FMECA

第四章 FMECA

4.1 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、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）。

可靠性数据定量危害性分析可靠性预计FMECA定性危害性分析研制试验TAAF鉴定试验 图 4-1 FMECA与其他工作的关系

FMECA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 设计FMECA 方法 系统 功能 FMECA FMECA 阶段 目的

过程 硬（软）件 FMECA FMECA 研制阶段 生产阶段 设备 FMECA 规划阶段 方案阶段 使用阶段 分析研究产品使用过程中实际发生的故对产品开发、分析研究过程策划综合系统功能评估，通过系设计的缺分析研究系分析研究所设统硬件、软计的生产工艺件设计的缺过程的缺陷与

统、子系统、陷与薄弱分系统不同层环节，为次展开，自上系统功能而下逐层分设计的改析，更注重整进和方案体性、逻辑性。 的权衡提供依据 陷和薄弱环薄弱环节及其的硬件、软为生产工艺的件设计改进设计改进提供供依据。 生产设备的故障对产品的影的改进提供依据。 障、原因及其论证、研制、生产各阶段性和进行产品的改进、改型制提供依据。 节，位系统对产品的影响，影响，为评估、方案权衡提依据。分析研究FMECA的有效响，为生产设备或新产品的研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 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 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。

准备工作（收集有关信息、策划FMECA总要求）系统定义（被分析对象的功能分析、绘制框图）确定被分析产品/功能标志绘制框图（功能框图/任务可靠性框图，或工艺流程图）FMECA分析方法，产品层次代码功能分析确定产品所有可能的故障模式确定每个故障模式可能的原因及其发生的概率等级确定每个故障模式对自身、高一层次、最终的影响按故障影响确定每个故障模式的严酷度确定每个故障模式的检查方法制定每个故障模式的设计改进、使用补偿措施按每个故障模式发生的概率等级与严酷度等级，或危害度/风险优先数进行排序按优先排序结果，识别薄弱环节和关键项目，并提供：严酷度为 Ⅰ、Ⅱ清单关键项目清单不可检测或故障模式的项目清单否不需要设计改进是输出FMECA报告图 4-2 FMECA分析流程图

4.1.6 FMECA研究现状

1．FMECA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(Apollo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FMECA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。1985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(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。

A100%抗故障能力10?A:无故障B:初始裂纹，不可见C:潜在故障，裂纹可见D:故障裂纹，断纹DT1T2T3

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 1 2 3 4 5 6 7

故障模式 结构失效（破损） 物理性质的捆结或卡死 振动 搁置，不能保持正常位置 打不开 关不上 误开 序号 12 13 14 15 16 17 18 故障模式 超出下限允差 意外运行 间歇性工作 漂移性工作 错误指示 流动不畅 序号 23 24 25 26 27 28 29 故障模式 滞后运行 错误输入（过大） 错误输入（过小） 错误输出（过大） 错误输出（过小） 无输入 无输出 错误动作

8 9 10 11 误关 内部漏泄 外部漏泄 超出上限允差 19 20 21 22 不能关机 不能开机 不能切换 提前运行 30 31 32 33 电短路 电开路 电漏泄 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。

Ⅰ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。

Ⅱ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完成及系统严重损失。

Ⅲ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。

Ⅳ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。

故障模式发生概率ABC1'DE0ⅢⅡⅣ严酷性类别Ⅰ

2133'2' 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、故障影响的严重程度及故障可检出的难度按经验分级打分,见表4-3、表4-4、表4-5（以DFMECA为例），然后由故障模式发生度（Occurrence Probability Ranking，OPR）、严重度（Effect Severity Ranking，ESR）、探测度(Detection Difficulty Ranking，DDR)的乘积计算得出，即：RPN=OPR×ESR×DDR。

