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1、FMECA第四章 FMECA4.1 FMECA 概述4.1.1 FMECA概念FMECA（Failure Mode, Effects and Criticality Analysis）是故障模式、影响及危害性分析的简称，它是在产品设计过程中,通过对产品的各组成单元(元器件或功能块)潜在的各种故障模式及其对产品功能的影响,与产生后果的危害程度进行分析,提出可能采取的预防改进措施,以提高产品可靠性的一种设计分析方法。它主要包括两个内容,即故障模式影响分析(FMEA)和危害性分析(CA)。前者是定性分析,既可采用“自下而上”的逻辑归纳法,也可采用“自上而下”的功能法,其目的是通过分析,了解影响系统功

2、能的关键性零部件的故障情况,以便采取措施改进设计。这种故障分析方法能够较为准确地描述系统与组成系统的各功能单元之间的逻辑关系,并判断功能单元的故障对系统产生的影响程度,而这些在以前必须依靠人们的文化知识、经验、能力等才能完成工作。因此,在一定程度上降低了对人为因素的依赖性,是一种非常有效的可靠性保障技术。后者是在前者基础上的扩展与深化,必须依据一定的数据,使分析量化,属于定量分析。4.1.2 FMECA的目的FMECA技术可用于不同的专业工程中。在可靠性工程中，FMECA是一种设计评定方法，其结果用于判定故障的验证程度和发生的可能性及对相关机件的影响，通过设计以消除故障或将故障发生的频率减低到

3、某一可接受的程度，从而降低故障的危害程度。在制定设计准则和装备方案设计的早期进行初步的FMECA，用以评定设计方法和评比设计方案。在装备维修性工程中应用FMECA，是为了从可能的故障模式及其对装备的影响中确定所需的维修性设计特征信息，如故障确认、故障隔离、故障检测点布置和拆装方便性设计等。在综合保障工程中，FMECA主要用于：1.确定修复件维修项目和要求首先根据FMECA得到的故障发生部位、对装备功能的影响程度、发生的概率以及是否可以采取预防性维修措施加以消除或减缓等进行分析研究，确定应进行的修复性维修工作。修复件维修工作包括故障诊断与判明、故障隔离与定位、拆卸和分解、更换有故障件、原件修复、

4、组合与安装调试等作业。并非每一故障都对应一种修复性维修工作。通常根据装备功能间物理关系，一种维修工作也可以纠正或排除多个故障，可以称这种维修工作为修复性维修工作项目。例如发动机汽缸盖漏水、汽缸垫破损以及缸盖上某些连接件损坏等故障可以用一个维修工作项目来解决。由于修复性维修工作的内容比较复杂，修复的深度、广度差别很大，因此要根据故障特点对不同的修复内容分别提出要求。如上例中汽缸垫的损坏可以换新件，汽缸盖的渗漏可以更换，也可以焊接修复。2.确定预防性维修工作类型确定预防性维修的工作类型是以可靠性为中心的维修分析RCMA的主要任务，但在预防性维修逻辑决断中首先是要进行故障后果的评定。此时FMECA为

5、故障后果评定提供了最基础而重要的信息，特别是研究影响任务和影响安全的后果时，可利用在FMECA中的危害性分析有关的结论再作进一步分析。3.判定维修时故障查找程序在FMECA中，要根据故障特征按照航空装备的结构和功能框图的层次对整体到零部件进行分析，以判定故障发生的原因和影响。分析可以在任何一个层次上开始，分析的方向可以是上行的或下行的，下行以寻找故障来源，上行以判定影响的程度。因此，通过FMECA找故障原因的过程为维修工程确定故障部位、制定查找程序提供很有价值的参考信息，在研制自动检测设备时尤为重要。4.用于确定保障资源要求的输入信息FMECA可确定出修复性维修项目和预防性维修工作类型，据此可

