第四节第四节 故障类型、影响及致命度分析故障类型、影响及致命度分析 Failure Mode Effect and CriticalityAnalysis （FMECA）故障类型、影响及致命度分析故障类型、影响及致命度分析(FMECA)(FMECA)是一种归纳分析方法，是一种归纳分析方法，用于系统安全性和可靠性的分析。尤其是在设计阶段充分考虑用于系统安全性和可靠性的分析。尤其是在设计阶段充分考虑并提出所有可能发生的故障，分析故障的类型和严重程度，判并提出所有可能发生的故障，分析故障的类型和严重程度，判明其对系统的影响和发生的概率等。明其对系统的影响和发生的概率等。这种方法通常分为两部分，即故障类型及影响分析这种方法通常分为两部分，即故障类型及影响分析(FMEA)(FMEA)和致和致命度分析命度分析(CA)(CA)。一、故障类型及影响分析一、故障类型及影响分析(FMEA) Failure Mode Effect Analysis（FMEA)故障类型影响分析就是在产品设计过程中，通过对产品各组故障类型影响分析就是在产品设计过程中，通过对产品各组成单元潜在的各种故障类型及其对产品功能的影响进行分析，成单元潜在的各种故障类型及其对产品功能的影响进行分析，并把每一个故障按它的严重程度予以分类，提出可以采取的预并把每一个故障按它的严重程度予以分类，提出可以采取的预防、改进措施，以提高产品可靠性的一种设计分析方法。防、改进措施，以提高产品可靠性的一种设计分析方法。而而(FMECA)(FMECA)是在是在FMEA FMEA 的基础上再增加一层任务（的基础上再增加一层任务（CACA），即判），即判断每种故障类型影响的危害程度有多大，使分析量化。因此断每种故障类型影响的危害程度有多大，使分析量化。因此FMECA FMECA 可以看作是可以看作是FMEA FMEA 的一种扩展与深化。的一种扩展与深化。（FMEAFMEA）分析实质）分析实质）分析实质）分析实质 故障类型和影响分析是将工作系统分割为子系统、故障类型和影响分析是将工作系统分割为子系统、设备或元件，逐个分析各自可能发生的故障类型及其设备或元件，逐个分析各自可能发生的故障类型及其产生的影响，以便采取相应的防治措施，提高系统的产生的影响，以便采取相应的防治措施，提高系统的安全性。安全性。 对每个子系统或部件提问：对每个子系统或部件提问：故障类型是什么？故障类型是什么？故障类型的影响是什么？故障类型的影响是什么？如何检测此故障？如何检测此故障？故障严重程度？故障严重程度？ （FMEAFMEA） 方法中的几个术语方法中的几个术语方法中的几个术语方法中的几个术语v故障：元件、系统或子系统在规定期限内和运行条件下未按设计要求故障：元件、系统或子系统在规定期限内和运行条件下未按设计要求完成规定的功能或功能下降。完成规定的功能或功能下降。v故障类型故障类型(failure mode)(failure mode)。即故障的表现形式：故障的出现方式或故。即故障的表现形式：故障的出现方式或故障对操作的影响。障对操作的影响。v故障影响故障影响(failure effect)(failure effect)或称故障后果。是某种故障类型对系统、或称故障后果。是某种故障类型对系统、子系统、单元操作、功能或状态所造成的影响。子系统、单元操作、功能或状态所造成的影响。v故障检测机制：指由操作人员在正常操作过程中或由维修人员在检修故障检测机制：指由操作人员在正常操作过程中或由维修人员在检修活动中发现故障的方法或手段。活动中发现故障的方法或手段。v故障原因：导致系统、产品产生故障的内部因素和外部因素的总和。故障原因：导致系统、产品产生故障的内部因素和外部因素的总和。v故障严重度：故障所能导致的最严重的潜在后果，以伤害程度、财产故障严重度：故障所能导致的最严重的潜在后果，以伤害程度、财产损失或系统永久破坏加以度量损失或系统永久破坏加以度量 。 