表4-3 DFMECA严重度评价准则

后果 无警告的判定准则，后果严重度 严重级别很高，潜在失效模式影响车辆安全运行或包含不符级别 10 严重危害 合政府法规情形，失效发生时无预警。 有警告的严重级别很高，潜在失效模式影响车辆安全运行或不符合政严重危害 府法规情形，失效发生时有预警。 很高 高 中等 低 很低 轻微 很轻微 无

9 8 7 6 5 4 3 2 1 车辆/系统无法运行（丧失基本能力） 车辆/系统能运行，但性能下降，顾客很不满意。 车辆/系统能运行，但舒适度/方便性方面失效，顾客不满意。 车辆/系统能运行，但性能方面下降，顾客有些不满意。 装配和最后完工不符合要求，多数顾客发现有缺陷（多于75%）。 装配和最后完工不符合要求，50%的顾客发现有缺陷。 装配和最后完工不符合要求，有辨识能力的顾客发现有缺（多于25%）。 没有可识别的影响

表4-4 DFMECA发生度评价准则

发生可能性 很高：持续性发生失效 高：反复发生失效 中等：偶然发生失效 低：相对很少发生失效 极低：失效不太可能发生 描述 >=100件/每千辆车。 50件/每千辆车。 20件/每千辆车。 10件/每千辆车。 5件/每千辆车。 2件/每千辆车。 1件/每千辆车。 0.5件/每千辆车。 0.1件/每千辆车。 <=0.1件/每千辆车。 表4-5 DFMECA 探测度评价准则

探测度 评价准则 级别 10 8 7 6 5 4 3 2 1 级别 10 9 绝对不设计控制将不能或不能找出滞在的起因/机理及后续的失效模肯定 式或根本没有设计控制。 很极少 设计控制只有很少的机会能找出潜在的起因/机理及后续的失效模式。 极少 设计控制只有极少的机会能找出潜在的起因/机理及后续的失效模式。 很少 设计控制有很少的机会能找出潜在的起因/机理及后续的失效模式。 少 设计控制有较少的机会能找出潜在的起因/机理及后续的失效模式。 9 8 7 6

中等 设计控制有中等机会能找出潜在的起因/机理及后续的失效模式。 5 中上 设计控制有中上多的机会能找出潜在的起因/机理及后续的失效模式。 4 多 设计控制有较多的机会能找出潜在的起因/机理及后续的失效模式。 3 很多 设计控制有很多的机会能找出潜在的起因/机理及后续的失效模式。 2 几乎肯设计控制几乎肯定能找出潜在的起因/机理及后续的失效模式。 定 1 通过RPN可对各故障模式进行相对的危害性评定。对于故障发生可能性高、故障严重程度高,又难以检出的故障模式,其RPN值较高,从而危害性较大。而对于故障发生可能性低、故障严重程度低,较容易检出的故障模式,其RPN值较低,从而其危害性也较小。对于危害性高的故障模式,故障检出可能性三个方面提出改进措施。当所提出的各种改进措施在系统设计或保障方案中落实后,应重新对各故障模式进行评定,并计算新的即N值,接着改进后的RPN值对故障模式进行排序,直到RPN值降到一个可接受的水平 4.2.5 故障检测方法分析

确定故障的检测手段是关系到故障模式再现、找出故障原因、进而提出措施的重要步骤。为此,在产品设计过程中就得考虑产品在今后使用中,如何使检测人员或维修人员检测出每一故障模式,并把故障模式规定在什么样的等级范围内;规定在出现不止一种故障模式引起相同故障迹象时,为解决这种模糊点所用的方法;确定显示即将出现的失效而采用的监控或报警装置,并确定能够检测出故障模式的有计划的试验;确定用机内检测装置可以将故障隔离到哪一个产品等级,并规定在什么时候需要用辅助试验设备进行故障隔离。 4.2.6 补偿措施分析

补偿措施分析是针对每个故障模式的原因、影响、提出可能的补偿措施,这是关系到能否有效地提高产品可靠性的重要环节。补偿措施分为设计上的补偿措施和操作人员的应急补偿措施。

