故障模式影响及危害度分析ppt课件.ppt

北京航空航天大学工程系统工程系北京航空航天大学工程系统工程系故障模式影响及危害度分析故障模式影响及危害度分析FMECA8/31/20241内容提要内容提要o概述oFMECA的定义、目的和作用oFMECA的方法oFMECA的步骤n系统定义n故障模式影响分析n危害性分析n危害性矩阵图oFMECA输出与注意的问题o应用案例8/31/20242概述概述o元部件的故障对系统可造成重大影响n灾难性的影响——挑战者升空爆炸、发动机液体燃料管垫圈不密封n致命性的影响——起落架上位锁打不开oGJB450A-“ FMEA是找出设计上潜在缺陷的手段，是设计审查中必须重视的资料”o以往设计师依靠经验判断元部件故障对系统的影响n依赖于人的知识和工作经验o系统的、全面的和标准化的方法—FMECAn设计阶段发现对系统造成重大影响的元部件故障n设计更改、可靠性补偿oFMEA是可靠性、维修性、保障性和安全性设计分析的基础8/31/20243FMECA的的概念概念oFMECA的定义n故障模式影响及危害性分析(Failure Mode ,Effects and Criticality analysis , 简记为FMECA)是分析系统中每一产品所有可能产生的故障模式及其对系统造成的所有可能影响，并按每一个故障模式的严重程度及其发生概率予以分类的一种归纳分析方法。

oFMECA是一种自下而上的归纳分析方法；oFMEA和CAoFMECA的目的n从产品设计（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）和使用发现各种影响产品可靠性的缺陷和薄弱环节，为提高产品的质量和可靠性水平提供改进依据8/31/20244FMECA作用作用 o保证有组织地定性找出系统的所有可能的故障模式及其影响，进而采取相应的措施o为制定关键项目和单点故障等清单或可靠性控制计划提供定性依据o为R、M、S、T、S提供一种定性依据o为制定试验大纲提供定性信息o为确定更换有寿件、元器件清单提供使用R设计的定性信息o为确定需要重点控制质量及工艺的薄弱环节清单提供定性信息o可及早发现设计、工艺中的各种缺陷 8/31/20245在产品寿命周期在产品寿命周期各阶段的各阶段的FMECA方法方法论证与方案阶段工程研制阶段生产阶段使用阶段方法功能FMECA·硬件FMECA·软件FMECA·损坏模式影响分析过程FMECA 统计FMECA目的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、软件设计的缺陷与薄弱环节，为系统的硬件、软件设计改进和保障性分析提供依据。

分析研究所设计的生产工艺过程的缺陷和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产品使用过程中实际发生的故障、原因及其影响，为提供产品使用可靠性和进行产品的改进、改型或新产品的研制提供依据8/31/20246FMECA方法分类方法分类8/31/20247FMECA的步骤的步骤8/31/202481 系统定义系统定义o确定系统中进行FMECA的产品范围n产品层次示例n约定层次——规定的FMECA的产品层次n初始约定层次——系统最顶层n最低约定层次——系统最底层o描述系统的功能任务及系统在完成各种功能任务时所处的环境条件n任务剖面、任务阶段及工作方式n功能描述o制定系统及产品的故障判据、选择FMECA方法等n故障判据n分析方法8/31/202492 2 故障模式影响分析故障模式影响分析FMEA8/31/2024103 危害性分析危害性分析(CA)o分类：定性和定量oCA表8/31/202411危害性矩阵图危害性矩阵图8/31/202412FMECA输出与注意的问题输出与注意的问题oFMECA输出n单点故障模式清单nⅠ、Ⅱ类故障模式清单n可靠性关键件、重要件n不可检测故障模式清单n危害性矩阵图等nFMEA/CA表8/31/202413实施实施FMECA应注意的问题应注意的问题o强调“谁设计、谁分析”的原则n“谁设计、谁分析”的原则，也就是产品设计人员应负责完成该产品的FMECA分析工作，可靠性专业人员应提供分析必须的技术支持。

