑功能联系及其重要性方面的问题。
故障模式若从可靠性定义来说，一般可从五个方面来考虑，运行过程中的故障；提前动作；在规定的时间不动作；在规定的时间不停止；运行能力降低、超量或受阻。
一般说来．产品或系统不同，故障模式也不同，模式进一步细化如表4-1所示
表4-1一般故障模式
1结构破损
2.机械上卡住
3.震动
4.不能保持在指定位置上
5.不能开启
6.不能关闭
7.误开
8.误关
9.内部泄露
10.外部泄露
11.超出允许上限
12.低于允许下限
13.间断性工作不稳定
14.漂移性工作不稳定
15.意外运行
16.错误指示
17.流动不畅
18.错误动作
19.不能开机
20.不能关机
21.不能切换
22.提前动作
23.滞后动作
24.输入量过大
25.输入量过小
26.输出量过大
27.输出量过小
28.无输入
29.无输出
30.电短路
31.电开路
32.漏电
33.其他
2．条件
在研究系统或产品的故障时，首先应了解其具有的功能及内部状态如何，是否有内部缺陷和劣化的因素，是否由于环境条件或所受应力的作用正在劣化或损伤扩展。
也就是说，应将故障原因分为诱发故障的内因和直接造成故障的外因，即：
内因———————外因
（内部原因，缺陷）（外部应力、人员差错、环境条件、使用条件变化等）
3．时间
考虑到故障对功能的影响时，必然要提出系统或产品的保证期是多少?
故障大概在什么时间发生?
在t＝0时，功能当然正常，但在某个时间以后就可能出现问题。
而且，故障发生的难易程度也是随时间变化的。
故障模式及影响分析不是按时间序列进行分析的，这是它的不足之处。
4．概率
在故障模式及影响分析中，一般要评定相对发生频率等级。
如果有过去的各种数据，在故障模式、影响及致命度分析中利用故障率数据，可以对故障后果作出评价。
二故障模式，机理，原因及效应
1．故障模式
故障模式是从不同表现形态来描述故障的，是故障现象的一种表征，即由故障机理发生的结果-故障状态。
相当于医学上的疾病症状。
表4—1介绍了各种不同的故障模式。
但产品不同，故障模式也不同。
例如机床、汽车、起动设备等机械产品的故障模式表现为磨损、疲劳、折断、冲击、变形、破裂等。
为了便于分析，对某些机电产品的故障模式举例如下:
水泵、涡轮机、发电机的故障模式有：
误起动、误停
机、速度过快、反转、异常的负荷振动、发热、线圈
漏电、运转部分破损等。
容器的故障模式有：
泄漏、不能降温、加热、断热冷却过分等。
热交换器、配管类的故障模式有：
堵塞、流量过大、泄漏、变形、振动等。
阀门、流量调节装置的故障模式有：
不能开启或不能闭合、开关错误、泄漏、堵塞、破损等。
电力设备的故障模式有：
电阻变化、放电、
接地不良、短路、漏电、断开等。
计测装置的故障模式有：
信号异常、劣化、示值不准、损坏等。
支承结构的故障模式有：
变形、松动、缺损、脱落等。
齿轮的故障模式有：
断裂、压坏、熔融、烧结、磨耗（损等）。
滚动轴承的故障模式有：
滚动体轧碎、磨损、压坏、腐蚀、烧结、裂纹、保持架损坏等
滑动轴承的故障模式有：
腐蚀、变形、疲劳、磨损、胶合、破裂等
电动机的故障模式有：
磨损、变形、发热、腐蚀、绝缘破坏等
环境应力造成的故障模式见表5—2所示
环境因素
主要影响
典型故障模式
加速度
机械应力
液压增加
结构变形和破坏
漏液
高压爆破环境
机械应力
冲击波
结构失效,密封破裂
破裂,结构破坏
2．故障原因
系统、产品的故障原因，主要来自两个方面。
从内在因素，即固有可靠性方面看，有以下原因：
（1）系统、产品的硬件设计不合理或存在潜在的缺陷，如设计水平低，未采取防震、防湿、减荷、安全装置、冗余等设计对策；
（2）系统、产品中零、部件有缺陷；
（3）制造质量低，材质选用有错或不佳等；
（4）运输、保管、安装不善。
根据经验数据表明，在各类机电产品故障比率中，由
固有可靠性引起的约占总数的80％。
从外在因素，即使用可靠性方面看，引起故障的主要原因是环境条件和使用条件。
系统或产品的环境条件与使用条件越苛刻，越容易发生故障。
湿度和温度过高或过低、振动、噪声、冲击、灰尘、有害气体等不仅是产品可靠性的有害因素，也是对操作人员有害的因素，换句话说，都是促发故障的原因.