1.设计补偿措施包括:

(l)产品发生故障时,能继续工作的冗余设备； (2)安全与保障装置(如监控及报警装置)；

(3)可替换的工作方式(如备用或辅助设备)；

(4)可以消除或减轻故障影响的设计或工艺改进(如优选元器件、热设计、降额设计、环境应力筛选和工艺改进等)。

2.操作人员补偿措施包括:

(l)特殊的使用和维护规程,尽量避免或预防故障的发生； (2)一旦出现某故障后,操作人员应采取最恰当的补救措施。 4.2.7 FMECA与故障树(FTA)综合分析

1.工程背景

FMECA数据信息的软件管理,是通过产品结构、功能等信息生成以树形结构形式来进行FMECA,即称为“结构FMECA”,其中“结构”具有2层含义:一种是以结构化数据形式,存储在关系数据库中；另一种是体现产品结构层次关系的模型,因而可理解为以产品结构树为依据组织FMECA信息。

在实际工程中,通过产品结构关系来划分产品层次,通常可划分为“系统——分系统——部件——零件”等层次。在进行“结构FMECA”中,一种故障模式可能是上层系统的故障原因,同时又是下层系统的结果。如图4-5所示。发动机润滑系统及其零部件FMECA中,机油泵“机油泵不出机油”是上层润滑系统的“机油压力过低”的故障原因,又是下层部件限压阀“机油泵限压阀泄漏”的结果。因此,对于像这样大型复杂系统,由于其故障机理交错多变,逻辑关系复杂等,简单利用“结构FMECA”完成FMECA有些困难。另外,FMECA只是分析各层次之间的因果关系,不能考虑到人为因素、环境因素或多种因素相互组合对顶层的影响。

基于以上工程实际问题,提出以计算机作为辅助的FMECA与故障树(FTA)综合分析法。

故障影响?润滑系统故障模式<1>机油压力过低??故障原因：<1>机油泵不出机<2>机油泵漏油<3>机油泵压力不足??故障影响: ?机油泵故障模式：<1>机油泵不出机油??机油滤清器故障原因：<1>机油泵油管断裂<2>机油泵转动轴断<3>机油泵限压阀泄露??故障模式：<1>机油滤清器堵塞??机油盘故障模式：<1>???油压开关故障模式：<1>???轴承故障模式：<1>轴承间隙过大????

图4-5 发动机润滑系统及部件的“结构FMECA”

2.故障树(FTA)

故障树(FTA)是以不希望发生的、作为系统失效判据的一个事件(顶事件)作为分析目标。其分析的第一步是去寻找所有引起顶事件的直接原因,第二步再去寻找引起上述每一个直接原因的所有直接原因,逐层下找,若原因甲或乙发生会引起上一级事件发生,则用逻辑或门把它们与上一级连起来;若只有原因甲和乙同时发生才会引起上一级事件发生,则用逻辑与门连起来。通过这样逐层向下推溯所有可能的原因,直到不需要再进一步分析为止。通过找出系统内可能发生的硬件失效、软件差错、人为失误、环境影响等各种因素来建立与顶事件所代表的系统失效之间的逻辑关系,并用逻辑门符号连成一棵倒立的树状图形,这就是故障树。

建成故障树后,再定性分析各个底事件对顶事件发生影响的组合方式和传递途径,识别以顶事件为代表的各种可能的系统故障模式,以及定量计算这些影响的轻重程度、系统失效概率和各个底事件的重要度次序。根据此分析结果,鉴别设计上的薄弱环节,并采取改进措施以提高产品的可靠性。

因此FTA的目的是:运用演绎法逐级分析,寻找导致某种故障的各种可能原因,直到最基本的原因,并通过逻辑关系的分析确定潜在的硬件、软件的设计缺陷,以便采取改进措施。

3.基于“结构FMECA”的故障树自动生成方法

通常对于不是很复杂的产品,产品及其各组成部件的故障基本上是由子零部件故障或外部环境、条件影响所导致。将因子零部件故障而导致其故障的原因称为第一类故障原因,将因外部环境、条件影响导致其故障的原因称为第二类故障原因。