进行进行FME(C)A FME(C)A 必须熟悉整个要分析的系统的情况，包括系必须熟悉整个要分析的系统的情况，包括系统结构方面的、系统使用维护方面的以及系统所处环境等方面统结构方面的、系统使用维护方面的以及系统所处环境等方面的资料。具体来说，应获得并熟悉以下信息：的资料。具体来说，应获得并熟悉以下信息：v 技术规范与研制方案；技术规范与研制方案；v 设计方案论证报告；设计方案论证报告；v 设计数据和图纸；设计数据和图纸；v 可靠性数据。可靠性数据。进行进行进行进行FME(C)AFME(C)A必须掌握的资料必须掌握的资料必须掌握的资料必须掌握的资料FMEA FMEA 工作程序工作程序工作程序工作程序1 1）熟悉系统）熟悉系统 收集资料收集资料将所分析的系统或设备部件的工艺、生产组织、管理和人员将所分析的系统或设备部件的工艺、生产组织、管理和人员的素质、设备等情况，以及投产或运行以来的设备故障和伤亡的素质、设备等情况，以及投产或运行以来的设备故障和伤亡事故情况进行全面的调查分析，收集整理伤亡事故、设备故障事故情况进行全面的调查分析，收集整理伤亡事故、设备故障等方面的数据和资料。等方面的数据和资料。FMEA FMEA 工作程序工作程序工作程序工作程序2 2）确定分析程度和水平）确定分析程度和水平分析层次的确定一般考虑两个因素，一是分析目地，二是系分析层次的确定一般考虑两个因素，一是分析目地，二是系统的复杂程度。分析的层次太浅，就会漏掉重要的故障模式，统的复杂程度。分析的层次太浅，就会漏掉重要的故障模式，得不到需要的信息；若分析得过深，一切都分析到元件，会造得不到需要的信息；若分析得过深，一切都分析到元件，会造成结果繁琐，浪费大量人力和时间，对制订措施也带来困难。成结果繁琐，浪费大量人力和时间，对制订措施也带来困难。一般，对关键的子系统可以分析得深一些，次要分析得浅一些，一般，对关键的子系统可以分析得深一些，次要分析得浅一些，有的可以不用分析。有的可以不用分析。FMEA FMEA 工作程序工作程序工作程序工作程序3 3）绘制系统功能框图和可靠性框图）绘制系统功能框图和可靠性框图绘制功能框图时需要将系统按照功能进行分解，并表示出子绘制功能框图时需要将系统按照功能进行分解，并表示出子系统及各功能单元的输入和输出关系。可靠性框图是研究如何系统及各功能单元的输入和输出关系。可靠性框图是研究如何保证系统正常运行的系统图，它侧重表达系统的功能与各功能保证系统正常运行的系统图，它侧重表达系统的功能与各功能元件的功能之间的关系。元件的功能之间的关系。FMEA FMEA 工作程序工作程序工作程序工作程序4 4）列出所有故障类型并分析其影响）列出所有故障类型并分析其影响列出所有可能的故障类型，并其对系统、子系统、元件以及列出所有可能的故障类型，并其对系统、子系统、元件以及对人的影响。对人的影响。5 5）分析故障原因及故障检测方法）分析故障原因及故障检测方法分析故障原因既要注意系统的内在因素，也得注意外在因素。分析故障原因既要注意系统的内在因素，也得注意外在因素。每种故障类型都要明确相应的检测方法。每种故障类型都要明确相应的检测方法。FMEA FMEA 工作程序工作程序工作程序工作程序6 6）确定故障等级）确定故障等级可以根据故障影响，对照严重度的分级标准进行故障等级划可以根据故障影响，对照严重度的分级标准进行故障等级划分。分级还得考虑故障发生的概率，可以采用风险矩阵法来进分。分级还得考虑故障发生的概率，可以采用风险矩阵法来进行故障分级。行故障分级。 严重度类别是产品故障模式造成的最坏潜在后果的量度严重度类别是产品故障模式造成的最坏潜在后果的量度表示。可以将每一故障模式和每一被分析的产品按损失程度表示。可以将每一故障模式和每一被分析的产品按损失程度进行分类。严重度一般分为下述四类。进行分类。严重度一般分为下述四类。