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1、2.5 故障类型、影响和危险度分析,2.5.1基本原理 故障类型及影响分析(Failure Modsl & Effects Analysis,FMEA)是对系统的各组成部分、元素进行的分析。系统的组成部分或元素在运行过程中往往可能发生不同类型的故障,对系统产生不同的影响。 这种分析方法首先找出系统中各组成部分及元素可能发生的故障及其类型,查明各种类型故障对邻近部分或元素的影响以及最终对系统的影响,然后提出避免或减少这些影响的措施。 故障类型和影响分析最初只能做定性分析,后来在分析中包括了故障发生难易程度的评价或发生的概率。更进一步地把它与危险度分析(Critical Analysis)结合起来
2、,构成故障类型和影响、危险度分析(Failure Modes,Effects and Criticality Analysis,FMECA)。这样,如果确定了每个元素故障发生概率,就可以确定设备、系统或装置的故障发生概率,从而定量地描述故障的影响。 1957年美国开始在飞机发动机设计中使用FMEA法。2O世纪 60年代这种方法被广泛用于航天产业的研发,为登月计划起到了不可估量的作用。后来美国航空航天局和陆军在确定工程项目时,都要求承包方提供故障类型和危险度分析资料,航空航天局还把FMECA作为保证宇宙飞船硬件可靠性的基本方法。 尽管该方法是由可靠性发展起来的,但目前已在核电站、动力工业、仪器仪
3、表工业中得到广泛应用,在化学工业应用也有明显的效果。,2.5.2故障类型和影响分析 (FMEA) 1.分析内容(1/2) 故障模式和影响分析用于分析系统发生影响的所有单元的故障,并且研究这些故障的影响，进而指明每种故障发生的模式及其对系统运行所产生的影响程度。 这种方法的特点是从元件、器件的故障开始，逐次分析其影响及应采取的对策。其基本内容是为找出构成系统的每个元件可能发生的故障类型及其对人员、操作及整个系统的影响。 故障:就是元件、组件、子系统、系统某种功能失效和损失，在运行时不能达到预期要求，因而完不成任务。 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
4、要经历规划、设计、选材、加工制造、装配、检验、包装、储存、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。,2.5.2故障类型和影响分析 (FMEA) 1.分析内容(2/2) 故障类型:就是故障出现的状态，也就是故障的表现形式，一般可以从以下几方面考虑: (1)运行过程中的故障; (2)过早地启动; (3)规定时间不能启动; (4)规定时间不能停车; (5)运行能力降级超量或受阻。 从安全角度来说，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
5、从正常发展成事故有一个过程:正常异常征兆状态故障事故。对产品、设备、元件的故障类型、产生原因及其影响应及时了解和掌握，才能正确地采取相应措施。若忽略了某些故障类型，就可能因为没有采取防止措施而发生事故。,2.5.2故障类型和影响分析 (FMEA) 2.分析步骤,(1)了解分析对象，明确系统任务和组成 分析时首先要熟悉有关资料，从中了解系统的组成、任务、工艺流程等情况。查出系统设备元件及其性能、运行条件以及正常和故障的条件，从每个硬件的故障类型出发，研究它们对系统产生的影响。要熟悉子系统的性能及各子系统之间的相互关系，并准备一些必要的资料: 设计任务书及技术设计说明; 有关此类生产的法令、标准、
6、规范、制度; 工艺流程，主要设备图纸及说明; 同类系统的事故事例，预先危险性分析、图表及可靠性数据等。,2.5.2故障类型和影响分析 (FMEA) 2.分析步骤,(2)确定分析的层次(1/3) 系统根据一定的方式从高到底进一步划分为子系统、单元、组件、元件等层次，系统的复杂程度不同，需要进行分析的精确程度也不同，则将要进行分析的层次也就不同。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2-2为不同分析层次的故障类型及影响分析(以汽车系统为例)。,2.5.2故障类型和影响分析 (FMEA) 2.分析步骤,(2)确定分析的层次(2/3) 由图2-2可以看出,在各分析层
7、次中,由于故障所在层次不同,故障类型对上一层影响和对下一层的故障原因追究深度也不相同。 如果分析的层次太浅,就会漏掉重要的故障类型,得不到有用的资料;反之,若分析得过深,一切都分析到元件,则会造成结果繁杂,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些,次要的可以分析得浅些,有 的可以不分析。 对于复杂的系统,为了说明系统各部分之间功能的传输情况,以便于应用FMEA,通常采用可靠性框图加以表示。 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,如图2-3所示。,2.5 故障类型、影