故障树自动生成流程图如图4-6所示。其具体方法如下:

（1）从“结构FMECA”中提取产品节点的一个故障模式作为故障树的顶事件,添加其故障原因,并建立它们之间的逻辑关系。借助产品结构层次关系,搜索产品各子节点的故障模式,若其故障模式与产品故障原因相匹配,则在产品的该故障原因添加与其相匹配的故障模式的故障原因,并建立它们之间的逻辑关系。对于未找到与子节点故障模式相匹配的产品故障原因为产品的第二类故障原因。

（2）搜索产品子节点的下一层节点,若其故障模式与其父节点故障原因相匹配,则在父节点的该故障原因后添加与其相匹配的故障模式的故障原因,并建立它们之间的逻辑关系。依次进行,直到最底层节点。

（3）对于最底层节点,若其故障模式具有故障原因,添加其故障原因,若其故障模式没有故障原因,则该故障模式为故障树中的底事件。

提取产品节点的一个故障模式添加故障原因并建立逻辑关系搜索产品子节点的故障模式搜索下一层节点的故障模式是下一层节点存在？否搜索同层下一个节点的故障模式该节点的故障模式与父节点的故障原因匹配？是添加相匹配的故障模式的故障原因，并建立逻辑关系否结束是同层下一个节点存在否 图 4-6 基于“结构FMECA”故障树生成流程图

基于上述方法完成从润滑系统的“结构FMECA”中生成其“机油压力过低”故障树如图4-7所示。

从润滑系统中提取“机油压力过低”故障模式为故障树的顶事件,搜索、添加其故障原因:机油滤清器堵塞、轴承间隙过大、机油泵不出机油、机油泵漏油、机油泵压力不足、润滑油不足,并建立它们与“机油压力过低”顶事件的逻辑关系。搜索润滑系统子节点的故障模式,其中机油泵的“机油泵不出机油”、“机油漏油”、“机油泵压力不足”与其父节点故障原因匹配,分别添加这3个故障模式的故障原因。“机油泵不出机油”的故障原因:机油泵油管断裂、机油泵传动轴断、机油泵限压阀泄漏,建立它们与父事件“机油泵不出机油”逻辑关系;由于机油泵油管断裂、机油泵传动轴断、机油泵限压阀泄漏为润滑系统底层节点,它们没有子节点,因而它们作为润滑系统“机油压力过低”底事件。以此类推,最终生成的润滑系统“机油压力过低”故障树。

机油压力过低...??机油泵漏油机油泵不出机油机油压力不足??............????机油泵转动轴断????...机油泵油管机油泵限压断裂阀泄露

图4-7 润滑系统“机油压力过低”故障树

自动生成的故障树与手工构建相比具有更好的知识完备性。因而通过这种方法可以高效、准确地获取产品故障树,从而摆脱建树的繁琐工作,更为故障诊断提供诊断知识。

4.2.8 FMECA模糊风险分析 1.工程背景

由危害性分析可知,传统FMECA对风险评判是采用风险顺序数方法,即由设计人员、使用人员和维修人员对故障的发生度O、严重度S和检测难易程度D打分,形成三种十分制分数,最后连乘得到风险顺序数RPN,以RPN为依据采取预防或改进措施。该方法计算方便、直观性强、容易推广,是风险评估的一种定量计算。但风险数据的采集涉及人员广泛,提供数据人员的部门和岗位不同,见解也就不同。比如:评估某故障模式产生后果的严重度时,不同人员对其评价有7分、8分或9分,而风险顺序数计算,要求给出一个确定值,则不论给出哪一个,都将失去其它两个分值的模糊信息,从而计算结果具有不确定性。另外,在实际工程中,这三类评判对象对系统风险评估的贡献是不相同,若只是简单的连乘,无法体现各对象具体贡献。因此,传统FMECA的风险评估定量分析不尽客观和严密。