n实践表明，FMECA工作是设计工作的一部分谁设计、谁分析”、及时改进是进行FMECA的宗旨，是确保FMECA有效性的基础，是国内外开展FMECA工作经验的结晶如果不由产品设计者实施FMECA，必然造成分析与设计的分离，也就背离了FMECA的初衷8/31/202414实施实施FMECA应注意的问题应注意的问题o重视FMECA的策划n实施FMECA前，应对所需进行的FMECA活动进行完整、全面、系统的策划，尤其是对复杂大系统，更应强调FMECA的重要性要求的必要性体现在以下几方面：n结合产品研制工作，运用并行工程的原理，对所需的FMECA进行完整、全面、系统的策划，将有助于保证FMECA分析的目的性、有效性，以确保FMECA工作与研制工作同步协调，避免事后补做的现象n对复杂大系统，总体级的FMECA往往需要低层次的分析结果作为输入，对相关分析活动的策划将有助于确保高层次产品FMECA的实施nFMECA计划阶段事先规定的基本前提、假设、分析方法和数据，将有助于在不同产品等级和承制方之间交流和共享，确保分析结果的一致性、有效性和可比性8/31/202415实施实施FMECA应注意的问题应注意的问题o保证FMECA的实时性、规范性、有效性n实时性FMECA工作应纳入研制工作计划、做到目的明确、管理务实；FMECA工作与设计工作应同步进行，将FMECA结果及时反馈给设计过程。

n规范性分析工作应严格执行FMECA计划、有关标准/文件的要求分析中应明确某些关键概念，比如：故障检测方法是系统运行或维修时发现故障的方法；严酷度是对故障模式最终影响严重程度的度量，危害度是对故障模式的后果严重程度的发生可能性的综合度量，两者是不同的概念，不能混淆n有效性对分析提出的改进、补偿措施的实现予以跟踪和分析，以验证其有效性这种过程也是积累FMECA工程经验的过程8/31/202416实施实施FMECA应注意的问题应注意的问题oFMECA的剪裁和评审nFMECA作为常用的分析工具，可为可靠性、安全性、维修性、测试性和保障性等工作提供信息，不同的应用目的可能得到不同的分析结果各单位可根据具体的产品特点和任务对FMECA的分析步骤、内容进行补充，剪裁，并在相应文件中予以明确8/31/202417实施实施FMECA应注意的问题应注意的问题oFMECA的数据n故障模式是FMECA的基础能否获得故障模式的相关信息是决定FMECA工作有效性的关键若进行定量分析时还需故障的具体数据，这些数据除通过试验获得外，一般是需要通过相似产品的历史数据进行统计分析有计划有目的注意收集、整理有关产品的故障信息，并逐步建立和完善故障模式及频数比的相关故障信息库，这是开展有效的FMECA工作的基本保障之一。

oFMECA应与其他分析方法相结合nFMECA虽是有效的可靠性分析方法，但并非万能它不能代替其他可靠性分析工作应注意FMECA一般是静态的、单一因素的分析方法在动态方面还很不完善，若对系统实施全面分析还需与其他分析方法（如FTA、ETA等）相结合8/31/202418故障模式故障模式o故障与故障模式n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（对机械产品也称失效）n故障模式是故障的表现形式，如起落架撑杆断裂、作动筒间隙不当、收放不到位等o产品功能与故障模式n一个产品可能具有多种功能o起落架：支撑、滑跑、收放等n每一个功能有可能具有多种故障模式o支撑：降落时折起o滑跑：震动o收放:收不起、放不下8/31/202419典型故障模式典型故障模式GJB1391《故障模式影响及危害性分析》序号故障模式序号故障模式1结构故障(破损)12超出允差(下限)2捆结或卡死13意外运行3振动14间歇性工作4不能保持正常位置15漂移性工作5打不开16错误指示6关不上17流动不畅7误开18错误动作8误关19不能关机9内部漏泄20不能开机10外部漏泄21不能切换11超出允差(上限)22提前运行8/31/202420机械产品典型故障模式机械产品典型故障模式o 故障模式可分为以下七大类：n损坏型：如断裂、变形过大、塑性变形、裂纹等。