8、响和危险度分析,2.5.2故障类型和影响分析 (FMEA) 2.分析步骤,(2)确定分析的层次(3/3),该可靠性框图说明了以下问题: 主系统分成了三个子系统，即10,20,30，每一个子系统发生故障都会对主系统发生影响。 子系统10包括三个组件:11,12,13。 组件11受元件01A,01B,02,03,04,05和06的影响，它们在串联的情况下进行工作。 元件01A和01B相同，是冗余系统。 元件02由两个零件a和b组成。 从功能上看，元件03受元件07和其他系统的影响。 虚线所包含的零件04在特定情况下发生作用。 元件05和06是备件，在某些特定情况下，05发生故障时，06起作用。 元
9、件07在正常运转时不发生作用。 从框图可以明确看出分析系统、子系统、元件间的分析层次。 可靠性框图按分析程度自上而下排列，标明各个元件是串联和并联的关系和输出情况，最后画出整个系统的输人输出框图，这个方法根据输人输出情况，可以查明哪些元素处于正常状态或者发生事故，所以是很有用的。,2.5 故障类型、影响和危险度分析,2.5.2故障类型和影响分析 (FMEA) 2.分析步骤,(3)建立故障类型清单、分析故障原因及影响,这一步是实施故障类型及影响分析的核心.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类型(即导致规定输出功能的异常和
10、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 对每一种可能的输出功能偏差,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类型。,(4)确定故障等级 由于各种故障类型所引起的子系统、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。确定故障等级的方法有以下几种:,2.5 故障类型、影响和危险度分析,2.5.2故障类型和影响分析 (FMEA) 2.分析步骤,(4)确定故障等级 由于各种故障类型所引起的子系统、系统事故有很大的差别，因而在处
11、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。确定故障等级的方法有以下几种: 将故障模式对子系统或系统影响的严重程度分四个等级，可根据实际情况进行分级，具体参见表2-8.,(5)编制分析文件,2.5.2故障类型和影响分析 (FMEA) 3.分析的格式,故障类型及影响分析的结果通常以工作表的形式体现。 随着项目的不同、分析精细程度不同及客户要求的不同，工作表的形式不完全一致。可以根据分析的目的、要求设立必要的栏目，简捷明了地显示全部分析内容。尽管工作表的形式没有严格的要求，但通常包括以下信息，常用的分析表格参见表2-12。,2.5.2故障类型和影响分析 (F
12、MEA) 3.分析的格式,(1)条目：要分析的元器件、部件或某项功能。对于硬件而言，尽可能用可靠性框图的编号来填写该栏，该编号应与其他分析或图纸等编号相一致，便于数据和资料的管理。(2)故障类型：依据历史数据、制造商提供的信息、经验或检测结果等填写所有的故障类型，因为每一个元件可能有多个故障类型，必须列出每一个故障类型，然后逐一分析其影响。(3)产生原因：导致某故障类型的所有可能的原因。产生原因可基于不同的分析方法，如物理失效、毁坏、温度应力、振动应力等。该栏还应列出影响元器件的所有条件以明确是否有一些特殊的操作、人员、情形加剧了这种失效或破坏。(4)故障影响：故障类型所导致的影响，通常是指故
13、障对本层次、对上一层次以及对系统的影响。(5)检查方法：某项故障类型发生后，在其没有导致严重后果前通过什么方法检测该故障类型。(6)故障等级：故障对系统的影响程度。(7)建议措施：消除或减缓潜在故障类型影响的措施和方法。,2.5.2故障类型和影响分析 (FMEA) 4.故障类型和影响分析方法的特点,FMEA是一种归纳分析法，主要是针对系统的各个组成部分进行分析（元件、组件、子系统等），找出它们所能产生的故障及其类型，查明每种故障对系统的安全所带来的影响，判明故障的重要度，以便采取措施予以防止和消除。FMEA也是一种自下而上的分析方法。 其优点是:从部件分析到故障，侧重上、下逻辑关系，容易掌握，
14、有针对性，对硬件分析有较大优势;对于高风险的系统或子系统采用这种分析方法可以得到比PHA更为精确的结果。 该方法的缺点是:必须对系统的每个部件或零件都进行分析，从经济上考虑是不合理的;特别是对大型、复杂系统进行分析时，这种分析方法耗费大量的时间和精力。只关心单点故障及其对系统的影响，无法识别部件间相互作用的影响，更无法辨识它们导致的组合故障类型的严重度和发生概率。,2.5.2故障类型和影响分析 (FMEA) 5.故障类型和影响分析方法的适用条件,在产品或系统的设计和研发阶段应该合理使用FMEA方法，尤其在详细设计阶段，因为系统设计已细致到元器件层次，这时采用FMEA方法对保证设计的正确合理有积