针对此问题,本文采用模糊(FUZZY)数学分析方法,将采集到风险数据建立相应的模糊集,并将故障发生度、严重程度和检测难易程度三者对风险的贡献采用加权分析,建立一套模糊数学模型,把这种建立在FUZZY意义上的FMECA方法,称模糊风险分析。

2.模糊综合评判的数学理论模糊综合评判的基本步骤: (1)确定因素集

在模糊环境中,考虑到对评判对象影响的各方面因素,且这些因素都具有模糊性,则将其构成一个因素集合U,即U={u1，u2?,un},其中ut表示该评判对象的第i个影响因素(i=l,2,?n)。

(2)确定评判集

评判集V={v1,v2,?vm},其中vj表示评判的第j个等级(j=1,2,?m),一般是由评判语言组成的集合。

（3）计算单因素的评判矩阵

给出由因素集U到评判集V的一个模糊映射,并确定每个因素对各评判等级的隶属度。即对单个因素ui评判,得到V上的模糊集(ri1,ri2,?rin),它是从U到V的一个模糊映射f,即:

f:U?F?V?

ui?f?ui???ri1,ri2,?rim? (4-1)

式中，rim表示ui对vm的隶属度。

通过模糊映射f可确定模糊关系R,模糊关系R为模糊综合评判的评判 矩阵,即

?ri1?r1m?R??R1,R2,?,Rn???rij???? （4-2） n?mr?rnm??m1（4）建立权重分配集

进行综合评判时，因各因素对评判结果的贡献值不同，则需对各因素进行加权。其各因素权重集：A??a1,a2,?an?，?ai?1,0?ai?1，ai表示各因素的权重分配，,即因素集中ui在总体评判中影响程度大小的度量。可按一定算法或根据使用部门专家评定来确定。

（5）综合评判模型

通过将权重集A与评判矩阵R按M模型进行合成运算,可得到各因素的综合评判,即:

B?A ?R??1,bb2,?b,m? （4-3）其中，bj??airij?j?1,2,?m?，bj为r1j，r2j，?，rij的函数，即评判函数。最后按照最大隶属度原则，用bj?max?b1,b2,?,bm?对应的等级vi来判定故障模式的危害度等级。

i?1i?nni?1

上述是一级综合评判。对于复杂系统,评判对象相关因素很多,其权重分配就很难确定,或即使确定了权重分配,却因归一化条件，使各因素的权值很小,再经过算子综合,会出现没有价值的结果。因此,可采用多等级风险模糊评判方法,即因素集U={u1，u2?，un}中的ui又可分为(ui1，ui2，?，uik),且各因素仍具有模糊性,则可采用二级模糊评判,其评判综合模型为

?A1?AC?A?B?A?2???AnR1??R2???A??b???c,c,?,c? （4-4） ijn?m12m?...??Rn??式中：Ai——第i个因素的等级权重集，Ai??ai1,ai2,?,aik?； Ri——第i个因素的等级评判矩阵； Bi——第i个因素的一级模糊评判结果；

C ——各因素之间的模糊综合评判结果。

以此类推,也可采用三级、四级等多级对事物进行模糊综合评判。 3. FMECA模糊风险评判

数控系统是数控机床的核心部件,其可靠性直接关系到数控机床整机的可靠性水平,因此提高数控系统的可靠性是关键。通过采集到故障数据,建立数控系统的可靠性数据库,并对其进行FMECA,是提高数控系统可靠性重要方法之一。普及型数控系统及其相关的功能部件划分为16个子系统,并确定39种故障模式。本文以进给驱动单元为例,介绍数控系统模糊风险分析。进给驱动单元的故障模式如表4-6。