根据机电产品寿命的统计表明，以室温（20一25℃）为基数，每升高10℃，使用寿命就缩短1／15～1／2。
只要存在着上述原因，就意味着系统或产品潜在有故障，在一定条件下，就会产生一定模式的故障。
3．故障机理
故障机理是指诱发零件、产品、系统发生故障的物理与化学过程、电学与机械学过程，也可以说是形成故障源的原因。
换句话说，就是要考虑某个故障模式是如何发生的．以及它发生的可能性有多大。
因此，在研究故障机理时，需要考虑下列三个原因。
（1）对象。
是指发生故障的实体（系统或产品本身），以及其内部状态与潜在缺陷。
对象的内部状态与结构，对故障的发生有抑制或促进作用。
（2）外部原因。
指能引起系统或产品发生故障的外界破坏因素，如外部环境应力、时间因素、人为差错等故障诱因。
若从“人一机一环境系统”来说，即人、环境与机的关系。
（3）结果。
指在外部原因作用于对象后，对象内部状态发生变化，当此变化量超过某一阈值，便形成故障。
4.故障效应
指的是某一故障发生后，它对系统、子系统，部件有什么影响，影响程度有多大。
5.故障模式、故障机理与故障原因的关系
一般说来、故障原因孕育着故障机理，而故障模式反映着故障机理的差别。
但是，故障模式相同，其故障机理并不一定相同。
例如机械零件变形这一故障模式，其机理可能有冲击、温度、破坏多种。
同一故障机理，也可能出现不同的故障模式。
例如疲劳这一故障机理，就可以出现表面破裂、耗损、折断等故障模式。
因此，考察一个部件，故障模式就可能不只一种，如阀门故障至少有：
内部泄漏、外部泄漏、打不开、关不紧等四种模式。
图5—1是交流接触器的故障过程，从图中可以清楚地看出故障模式、故障机理与故障原因之间的关系.
第三节故障模式及影响分析的分析步骤
一、故障模式及影响分析的分析步骤
二、程序的说明
1.明确系统的情况和目的
在分析步骤中首先应对系统的任务、功能、结构和运行条件等诸方面有一个全面的了解。
如系统由哪些子系统、组件和元件组成，它们各自的特性、功能，以及它们之间的联接、输入输出的关系；
系统运行方式和运行的额定参数、最低性能要求、操作和维修方式与步骤；
要掌握这些情况，就应了解系统的设计任务书、技术设计说明书、图纸、使用说明书、标准、规范、事故情报等资料。
系统与其他系统的相互关系、人机关系，以及其他环境条件的要求等。
2.确定分析的层次
分析开始时就要根据系统的情况，决定分析到什么层次，这是一个重要的问题。
图5—3是分析层次与故障模式及影响分析的关系。
由图5—3可见，不同的分析层次故障模式及影响分析应有不同的格式，在各分析层次中，出于故障所在层次不同，故障模式对上一层影响和对下一层的故障原因追究深度也不相同。
换句话说，如果分析的层次太浅，就会漏掉重要的故障模式，得不到有用的资料；反之，若分析得过深，一切都分析到元件，则造成结果繁杂，费时太多，同时对制定措施也带来了困难。
一般说来，对关键的子系统可以分析得深一些，次要的可以分析浅些，有的可以不分析。
具体到什么程度，可经分析小组成员讨论决定。
对那些功能件或外购件，如电机、泵、阀门、开关、继电器、轴承等可作为元件对待，不必进一步分析。
3.绘制功能框图和可靠性框图
关于功能框图已在本课程第二章中做了介绍。
可靠性框图是从可靠性的角度建立的模型，它把实际系统的物理、空间要素与现象表示为功能与功能之间的联系，尤其明确了它们之间的逻辑关系。
图5—4是高压空气压缩机的可靠性框图。
4.建立故障模式清单、分析故障模式及影响
这一步是实施故障模式及影响分析的核心，通过对可靠性框图所列全部项目的输出分析，根据理论知识、实践经验和有关故障资料，判明系统中所有实际可能出现的故障模式，即导致规定输出功能的异常和偏差分析过程的基本出发点，不是从故障已发生开始考虑，而是分析现有设计方案，会有哪种故障发生，即对每一种输出功能的偏差．预测可能发生什么故障，对部件、子系统、系统有什么影响及其程度，列出认为可能发生的全部故障模式。
选定、判明故障模式是一项技术性很强的工作，必须细致、准确。
下面介绍5w1H启发性分析方法要领，供分析时参考。
所谓5W1H方法，就是指who（谁）、when（何时）、where（何处）、what（什么）、Why（为什么）、How（怎样、如何）的总称，以提问方式来完成对故障事故的思考。
为什么（why）：
为什么要有这个元件?
为什么这个元件会发生故障?
为什么不加防护装置?
为什么不用机械代替人力?