15、极的作用，因为这时发现问题及时修改还不需要太昂贵的费用。 FMEA方法适用于从系统到元器件之间任一层次的分析，但通常用于分析较低层次的危险，在实践中常和其他方法结合使用。,2.5.3故障类型、影响和危险度分析 (FMECA),将故障类型及影响分析和危险度分析相结合，便可以从定性分析发展到定量分析，称为故障类型、影响和危险度分析 (FMECA)。 危险度分析的目的在于评价系统每种故障类型的危险度，据此按轻重缓急确定对策措施。一般地，采用风险矩阵法(概率-严重度)和致命度指数两种方法来评价故障类型的危险度。,2.5.3故障类型、影响和危险度分析 (FMECA),1.风险矩阵法 故障发生的可能性和故
16、障发生后引起的后果，综合考虑后会得出比较准确的衡量标准，这个标准称为风险率。它代表故障概率和严重度的综合评价。(1)故障概率 故障概率一般按统计时间内的实际故障次数除以统计时间内实际工作小时数进行计算。若实际统计有困难，可以使用以下定性和定量分类方法确定单个故障类型的概率。定性分类法:级：故障概率很低，元件操作期间出现的机会可以忽略;级：故障概率低，元件操作期间不易出现;级：故障概率中等，元件操作期间出现的机会为50%;级：故障概率高，元件操作期间易于出现。定量分类法:级：在元件工作期间，任何单个故障类型出现的概率，小于全部故障概率的0.01;级：在元件工作期间，任何单个故障类型出现的概率，大
17、于全部故障概率的0.01而小于0.10;级：在元件工作期间，任何单个故障类型出现的概率，大于全部故障概率的0.10而小于0.20;级：在元件工作期间，任何单个故障类型出现的概率，大于全部故障概率的0.20。,2.5.3故障类型、影响和危险度分析 (FMECA),1.风险矩阵法(2)严重度 严重度指的是故障类型对系统功能的影响程度。它可以分为四个等级，参见表2-13。,(3)风险矩阵 有了严重度和故障概率的数据后,就可运用风险矩阵的评价法,因为用这两个特性就可表示出故障类型的实际影响。以故障类型发生概率为纵坐标,严重度为横坐标,综合这两个特性,画出风险矩阵,如 图2-4所示。,2.5.3故障类型
18、、影响和危险度分析 (FMECA),1.风险矩阵法(3)构造风险矩阵 将所有故障类型按其严重度和发生概率填入矩阵图中,就可看出系统风险的密集情况。 处于右上角方块中的故障类型风险率最高,依次左移逐渐降低。但值得注意的是,有的故障类型虽然具有高的发生概率,但造成危害的严重度甚低,因而风险率也低;另一种情况,即发生的概率很低,但危害的严重度很大,所以风险率也不会高。,2.5.3故障类型、影响和危险度分析 (FMECA),2.致命度指数法1)致命度的含义 在系统中，如果某一元件发生故障后，传播到系统的最高一级，导致系统发生故障，甚至会造成人员死亡或财物损失，则此故障就是系统的致命故障。对这种特别严重
19、的事故类型单独拿出来进行分析，这种方法叫做致命度分析(Criticality Analysis, CA)。 致命度分析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(如级，有时也对级)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。与故障模式及影响分析结合使用时，称为故障模式、影响及致命度分析(FMECA)。,2.致命度指数法2)致命度指数的计算 采用系统元件运行100万次(小时)发生的故障次数来衡量危险度，计算公式如下:,式
20、中：C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导致系统致命性故障或事故的故障类型总数; i致命性故障类型的第i个序号; 为元件单位时间或周期的基本故障率; k1为元件的测定值与实际运行条件强度修正系数; k2为元件的测定值与实际运行条件环境修正系数; t完成一项任务，元件运行的小时数或周期(次)数; 为导致致命性故障或事故的故障类型数目占全部故障类型数目的比例; 为导致致命性故障或事故发生的故障类型出现并产生实际影响的条件概率，其值见表2一14; 106单位调整系数，将C值由每工作一次的损失换算为每工作106次的损失换算系数，经此换算
21、后C1。,2.5.3故障类型、影响和危险度分析 (FMECA),2.致命度指数法2)致命度指数的计算 采用致命度分析(或故障模式、影响及致命度分析FMECA)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。,2.5 故障类型、影响和危险度分析,2.5.4 FMEA应用实例：Ex1:手电筒故障类型及影响分析（FMEA)Ex1：手电筒FMEA分析.docEx2:电动机传动系统故障类型及影响分析（FMEA)Ex2：电动机传动系统FMEA分析.docEx3:金属矿山生产系统故障类型及影响分析（FMEA)Ex3：金属矿山生产系统FMEA分析.docEx4:电气设备火灾故障类型及影响分析（FMEA)P47Ex4:起重机故障类型与影响及危险度分析(FMECA)P48,