n 退化型：如老化、腐蚀、磨损等n松脱性：松动、脱焊等n失调型：如间隙不当、行程不当、压力不当等n 堵塞或渗漏型：如堵塞、漏油、漏气等n 功能型：如性能不稳定、性能下降、功能不正常n其他：润滑不良等8/31/202421故障原因故障原因o直接原因：导致产品功能故障的产品自身的那些物理、化学或生物变化过程等，直接原因又称为故障机理o间接原因：由于其他产品的故障、环境因素和人为因素等引起的外部原因o例如——起落架上位锁打不开n直接原因：锁体间隙不当、弹簧老化等n间接原因：锁支架刚度差8/31/202422任务阶段与工作方式任务阶段与工作方式o任务剖面又由多个任务阶段组成n起落架任务阶段：o起飞o着陆o空中飞行o地面滑行o工作方式：n可替换n有余度：上位锁开锁：液压、手动钢索、冷气o因此，在进行故障模式分析时，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什么工作方式下发生的8/31/202423任务剖面任务剖面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））航时航时T（（min））高度高度H（（km））T=24.4T=6.8T=5.0 空空——空剖面空剖面1 1510118/31/202424故障影响故障影响o故障影响与约定层次n约定层次示例o故障影响n局部影响:某产品的故障模式对该产品自身和与该产品所在约定层次相同的其他产品的使用、功能或状态的影响n高一层次影响:某产品的故障模式对该产品所在约定层次的高一层次产品的使用、功能或状态的影响n最终影响:指系统中某产品的故障模式对初始约定层次产品的使用、功能或状态的影响8/31/202425严酷度类别严酷度类别o严酷度：产品故障造成的最坏后果的严重程度o严酷度类别定义(GJB1391)严酷度类别严 重 程 度 定 义Ⅰ类(灾难的)这是一种会引起人员死亡或系统(如飞机、坦克、导弹及船舶等)毁坏的故障。

Ⅱ类(致命的)这种故障会引起人员的严重伤害、重大经济损失或导致任务失败的系统严重损坏Ⅲ类(临界的)这种故障会引起人员的轻度伤害，一定的经济损失或导致任务延误或降级的系统轻度损坏Ⅳ类(轻度的)这是一种不足以导致人员伤害、一定的经济损失或系统损坏的故障，但它会导致非计划性维护或修理8/31/202426故障检测方法故障检测方法o故障检测方法一般包括目视检查、离机检测、原位测试等手段：n自动传感装置n传感仪器n音响报警装置n显示报警装置o故障检测一般分为事前检测与事后检测两类，对于潜在故障模式，应尽可能设计事前检测方法8/31/202427补偿措施补偿措施o设计补偿措施n产品发生故障时，能继续安全工作的冗余设备n安全或保险装置(如监控及报警装置)n可替换的工作方式(如备用或辅助设备)n可以消除或减轻故障影响的设计或工艺改进(如概率设计、计算机模拟仿真分析和工艺改进等)o操作人员补偿措施n特殊的使用和维护规程，尽量避免或预防故障的发生n一旦出现某故障后操作人员应采取的最恰当的补救措施8/31/202428约定层次示例约定层次示例故障影响系统定义8/31/202429故障概率等级或数据来源故障概率等级或数据来源o故障概率等级——定性分析方法nA级--经常发生 >20%nB级--有时发生 10% >20%nC级--偶然发生 1% >10%nD级--很少发生 0.1% >1%nE级--极少发生 <.0.1%o数据来源n预计值n分配值n外场评估值等8/31/202430故障模式频数比故障模式频数比o故障模式频数比n故障模式频数比α是产品的某一故障模式占其全部故障模式的百分比率。

如果考虑某产品所有可能的故障模式，则其故障模式频数比之和将为1n模式故障率λm是指产品总故障率λp与某故障模式频数比α的乘积n故障模式频数比及模式故障率气体控制活门故障模式故障模式频数比α产品故障率λp 模式故障率λm不闭合不打开外部漏气34%57%9%0．123450.041970.070360.01111总 计1．00.123458/31/202431故障影响概率故障影响概率o故障影响概率β是指假定某故障模式已发生时，导致确定的严酷度等级的最终影响的条件概率某一故障模式可能产生多种最终影响，分析人员不但要分析出这些最终影响还应进一步指明该故障模式引起的每一种故障影响的百分比，此百分比即为β这多种最终影响的β值之和应为1o故障影响概率示例8/31/202432故障模式危害度与产品危害度故障模式危害度与产品危害度o故障模式危害度——评价单一故障模式危害性nCm(j)=α×β×λp×t, j=Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ o产品危害度——评价产品的危害性nCr（j）= ∑Cmi(j)，i=1,2,…,n，n为该产品的故障模式总数，j=Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳo∑Cmi(j)——产品在第j类严酷度类别下的所有故障模式的危害度之和。