为什么不用特殊标志?
为什么输出会出现偏差?
什么（What）：
功能是什么?
工作条件是什么?
与什么有关系?
规范、标准是什么?
在什么条件下发生故障?
将会发生什么样的故障?
采用什么样的检查方法?
制定什么样的预防措施?
谁（who）：
谁操作？
故障一旦发生谁是受害者?
谁是加害者?
影响到哪些功能?
谁来实施安全措施?
何时（when）：
何时发生故障?
何时检测安全装置?
何时完成预防措施计划？
何地（where）：
在什么部位发生故障?
防护装置装在什么地方最好?
何处有同样的装置?
监测、报警装置装在什么地方最好?
何地需要安全标志?
如何（How）：
发生故障的后果如何?
影响程度如何?
如何避免故障发生?
安全措施控制能力如何?
如何改进设计?
另外，在故障分析时，应根据对象的不同采取不同的分析方法。
但必须注意，切勿只见树木（现象）不见森林（真正的原因）。
要从全局出发，综合各种信息采取失效物理的微观分析，一般可按下面的程序进行。
（1）掌握全局性分析的综合调查。
如果陷入过于细微的故障现象之中，往往会把原因和结果搞错，所以，首先要做全局性的调查。
（2）从非破坏性的外部分析到解剖、破坏性的内部分析。
（3）建立故障原因的假设，并进而求证。
5.研究故障检测方法
设定故障发生后，说明故障所表现的异常状态及如何检测，例如通过声音的变化，仪表指示量的变化进行检测。
对保护装置和警报装置，要研究能被检测出的程度如何并做出评价。
6.确定故障等级
由于各种故障模式所引起的子系统、系统事故有很大的差别，因而在处理措施上就要分清轻重缓急区别对待。
故障等级是衡量对系统任务、人员安全造成影响的尺度。
因此，有必要对故障的等级进行划分。
确定故障等级的方法有以下几种。
（1）简单划分法。
将故障模式对于子系统或系统影响的严重程度分四个等级．见表5—3所列，可根据实际情况进行分级。
（2）评点法。
在难于取得可靠性数据的情况下，可采用此法，它比简单划分法较精确。
该方法从几个方面来考虑故障对系统的影响程度，用一定点数表示程度的大小，通过计算，求出故障等级。
仅仅其评点因素的内容比较模糊，而且系数取值范围较大，不易评得准确。
另一种求点数的方法列于表5—5，可根据评点因素求出点数然后求和，得出总点数Cs。
以上两种评点方法求出的总点数Cs，均可按表5—6评出故障等级。
（3）风险矩阵法。
故障一旦发展成为事故，所造成的后果受两个因素影响，一是故障发生的概率，另一是故障发生后造成的后果。
为了能得出一个比较准确的评价，就需要有一个衡量标准——风险率（或称危险度），它是用故障概率和严重度综合评定的。
严重度是指故障模式对系统功能的影响程度。
一般分为四个等级，见表5—7
故障概率是指在一特定时间内故障模式所出现的次数。
时间可根据具体情况来定，如一年、半年，或根据大修间隔期，或完成一项任务的周期，或其他被认为合适的期间来决定。
各故障模式的概率，可根据其出现的概率来评定。
分级如下：
1级（故障概率很低）在运行期间发生故障的概率很小，以致可忽略，即一种故障模式发生的概率小于全部概率的0.01。
2级（故障概率低）在运行期间内发生故障是偶然的，即一种故障模式发生的概率为总概率0.01—0.1。
3级（故障概率中等）在运行期间内发生故障的概率为中等，即一种故障模式发生的概率为总概率的0.1—0.2。
4级（故障概率高）在运行期间内发生故障的概率是很高的，即一种故障模式发生的概率大于总概率的0.2。
有了严重度和故障概率的数据，就可进行风险矩阵评价。
以故障概率为纵坐标，严重度为横坐标，画出风险率矩阵图，如图5—5所示。
将所有故障模式按其严重度和概率分别填入矩阵图内，就可看出系统风险的密集情况。
处于图中斜线区的故障模式表示风险率高，应研究对策使其风险率下降。
特别指出，划分故障等级时，即使是对同一产品，由于系统层次的故障模式及影响分析和零件层次的故障模式及影响分析不同，所以要采用分别划分评定等级标准的方法。
若用统一标准进行分析，对故障模式的评价就会发生混乱，不同层次上的严重度也会模糊不清了。
在分析中若遇有不希望发生的故障模式（或薄弱环节），或对其中原因不明的致命性的故障模式，应当采用故障树分析法，彻底地追查其发生的途径和原因，并采取对策。
第四节致命度分析
一、什么是致命度分析
致命度分析（CriticalityAnalysis缩写为CA）是在故障模式及影响分析的基础上扩展出来的。