（1）将影响危害性分析的发生度、严重度、检测度等因素,建立因素集,即:U={严重度等级、发生度等级、检测等级}。

（2）根据国际标准及数控系统的特点,用模糊语言变量将RPN自然语言划分为五个等级,即:“很低”、“低”、“中等”、“高”、“很高”等模糊概念,反映专家及工作人员对故障影响的模糊看法,连续的隶属函数采用三角形分布形式。其评分采用10分制,五种语言的隶属函数如图4-8所示。

表4-6 数控系统中进给驱动单元的FMEA表 部位名称 进 给 驱 动

模式编号 故障现象 0101 Z轴无动作 X轴不能移动 系统报警 0304 机床报警 故障原因 故障影响 Z轴驱动板坏 进给驱动单元X轴驱动板坏 不能正常工作 元器件烧坏 过流 进给驱动单元

单 元 0405 自动运行中断 X、Z轴振荡 过载 电位器调整不当 不能正常工作 子系统无法完成规定功能 自动循环无G01供给 跟随工艺不良 0401 0307 0105 对于V1的隶属度

u1?x???电机不动 电机转速不正常 70号出错报警 制造工艺不良 伺服电机不能正常工作 光藕Z2故障 开路、反馈线坏 伺服电机不能正常工作 子系统无法完成规定功能 1?x?2? (4-5)

??2?0.5x?2?x?4???依此类推，对于V2、V3、V4和V5的隶属度，u2（x）、u3（x）、u4（x）和u5（x）分别表示对应的评价等级。

很低低中高很高246810

图4-8 五种语言隶属函数图

上述数控系统的进给驱动单元六种故障模式,三种影响因素的评判等级 如表4-7。

表4-7 进给驱动单元故障模式评判等级 部位名称 进 给

模式编号 0101 故障现象 Z轴无动作 故障影响 进给单元不能严重度级别 7-10 发生度级别 6-8 检测度级别 5-7 X轴不能移动 正常工作

驱 动 单 元 0405 0304 系统报警 机床报警 X、Z轴振荡 自动循环无G01进给 0401 0307 0105 电机不动 电机转速不正常 伺服电机不能正常工作 伺服电机不能正常工作 成规定功能 5-8 2-5 1-4 2-5 1-4 1-5 6-8 2-5 2-4 进给驱动单元子系统无法完成规定功能 1-5 1-4 2-5 自动运行中断 不能正常工作 4-7 1-3 3-5 70号出错报警 子系统无法完（3）根据表4-7和隶属函数得到六种故障模式的模糊判别矩阵分别为:

00.2860.8570.571??0?

R1??000.6670.3330???10.3330??00.333?0.5710.8570.2850??0?

R2??10.667000???10.33300??0.333??0.7500.7500.25000??

R3??0.8570.571000????0.5710.8570.28600??0.2860.8570.5710??0?

R4??0.5710.8570.28600???00.6670.3330??0?

4.2.9 FMECA注意事项

4.3 FMECA技术标准发展和应用研究

4.3.1 FMECA技术标准发展 4.3.2 FMECA技术标准简介 4.3.3 FMECA技术标准应用 4.4 FMECA系统设计

4.4.1 系统总体设计 4.4.2 数据库设计

4.5 FMECA技术在航空领域的研究状况及前景

4.5.1 FMECA技术在航空领域的研究

4.5.2 FMECA分析验证仿真模型开发技术的研究 4.5.3 FMECA技术在航空领域的应用前景

FMECA由两项相对独立的工作组成，即：故障模式及影响分析（FMEA）；危害性分析（CA）。<

1.故障模式及影响分析（FMEA）

FMEA是分析产品每一个可能的故障模式对系统工作的影响，并将每一个故障模式按其严酷度分类。FMECA可分为硬件法和功能法。硬件法是用表格列出独立的硬件产品，分析它们可能发生的故障模式以及对系统工作的影响。在设计进展到完成设计图样阶段后可采用硬件法。