6、以进行使用和维修工作任务分析。从而确定出保障资源的要求。4.1.3 FMECA 在综合保障中的应用为了确定航空保障中所需要的全部保障资源，在保障性分析中需进行使用与维修工作任务分析，其分析过程可分为如下四个步骤：1.确定使用与维修工作任务要求；2.确定各种使用与维修工作任务3.分析每项使用与维修工作任务，确定全部保障资源；4.在保障性分析记录中形成工作分析结果文件。其中，前两步工作需要进行FMECA。通过FMECA工作，确定新研机型系统有哪些修复性维修工作要求；利用FMECA结果产生的信息进行RCMA工作，判明故障对其分系统、组件、部件的可靠性关键项目产生的影响程度，其中包括对任务、安全性和经

7、济性等各方面的影响程度，依据对这些数据资料的分析评估，做出预防性维修或改进设计的决断。保障性分析中的使用维修工作任务分析就是以上述工作为起点，通过得到的使用与维修工作信息，包括全部预防性维修、修复性维修及其他使用与维修工作（如启封、调整、测定故障部位、检查、保养、修理、运输、装载等），进行使用与维修工作任务分析，最终得到各种保障资源要求。4.1.4 FMECA方法FMECA是设计过程的一个组成部分。FMECA在方案设计阶段就能进行。随着设计的进展，FMECA要不断修改，以反映设计的变动。通常在可靠性预计之前完成FMECA，以便提供基本信息（见图4-1）。图 4-1 FMECA与其他工作的关系F

8、MECA是一种由因到果、自下而上的分析方法，即从元器件的故障开始逐级分析，确定其对系统工作的影响。它属于单因素的故障分析技术，分析的结果记录在事先准备好的表格内。在产品寿命周期内的不同阶段,FMECA应用的目的和方法略有不同,详见表4-1。从表4-1中可以看出,在产品寿命周期的各个阶段虽有不同形式的FMECA,但其根本目的都是从产品策划、设计(功能设计、硬件设计、软件设计)、生产(生产可行性分析、工艺设计、生产设备设计与使用)和产品使用角度发现各种缺陷与薄弱环节,从而提高产品的可靠性水平。在实际工程中,FMECA一般分为四类:系统FMECA(SFMECA)、设计FMECA (DFMECA)、过

9、程FMECA(PFMECA)、设备FMECA(EFMECA),分别应用于产品开发中的产品策划、产品设计、工艺设计、产品投入运行阶段。表4-1 产品寿命周期各阶段的FMECA方法方法系统FMECA设计FMECA过程FMECA设备FMECA功能FMECA硬（软）件FMECA阶段规划阶段方案阶段研制阶段生产阶段使用阶段目的对产品开发、过程策划综合评估，通过系统、子系统、分系统不同层次展开，自上而下逐层分析，更注重整体性、逻辑性。分析研究系统功能设计的缺陷与薄弱环节，为系统功能设计的改进和方案的权衡提供依据分析研究系统硬件、软件设计的缺陷和薄弱环节，位系统的硬件、软件设计改进方案权衡提供依据。分析研究

10、所设计的生产工艺过程的缺陷与薄弱环节及其对产品的影响，为生产工艺的设计改进提供依据。分析研究生产设备的故障对产品的影响，为生产设备的改进提供依据。分析研究产品使用过程中实际发生的故障、原因及其影响，为评估、论证、研制、生产各阶段FMECA的有效性和进行产品的改进、改型或新产品的研制提供依据。1.系统FMECA将研究系统结构化,并分成系统单元,说明各单元间的功能关系;从己描述的功能中导出每一系统单元的可想象的失效功能(潜在缺陷);确定不同系统单元失效功能间的逻辑关系,以便能在系统FMECA中分析潜在的缺陷、缺陷后果和缺陷原因。2.设计FMECA可分为功能FMECA和硬件FMECA。前者用于方案论

11、证阶段,此时各部件设计未完成,目的是分析研究系统功能设计的缺陷与薄弱环节,为系统功能设计改进和方案权衡提供依据。后者用于工程研制阶段,此时产品设计图纸及其工程设计资料已确定,目的是分析研究系统硬件、软件设计的缺陷与薄弱环节,为系统硬件、软件设计的改进和方案的权衡提供依据。3.过程FMECA是负责制造/装配的工程师/小组主要采用的一种分析技术,用以最大限度地保证各种潜在失效模式及其相关的起因机理得到充分的考虑和论述。4.设备FMECA是在新设备的投入运行时,进行预先EFMECA,主要是分析、考虑由于设备可能造成的产品品质问题及可靠度问题等,预先采取措施消除不良因素;现有设备、特定的一种设备在运行