在系统进行初步分析（如故障模式及影响分析）之后，对其中特别严重的故障模式（如4级有时也对3级）单独再进行详细分析。
致命度分析就是对系统中各个不同的严重故障模式计算临界值——致命度指数，即给出某故障模式产生致命度影响的概率。
它是一种定量分析方法。
故障模式及影响分析结合使用时，叫做故障模式、影响及致命度分析（FMECA）。
二、致命度分析的目的
致命度分析的主要目的是：
1.尽量消除致命度高的故障模式；
2.当无法消除故障模式时，应尽量从设计、制造、使用和维修等方面去降低其致命度和减少其发生的概率；
3.根据故障模式不同的致命度，对其零、部件或产品提出相应的不同质量要求，以提高其可靠性和安全性；
4.根据不同情况可采取对产品或部件的有关部位增设保护装置、监测预报系统等措施。
三、致命度指数的计算
致命度指数按下式计算：
式中，Cr一致命度指数。
表示相应系统元件每100万次（或100万件产品中）运行造成系统故障的次数（或件数）；
n—元件的致命性故障模式总数；
i——致命性故障模式的第i个序号；
λG——元件单位时间或周期的故障率；
KA——元件λG的测定值与实际运行条件强度修正系数；
KE——元件λG的测定值与实际行动条件环境修正系数；
t——完成一项任务，元件运行的小时数或周期（次）数；
α——致命性故障模式与故障模式比，即λG中致命性故障模式所占的比例（＜1）；
β——致命性故障模式发生并产生实际影响的条件概率，其值如下：
四、致命度分析表格
致命度分析（或故障模式、影响及致命度分析）的正确性取决于两个因素：
首先与分析者的水平有直接关系，要求分析者有一定实践经验和理论知识；其次则取决于可利用的信息，信息多少决定了分析的深度，如没有故障率数据时，只能利用故障模式发生的概率，用风险矩阵的方法分析，无法填写详细的致命度分析表。
若所用的数据不可靠，则分析的结果必然有差错。
第五节故障模式及影响分析表格与举例
一、故障模式及影响分析表格
故障模式及影响分析的表格将汇总所有分析的结果，因此，它是进行分析的重要工具，也是可靠性设计、审查和安全分析中的一个重要文件。
故障模式及影响分析的表格表示形式很多，应根据分析不同对象和目的来选用。
如表4-2所示。
表4-2故障模式及影响分析表格
二、故障模式及影响分析表举例
下面以美国舰船用的高压空气压缩机为例加以介绍。
1.功能说明
该高压空气压缩机的功能是提供操作用全部高压空气。
在分析中不考虑外电源和压缩机贮罐的故障以及操作人员的误操作。
2.功能分解
压缩机系统由一台电动机驱动，采用闭路循环水冷却。
该系统由五个子系统组成
（1）电动机，向压缩机、润滑、冷却各子系统输送扭矩；
（2）监测器系统，包括各种压力表、安全阀、压力开关、温度监测和报警器等，监测压力、温度可起到安全保护的作用；
（3）冷却与除湿系统，冷却水流经内冷却器、后部冷却器、润滑油冷却器、气缸夹套及端部冷却器来完成冷却作用。
除湿部分的功能是将进入压缩机的空气的水分除掉；
（4）润滑系统，保证压缩机各运动副接触之间的润滑和气缸的良好润滑；
（5）压缩机，装有自身润滑装置、冷却液自动排放系统和电动计时器等。
3.可靠性框图
可靠性框图见图5—４。
从图中可看出，由电动机（10）到压缩机（50）各组件相互之间是串联关系；在部件（零件）级，除过滤器44A到过滤器44B是并联外，其余均是串联的关系。
4.故障模式及影响分析表
分析表见表5—9和表5—10。
本章小结
第四章故障模式及影响分析
第一节概述
一、分析方法的特点
二、故障模式及影响分析的目的和要求
第二节故障的基本概念
一、故障
1．功能
2．条件
3．时间
二、故障模式、原因、机理及效应
1．故障模式
2．故障原因
3．故障机理
（1）对象
（2）外部原因
（3）结果
4.故障效应
5.故障模式、故障机理与故障原因的关系
第三节故障模式及影响分析的分析步骤
一、故障模式及影响分析的分析步骤
二、程序的说明
1.明确系统的情况和目的
2.确定分析的层次
3.绘制功能框图和可靠性框图
4.建立故障模式清单、分析故障模式及影响
5.研究故障检测方法
6.确定故障等级
（1）简单划分法
（2）评点法
（3）风险矩阵法
第四节致命度分析
一、什么是致命度分析
二、致命度分析的目的
三、致命度指数的计算
四、致命度分析表格
第五节故障模式及影响分析表格与举例
一、故障模式及影响分析表格
二、故障模式及影响分析表举例
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