v 类类( (轻度的轻度的)这是一种不足以导致人员伤害、一定这是一种不足以导致人员伤害、一定的经济损失或装备损坏的故障，但它会导致非计划性维护或的经济损失或装备损坏的故障，但它会导致非计划性维护或修理。修理。v 类类( (临界的临界的)这种故障会引起人员的轻度伤害、一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迟或降级的系统轻度损坏。定的经济损失或导致任务延迟或降级的系统轻度损坏。v 类类( (严重的严重的)这是一种会引起人员伤亡或装备毁坏这是一种会引起人员伤亡或装备毁坏的故障。的故障。v 类类( (致命的致命的)这种故障会引起人员的严重伤害、重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。大经济损失或导致任务失败的系统严重损坏。v确定严重类别的目的在于为安排改进措施提供依据。最优先确定严重类别的目的在于为安排改进措施提供依据。最优先考虑的是消除考虑的是消除类和类和类故障模式。类故障模式。FMEA FMEA 严重度类别划分严重度类别划分严重度类别划分严重度类别划分 电机运行系统如图电机运行系统如图 2-2 2-2 所示所示, ,该系统是一种短时运行系统该系统是一种短时运行系统, ,如果运行如果运行时间过长则可能时间过长则可能 引起电线过热或者电机过热、短路。对系统中主要元素引起电线过热或者电机过热、短路。对系统中主要元素进行故障类型和影响分析进行故障类型和影响分析, ,结果列于表结果列于表2-7 2-7 。 例例例例 题：题：题：题： 将该系统进行细分为子系统及元件：操作系统及动力系统，操作系将该系统进行细分为子系统及元件：操作系统及动力系统，操作系统是指操作人员操作按钮来控制继电器的离合；动力系统是指通过控制统是指操作人员操作按钮来控制继电器的离合；动力系统是指通过控制继电器的离合来控制电机的运转。因此系统中的主要元件有：按钮、继继电器的离合来控制电机的运转。因此系统中的主要元件有：按钮、继电器、熔丝、电动机等；逐个分析每个元件产生的故障、故障类型、原电器、熔丝、电动机等；逐个分析每个元件产生的故障、故障类型、原因、故障对系统的影响以及检测方法。因、故障对系统的影响以及检测方法。例例例例 题：题：题：题： 空气压缩机的储罐属于压力容器,其功能是储存空气压缩机产生的压缩空气。这里仅考察储罐的罐体和安全阀两个元素的故障类型及其影响, 作业：作业：作业：作业：作业：作业：作业：作业：单元单元故障类型故障类型故障原因故障原因故障影响故障影响检测方法检测方法故障等故障等级级措施措施罐体罐体轻微漏气轻微漏气接口不严接口不严能耗增加能耗增加听漏气噪声、听漏气噪声、空气压缩空气压缩机频繁打机频繁打压压加强维修加强维修保护保护严重漏气严重漏气焊接裂缝焊接裂缝压力迅速下降压力迅速下降压力表度数下压力表度数下降降停机修理停机修理破裂破裂材料缺陷、外力破坏材料缺陷、外力破坏压力迅速下降、压力迅速下降、损伤人员和损伤人员和设备设备压力表度数下压力表度数下降降停机修理停机修理安全阀安全阀漏气漏气接口不严、弹簧疲劳接口不严、弹簧疲劳能耗增加、压力能耗增加、压力下降下降听漏气噪声、听漏气噪声、空气压缩空气压缩机频繁打机频繁打压压加强维修加强维修保护保护错误开启错误开启弹簧疲劳、折断弹簧疲劳、折断压力迅速下降压力迅速下降压力表度数下压力表度数下降降停机修理停机修理不能安全不能安全泄压泄压锈蚀物堵住阀口锈蚀物堵住阀口超压时失去安全超压时失去安全功能、系统功能、系统压力迅速增压力迅速增高高压力表度数迅压力表度数迅速升高速升高停机检查停机检查更换更换对于特别危险的故障类型，例如故障等级是对于特别危险的故障类型，例如故障等级是级的级的故障类型，有可能导致人身伤亡或全系统损坏。因故障类型，有可能导致人身伤亡或全系统损坏。因此对这类元件要特别注意，可采用致命度分析方法此对这类元件要特别注意，可采用致命度分析方法(CA)(CA)，进一步分析。进一步分析。