12、中出现的设备故障等均可采用EFMECA进行改善,以确保设备的正常运转。4.1.5 FMECA步骤对系统进行 FMECA 分析时，一般按照如下步骤，具体流程如图4-2所示。 (1) 确定分析的主要范围：根据系统的重要度、复杂度、分析工作进度、费用的允许度以及技术成熟度等，确定系统 FMECA 分析的主要范围； (2) 对系统任务进行分析：表述系统任务的要求和系统完成任务的环境，系统任务分析结果通常使用任务剖面来表述； (3) 对系统功能进行分析：分析系统完成任务所需的工作时间、工作方式、功能等； (4) 确定系统的故障判据：分析判断和确定系统产生故障和正常工作的准则； (5) 选择 FMECA

13、方法：根据产品寿命周期的不同阶段，选择相应的FMECA 分析手段，编制确定 FMECA 分析的实施步骤与规范； (6) 实施 FMECA 分析：FMECA 分析分为 FMEA 分析和 CA 分析两个部分，首先进行 FMEA 分析，根据故障判据、使用信息、相似产品故障信息、试验信息与工程经验确定系统所有可能的故障模式，然后按照系统内外部与工程经验确定故障模式原因以及可能产生的影响，确定每个故障模式的检测方法，并制定其可以使用的补偿措施已经改进方法，确定故障模式的严酷度等级；再进行 CA 分析，CA 分析是对系统中的每个部件按照故障发生的概率和严重程度进行综合评估的过程； (7) 给出 FMECA

14、 的分析结论：根据 FMCEA 的分析结果，找出系统的薄弱环节及关键项目，并制定和实施各种控制措施和改进方法，以提高系统的质量与可靠性； (8) 给出 FMECA 分析报告：在系统设计完成后，可以提供相对应的FMECA分析报告。 图 4-2 FMECA分析流程图4.1.6 FMECA研究现状1FMECA技术在国外发展现状FMECA最早是由美军提出的。在20世纪50年代初,美国第一次将FMECA技术用于某战斗机操作系统的设计分析上,并取得较好的效果。由于FMECA不需什么高深的数学理论,易于掌握,所以有很高的实用价值,受到工程部门的高度重视。到了60年代中期,FMECA技术正式用于航天工业(Ap

15、ollo计划)。1976年,美国国防部颁布FMECA的军用标准。70年代末,FMECA技术开始进入汽车工业和医疗设备工业。80年代初,进入微电子工业。到了1988年,美国联邦航空局发布咨询通报,要求所有航空系统的设计及分析都必须使用FMECA。1991年,ISO-9000推荐使用FMECA提高产品和过程的设计。1994年,FMECA又成为ISO-900的认证要求。目前,FMECA已在工程实践中形成一套完整的分析方法,并根据产品故障产生机理的不同,FMECA与设计、制造、使用、承包商/供应商以及服务等整个产品寿命周期联系起来,又被细分为设计FMECA、过程FMECA、使用FMECA和服务FMEC

16、A四类。尽管FMECA得到非常广泛的应用和认可,但从分析方法上看,FMECA仍然存在缺陷与不足:系统复杂时,很难明确确定每一故障模式的故障影响;当系统中元器件过多,分析工作枯燥繁琐,工作量大,难免造成遗漏和错误。为此,人们不断进行研究来改善FMECA的分析效果。目前,主要改进方法有:（1）基于MIL-HDBK-217的FMECA方法。这种分析方法是目前可靠性分析使用比较广泛的一种分析方法。是美国国防部在大量统计数据的支撑下,1995年2月颁发MIL-HDBK-217标准。该标准给出大量电子元器件的基本可靠性数据。以此为基础,各工业部门及其相关的一些公司研制、开发FMECA软件,如Relex系统