功能法式以系统的功能块输出的故障模式为基础的分析法。它在设计的初期，硬件还不能完全确定，但已完成系统原理图、功能框图时可以采用。

严酷度是用来度量产品故障模式对系统工作造成严重后果的程度，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，见表4-1。

如果经分析发现某一故障模式的影响为不允许的，则应提出纠正措施或设计更改建议，并对采取措施的效果进行评价。

表4-1

类别 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ

性质 灾难的 致命的 临界的 轻微的 准则 人员死亡或系统毁坏 人员严重伤害，重大经济损失，系统严重损坏，任务失败 人员轻度伤害，一定的经济损失，任务延误，系统轻度损坏 不引起人员伤害、经济损失、系统损坏 2.危害性分析（CA）

FMEA比较简单，但它只能分析故障模式所产生后果的严重程度，不能分析该故障模式出现的概率。事实上故障模式对产品可靠性的影响取决于上述两个因素的综合。例如，一种故障模式出现概率虽然很高，但严酷度可以忽略。此时，我们可以讲危害性相对低。

危害性分析则是综合考虑每一种故障模式的严酷度类别及故障模式出现概率所产生的影响，并对其进行划等分类的分析方法。CA是FMEA的补充和扩展。CA有定性分析和定量分析两种。

(1)定性危害性分析

定性危害性分析是按故障模式出现的概率来评价FMEA中确定的故障模式的方法。故障模式出现概率的等级如表4-2（按QJ2473）所示。

表4-2

概率等级 A B C D E 故障模式出现可能性 很高 有时发生 偶然发生 很少发生 几乎不可能 当缺少产品故障率数据时，可采用定性CA。随着设计的成熟，故障出现概率要发生变化，因此要随时更正CA的结果。由于故障出现概率与故障率有关，而定性CA未考虑故障率，因此它是一种粗略的分析方法。

(2)定量危害性分析

当元器件、零组件已明确，故障率数据有效时，就可以采用定量危害性分析方法。

每一种故障模式危害性值为：

Cm????pt （4.1）

式中：

Cm——故障模式危害性； β ——故障影响概率； α ——故障模式频数比

λ p——故障率 t ——工作时间

由于系统的零部组件在任务期间有不同的工作模式，因此β、α、λ p、 t要考虑不同工作模式带来的变异。

β值表示某故障模式的出现致使系统任务丧失的条件概率，反映故障产生影响的可能性。β根据判断得到，GJB1391推荐的β值如表4-3所示。

表4-3

故障影响 实际丧失 很可能丧失 有可能丧失 无影响 β值 1 0.1<β≤1 0<β≤0.1 0 α 值表示产品某故障模式发生故障的百分比。α 可用下式表示：

???m （4.2） ?pλ m——产品某种故障模式的失效率； λ p——该产品的故障（失效）率。

产品所有故障模式的α 值之和等于1。α 值可从失效率手册查到，或通过试验及现场使用统计数据得到。

λ p数据源与可靠性、维修性分析时所用的故障率数据源相同。

λ p——故障率 t ——工作时间

由于系统的零部组件在任务期间有不同的工作模式，因此β、α、λ p、 t要考虑不同工作模式带来的变异。

β值表示某故障模式的出现致使系统任务丧失的条件概率，反映故障产生影响的可能性。β根据判断得到，GJB1391推荐的β值如表4-3所示。

表4-3

故障影响 实际丧失 很可能丧失 有可能丧失 无影响 β值 1 0.1<β≤1 0<β≤0.1 0 α 值表示产品某故障模式发生故障的百分比。α 可用下式表示：

???m （4.2） ?pλ m——产品某种故障模式的失效率； λ p——该产品的故障（失效）率。

产品所有故障模式的α 值之和等于1。α 值可从失效率手册查到，或通过试验及现场使用统计数据得到。

λ p数据源与可靠性、维修性分析时所用的故障率数据源相同。

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