致命度分析一般是与故障类型影响分析合用。致命度分析一般是与故障类型影响分析合用。目的：给出某种故障类型的发生概率及故障严重度目的：给出某种故障类型的发生概率及故障严重度的综合度量。的综合度量。二、致命度分析二、致命度分析Criticality Analysis (CA)v危害性分析有定性分析和定量分析两种方法。究竟危害性分析有定性分析和定量分析两种方法。究竟选择哪种方法，应根据具体情况决定。选择哪种方法，应根据具体情况决定。v在不能获得产品技术状态数据或故障率数据的情况在不能获得产品技术状态数据或故障率数据的情况下，可选择定性的分析方法。若可以获得产品的这下，可选择定性的分析方法。若可以获得产品的这些数据，则应以定量的方法计算并分析危害度。些数据，则应以定量的方法计算并分析危害度。CA CA 分析方法分析方法分析方法分析方法1 1）定性分析法。）定性分析法。在得不到产品技术状态数据或故障率数据的情况下，可以按在得不到产品技术状态数据或故障率数据的情况下，可以按故障模式发生的概率来评价故障模式发生的概率来评价FMEA FMEA 中确定的故障模式。此时，中确定的故障模式。此时，将各故障模式的发生概率按一定的规定分成不同的等级。故将各故障模式的发生概率按一定的规定分成不同的等级。故障模式的发生概率等级按如下规定：障模式的发生概率等级按如下规定：vA A 级级( (经常发生经常发生)在产品工作期间内某一故障模式的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概率大于产品在该期间内总的故障概率的20%20%。vB B 级级( (有时发生有时发生)在产品工作期间内某一故障模式的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的总的故障概率的概率大于产品在该期间内的总的故障概率的10%10%，但小于，但小于20%20%。vC C 级级( (偶然发生偶然发生)在产品工作期间内某一故障模式的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概率大于产品在该期间内总的故障概率的1%1%，但小于，但小于10%10%。vD D 级级( (很少发生很少发生)在产品工作期间内某一故障模式的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概率大于产品在该期间内总的故障概率的0.1%0.1%，但小于，但小于1%1%。vE E 级级( (极少发生极少发生)在产品工作期间内某一故障模式的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概率小于产品在该期间内总的故障概率的0.1%0.1%。2 2）定量分析方法。）定量分析方法。在具备产品的技术状态数据和故障率数据的情况在具备产品的技术状态数据和故障率数据的情况下，采用定量的方法，可以得到更为有效的分析下，采用定量的方法，可以得到更为有效的分析结果。用定量的方法进行危害性分析时，所用的结果。用定量的方法进行危害性分析时，所用的故障率数据源应与进行其他可靠性维修性分析时故障率数据源应与进行其他可靠性维修性分析时所用的故障率数据源相同。所用的故障率数据源相同。概率概率严重度分析法：严重度分析法： 危险度分析的目的在于评价每种故障类型的危险程度。危险度分析的目的在于评价每种故障类型的危险程度。通常通常, ,采用概率一严重度来评价故障类型的危险度。概率是指采用概率一严重度来评价故障类型的危险度。概率是指故障类型发生的概率故障类型发生的概率, ,严重度是指故障后果的严重程度。采用严重度是指故障后果的严重程度。采用该方法进行危险度分析时该方法进行危险度分析时, ,通常把概率和严重度分别划分为若通常把概率和严重度分别划分为若干等级。例如干等级。