17、和Item系统。这些分析系统主要采用硬件法,适用于从零部件级开始,最后扩展到系统级,即自下而上进行分析。以元器件的可靠性数据为基础,能计算故障的危害程度。但这种分析方法只能在系统设计比较确定的情况下进行,并且分析结果较简单、不够细致,不同分析人员分析结果的一致性很难保证。（2）矩阵法FMECA。1977年,美国人Barbour在从事长寿命通讯的可靠性分析中提出矩阵法FMECA。同一般FMECA方法相比,矩阵法具有更强的结构性和系统性,对系统中的每一个故障提供更有效的跟踪性。矩阵法虽也是自下而上逐层分析,但它是逐层综合,每个矩阵代表每个分析层次,本层次的故障影响可综合为上一层次的故障模式,成为上

18、一层次矩阵的组成部分。矩阵法FMECA优点是:能更好的表达系统故障因果关系,推理算法简单直接,便于在系统设计完成以后对系统进行有效的分析。但矩阵法FMECA对系统的信息完备性要求较高,比较适合应用于电子系统。（3）基于性能仿真的FMECA。基于性能仿真的FMECA实际是通过对构成系统元器件的参数进行蒙特卡洛仿真,确定在超出系统容限时一些参数的变化关系,作为FMECA分析结果。这种分析方法在电子系统中比较常见。目前已有一些软件系统支持这种分析方法,如著名的机电系统仿真软件Saber的附加FMECA模块,获得1999年度最佳测试设计软件的TestDesisner工具。这种方法的优点在于得出的结果可

19、信性比较高,但速度比较慢。（4）基于功能模型的FMECA。为达到最佳效益,美国stanford大学的C.EEubanks等人利用目前功能建模技术的成果,提出采用系统的行为模型作为FMECA分析的基础,通过构造行为模型的因果链来完成故障分析,取得一定的成果,并将这种方法应用于制冰器和电吹风的FMECA中。但不够完善,还没有形成一套成熟的系统来支持整个FMECA的分析过程。2.FMECA技术国内发展现状国内在80年代初期,随着可靠性技术在工程中的应用,FMECA的概念和方法也逐渐被接受。1985年10月,国防科工委颁发的航空技术装备寿命和可靠性工作暂行规定(试用)中肯定了FMECA的重要性。198

20、5年和1992年我国相继颁布FMEA和FMECA的国家标准(GB7286)和国家军用标准(GJB1391)。目前在航空、航天、兵器、舰船、电子、机械、汽车、家用电器等工业领域,FMECA方法均获得一定程度的普及,为生产高可靠性产品发挥重要作用。4.2 FMECA的基础理论4.2.1 故障模式分析故障是产品或产品的一部分不能或将不能完成预定功能的事件或状态(对某些产品如电子元器件、弹药等称为失效)。而故障模式是故障的表现形式,如短路、开路、断裂、过度耗损等。一般在研究产品的故障时往往是从产品的故障现象人手,进而通过现象(即故障模式)找出故障原因。故障模式是进行FMECA的基础,同时也是进行其它故

21、障分析(如故障树分析、事件树分析等)的基础之一。产品的故障与产品所属系统的规定功能和规定条件密切相关,在对具体的系统进行故障分析时,必须首先明确系统在规定的条件下丧失规定功能的判别准则,即系统的故障判据,这样才能明确产品的某种非正常状态是否为该产品的故障模式。在进行故障模式分析时,应注意区分两类不同性质的故障,即功能故障和潜在故障。功能故障是指产品或产品的一部分不能完成预定功能的事件或状态。即产品或产品的一部分突然、彻底地丧失规定的功能。潜在故障是指产品或产品的一部分将不能完成预定功能的事件或状态。潜在故障是指示功能故障将要发生的一种可鉴别(人工观察或仪器检测)的状态。例如,轮胎磨损到一定程度