8/31/202433某型军用教练飞机升降舵系统的某型军用教练飞机升降舵系统的FMECA o系统定义 n系统组成及功能 n约定层次 n绘制可靠性方框图n故障判据 n严酷度类别 oFMECA表的填写nFMECA表格的选取 nFMECA表中信息来源 n主要故障模式 n系统在不同严酷度下的危害度 oFMECA报告8/31/202434系统定义系统定义o系统组成及功能n某型军用教练飞机升降舵系统是单梁盒式薄壁结构，并是由梁、小梁、肋、蒙皮所组成的双闭室剖面结构为保证升降舵系统的操作由负载、配平性能需要，还装有配重的调整片、翼尖配重 o约定层次 n初始约定层次为某型军用教练机n约定层次图 o绘制方框图n绘制功能结构方框图n绘制可靠性框图o故障判据 o严酷度类别8/31/202435某型军用教练飞机升降舵系统约定层次某型军用教练飞机升降舵系统约定层次8/31/202436功功能能结结构构方方框框图图8/31/202437可靠性框图可靠性框图8/31/202438故障判据故障判据o升降舵系统凡发生以下不满足要求的情况之一，即认为该系统发生了故障：n舵面偏转时应准确及时偏转到规定位置；n左、右升降舵应保持同步偏转；n飞机长期稳定飞行时，舵面应保持确定的平衡位置；n舵面偏转时无卡滞现象；n飞行中舵面无强烈振动现象；n调整片按要求能正常偏转；n配重无松动现象；n舵面结构满足了强度、刚度要求，没有因疲劳、腐蚀等导致其结构的损伤。

8/31/202439严酷度类别严酷度类别o升降舵系统严酷度类别的定义 严酷度类别 严重程度定义 Ⅰ类（灾难的） 危及人员或安全（如一等、二等飞行事故及重大环境损坏） Ⅱ类（致命的） 损伤人员或飞机损伤（如三等飞行事故及严重环境损害） Ⅲ类（临界的） 人员程轻度伤害或影响任务完成（如误飞、中断或取消飞行、降低飞行品质、增加着陆困难、中等程度环境损害） Ⅳ类（轻度的） 无影响或影响很小，增加非计划性维护或修理 8/31/202440FMECA表格的填写表格的填写oFMECA表格的选取n根据本案例的实际情况，将FMEA表、CA表合并成一个表这使FMECA表更简明、直观和减少工作量oFMECA表中信息来源n表中的故障模式、故障原因、故障率等均是在多个相似飞机升降舵的调研和分析基础上进行的，其结果比较真实可靠o主要故障模式——归纳该升降舵的故障模式是：n舵面偏转不到位其表现为驾驶杆行程加大，操纵不到位n舵面偏转困难（偏重），但无卡死现象舵面转动不灵活，有卡滞现象由舵面的振动导致驾驶杆抖动n结构故障由于长期使用，舵面结构局部损伤，造成结构强度、刚度下降，变形加大8/31/202441FMECA表格的填写表格的填写o针对上述故障模式提示了相应的改进措施，进而提高了产品的可靠性、保证了该教练机飞行一次成功。

o系统在不同严酷度下的危害度n据表结果，升降舵系统在不同严酷度下的危害度是：oCRs（I）＝6.001 ×10－6；CRs（Ⅱ）＝31.6724×10－6；oCRs（Ⅲ）＝1.4183×10－6；CRs（Ⅳ）＝0.0252×10－68/31/202442FMECA表格表格8/31/202443FMECA报告报告o可靠性关键产品清单oⅠⅡ类故障模式清单o单点故障模式清单o不可检测故障模式清单o危害性矩阵图等8/31/202444谢谢谢谢8/31/202445。