例如, ,美国的杜邦公司把概率划分为美国的杜邦公司把概率划分为6 6 等级等级, ,危险程危险程度划分为度划分为3 3个等级个等级( (见表见表2-92-9中注中注) )。 危险度指数法：危险度指数法：当用危险度一个指标来评价时当用危险度一个指标来评价时, ,可按下式计算危险度可按下式计算危险度: : 式中式中 C - C -系统的危险度指数系统的危险度指数; ;n -n -导致系统重大故障或事故的故障类型数目导致系统重大故障或事故的故障类型数目; ;-元素的基本故障率元素的基本故障率; ;t -t -元素的运行时间元素的运行时间; ;-导致系统重大故障或事故的故障类型数目占全导致系统重大故障或事故的故障类型数目占全部故障类型数目的比例部故障类型数目的比例; ;-导致系统重大故障或事故的故障类型出现时导致系统重大故障或事故的故障类型出现时, ,系统发生重大故障或事故的概率系统发生重大故障或事故的概率, ,其参考值见表其参考值见表 2-9; 2-9;k1-k1-实际运行状态的修正系数，为实际强度和实验实际运行状态的修正系数，为实际强度和实验室测定强度的比值；室测定强度的比值；k2-k2-实际运行环境条件的修正系数。实际运行环境条件的修正系数。 危害性矩阵危害性矩阵 危害性矩阵用来确定和比较每一故障模式的危害程度，危害性矩阵用来确定和比较每一故障模式的危害程度，进而为确定改进措施的先后顺序提供依据。进而为确定改进措施的先后顺序提供依据。 矩阵图的横坐标用严重度类别表示，纵坐标用产品危害矩阵图的横坐标用严重度类别表示，纵坐标用产品危害度度Cr 或故障模式发生概率等级表示。其示例如图或故障模式发生概率等级表示。其示例如图4-3 所示。所示。图图4-3 4-3 危害性矩阵示例危害性矩阵示例 将产品或故障模式编码参照其严酷度类别及故障模式发生将产品或故障模式编码参照其严酷度类别及故障模式发生概率或产品的危害度标在矩阵的相应位置，这样绘制的矩阵概率或产品的危害度标在矩阵的相应位置，这样绘制的矩阵图可以表明产品各故障模式危害性的分布情况。如图图可以表明产品各故障模式危害性的分布情况。如图4-3所所示，所记录的故障模式分布点在对角线上的投影点距离原点示，所记录的故障模式分布点在对角线上的投影点距离原点越远，其危害性越大，越需尽快采取改进措施。如图中故障越远，其危害性越大，越需尽快采取改进措施。如图中故障模式模式B 的投影距离的投影距离OB比故障模式比故障模式A 的投影距离的投影距离OA长，所长，所以故障模式以故障模式B 的危害性大。绘制好的危害性矩阵图应作为的危害性大。绘制好的危害性矩阵图应作为FMECA 报告的一部分。报告的一部分。 它是用于产品研制的全过程，适用于研制中的各个它是用于产品研制的全过程，适用于研制中的各个阶段，是用于电气、机械、民用、宇航等专业；阶段，是用于电气、机械、民用、宇航等专业； 它可以帮助研制人员把失效及影响减少到最小，从它可以帮助研制人员把失效及影响减少到最小，从而提高产品或系统的可靠性水平；而提高产品或系统的可靠性水平； FMEA FMEA的原理简单，方法简便，基本是定性分析，也的原理简单，方法简便，基本是定性分析，也可进行定量分析；可进行定量分析； 应用应用FMEAFMEA（FMECAFMECA）的实际效果较大，国外早就列入）的实际效果较大，国外早就列入产品研制，我国亦即把产品研制，我国亦即把FMECAFMECA定为国标；定为国标； 它可以在一定程度上反映人的因素（如操作上）所它可以在一定程度上反映人的因素（如操作上）所引起的失误等；引起的失误等； 它是其他失效分析的基础之一，它既可以独立使用，它是其他失效分析的基础之一，它既可以独立使用，也可作为可靠性定量分析方法的补充和保证。若与其他失效也可作为可靠性定量分析方法的补充和保证。若与其他失效分析法综合使用，其收获会更大。分析法综合使用，其收获会更大。 FMEAFMEA（FMECAFMECA）优点：）优点：）优点：）优点：