22、(可鉴别的状态),会发生爆胎故障(功能故障)。如图4-3中给出某金属材料的功能故障与潜在故障的示例。需指出的是并不是所有的故障都经历潜在故障再到功能故障这一变化过程。在进行故障模式分析时,区分潜在故障模式与功能故障模式是十分必要的(如潜在故障模式可用于产品的故障监控与检测)。在进行故障模式分析时还应注意,一个产品可能具有多种功能,而每种功能又可能具有多种故障模式,分析人员的任务就是找出产品每种功能的全部可能的故障模式。此外,复杂系统一般具有多种任务功能。例如在武器装备的研制中常用任务剖面描述不同的任务功能,而每个任务剖面又由多个任务阶段组成,产品在每一个任务阶段中又具有不同的工作模式。因此,在

23、进行故障模式分析时,还要说明产品的故障模式是在哪一个任务剖面的哪一个任务阶段的哪种工作模式下发生的。图4-3 功能故障与潜在故障关系表4-2列举了一些典型的故障模式,这些故障模式基本上概括大多数产品可能发生的故障现象。在系统寿命周期内,分析人员经过各种目的FMECA即可掌握系统全部故障模式,但首先遇到的问题是:在系统研制初期如何分析各产品可能的故障模式。一般来说,可通过统计、试验或分析预测来解决,即可遵循如下原则:表4-2 典型故障模式序号故障模式序号故障模式序号故障模式1结构失效（破损）12超出下限允差23滞后运行2物理性质的捆结或卡死13意外运行24错误输入（过大）3振动14间歇性工作25

24、错误输入（过小）4搁置，不能保持正常位置15漂移性工作26错误输出（过大）5打不开16错误指示27错误输出（过小）6关不上17流动不畅28无输入7误开18错误动作29无输出8误关19不能关机30电短路9内部漏泄20不能开机31电开路10外部漏泄21不能切换32电漏泄11超出上限允差22提前运行33其他独特失效条件1.对系统中采用的现有产品,可以以该产品在过去使用中所发生的故障模式为基础,再根据该产品使用环境条件的异同进行分析、修正,得到该产品的故障模式;2.对系统中采用的新产品,可根据该产品的功能原理进行分析预测,得到该产品的故障模式,或以与该产品具有相似功能的产品所发生的故障模式作为基础,分

25、析判断该产品的故障模式。4.2.2 故障原因分析故障模式分析只说明产品将以何种状态发生故障,并未说明产品为何发生故障。因此,为了更确切地剖析故障,还必须分析产生每一故障模式的所有可能原因。分析故障原因一般从两方面着手:一方面是导致产品功能故障或潜在故障的产品自身的物理、化学或生物变化过程等直接原因；另一方面是由于其它产品的故障、环境因素和人为因素等引起的间接故障原因。直接故障原因又称为故障机理。另外,正确区分故障模式与故障原因是非常重要的。故障模式是可观察到的故障表现形式,而直接故障原因描述的是由于设计缺陷、质量缺陷、元器件误用和其它故障过程而导致故障机理。例如,在晶体管内基片上有一个裂缝,可

26、以导致集电极到发射极开路,在这里“集电极到发射极开路”是故障模式,而“晶体管内基片上有裂缝”是故障原因(机理)。4.2.3 故障影响分析故障影响是指每一种假定的故障模式所引起的各种后果。这种后果包括故障模式对各有关系统功能、人员安全、硬件性能和环境的影响。当分析系统中某产品的故障模式对其它产品的故障影响时,通常不仅要分析该故障模式对其产品所在相同层次的其他产品造成的影响,还要分析该故障模式对其产品所在层次的更高层次产品的影响。通常将这些按约定层次划分的故障影响分别称为局部影响、高上一层次影响和最终影响。局部影响是考虑故障模式对所分析单元的故障影响,并连同二次影响阐明每种假定的故障模式对该单元输

27、出的后果。确定局部影响的目的是对现有单元进行替换,或为建议采取某些措施提供一个依据,还可为更高功能级的FMECA提供故障模式。对上一级的影响是指假设的故障模式对被研究的产品等级再高一级的工作和功能的影响。也就是每一假设的故障模式对更高一级产品造成的后果。最终影响是指假定的故障模式通过所有中间功能级,最终对最高系统的工作和功能状态的影响。这里所描述的最终影响可以是多重故障(即同时出现两个或多个独立故障)的后果。例如晶体管的电流超过过流保护阀值,同时保护电路故障,这时所引起的最终影响就是多重故障影响。系统中各产品的故障模式产生的最终影响往往是不同的,为了划分不同故障模式产生的最终影响的严重程度,在

28、进行故障影响分析之前,一般需要对最终影响的后果等级进行预定义,从而对系统中各故障模式按其严重程度进行分级。在某些系统(一般为武器系统)中,最终影响的严重程度等级又称为严酷度(有时也称为严重度,是指故障模式所产生后果的严重程度)类别。严重程度等级(严酷度类别)定义应考虑到故障所造成的最坏的潜在后果,并根据最终可能出现的人员伤亡、系统损坏或经济损失的程度来确定。严酷度分类提供了一种定性的评价方法。GJB1392把严酷度分为四类。类(灾难的):这种故障会造成公众或人员的死亡;周围环境的重大毁坏;系统毁坏或任务失败。类(致命的):这种故障会造成公众或人员的重伤;周围环境的较大毁坏或导致任务的重要部分未

29、完成及系统严重损失。类(临界的):这种故障会引起人员的轻伤;周围环境的轻度毁坏或导致完成任务的能力有一定下降的系统轻度毁坏。类(轻度的):这种故障不会导致上述三类后果,但它会导致需要进行非计划维修。还应注意,在进行最终影响分析时,当所分析的产品在系统设计中己经进行余度设计、备用工作方式设计或故障检测与保护设计时,应暂时不考虑这些设计措施,即分析该产品的某一故障模式可能造成的最坏的故障影响。在根据这种最终影响确定该故障模式的严酷度等级和系统中已采取的针对这种故障影响的设计措施,进行更详细的分析。这就要借助于故障模式的危害性分析。4.2.4 危害性分析(CA)CA的目的是从故障模式发生后果及其发生

30、概率两方面对每一种故障模式进行评价。CA是在FMEA基础上的扩展和深化,没有进行FMEA,就不能进行CA。若两者均进行,则就全面完成了FMECA工作。危害性分析的方法可分为定性分析法和定量分析法。定性分析法是根据故障模式发生的概率和对系统或设备所造成影响的严重程度来确定危害性的大小;定量分析法则是用风险顺序数(RPN)值来区分这种严重程度。这种定量的分析,不仅有助于决定采取何种改进措施、改进工作的先后顺序、建立可接受和不可接受的风险界限,而且还可定量地预计出系统或设备的可靠性临界值。1.定性分析得不到较确切的故障率数据时,可用定性分析法来评价故障模式的危害性,常用的方法是绘制危害性矩阵。危害性

31、矩阵可用来比较每一故障模式的危害性程度,为确定改进措施先后顺序提供依据。（1）矩阵图的横坐标用严酷类别表示,纵坐标用故障模式发生概率等级表示,如图4-4所示。 图 4-4 危害性矩阵图（2）故障模式发生概率等级一般分为以下5类:A级(经常发生):在产品工作期间,某一故障模式发生的概率大于产品在该期间总的故障率的20%。B级(很可能发生):在产品工作期间,某一故障模式发生的概率大于产品在该期间内总的故障模式概率的10%,但小于20%。C级(偶然发生):在产品工作期间内,某一故障模式的发生概率大于产品在该期间内总的故障概率的1%,但小于10%。D级(很少发生):在产品工作期间内,某一故障模式的发生概率大于产品在该期间内总的故障概率的0.1%,但小于1%。E级(极少发生):在产品工作期间内,某一故障模式的发生概率小于产品在该期间内总的故障概率的0.1%。（3）将每一故障模式的危害性标注在矩阵图的相应位置上,成为故障模式分布点,如图4-4中的l、2、3点。（4）将故障模式分布点投影在矩阵图的对角线上,图4-4中的1、2、3点分别为1、2、3点的投影点。（5）投影点距原点O的距离愈远,则危害性愈大。图4-4中,故障模式危害性按大小顺序排列是3、2、1。2.定量分析该方法对故障模式发生的频度、故障影响的严重