仪表与系统可靠性-第6、7讲-仪表的失效分析.ppt

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1、仪表与系统可靠性第6、7讲_仪表的故障分析,吴 波2010年10月1日,介绍内容 1、故障模式、效应与后果分析 2、故障树分析法,故障分析属广义可靠性预测范畴。与可靠性预测的不同在于可靠性预测是计算系统现场使用的可靠性特征量，而故障分析则是系统设计和研制初期预测（识别）其在现场使用时会发生哪些故障，并预先制订对策，以防止这些故障的发生或缓和这些故障的影响。故障分析有两种方法，即故障模式和影响分析(FMEA)及故障树分析(FTA)。不论是故障模式和影响分析还是FTA，都是建立在系统零部件故障分析基础上，研究系统故障原因，进行可靠性与安全性分析评价，找出提高系统可靠性与安全性的途径。但两者的分析方

2、法及路径又有所不同。,概 述,故障模式和影响分析（FMEA）是一种定性评价法，在没有定量的可靠性数据时分析出问题所在。从组成系统的零部件可能产生的各种故障分析入手，逐级向上分析故障 产生的影响，最终找出对系统的影响。是一种由下而上的分析方法。为了使FMEA 能用于定量分析，一般加入致命度分析，即为故障模式、影响及致命度分析(FMECA)。故障树（FTA）是一种逻辑推理方法，是由上而下地找出导致顶事件发生的所有可能的各种中间事件，一直找到最基本事件，其中包括人为差错和环境因素在内，并研究这些事件间的逻辑关系。FTA表达直观，可用于系统可靠性定性分析，也可用于定量分析。,概 述,一、故障效应分析的

3、概念 如前所述，故障模式、影响及致命度分析（FMECA）实际上是把FMA(故障模式分析)、FEA(故障影响分析)、FCA(故障致命度分析)三种功能结合在一起的一种综合的可靠性分析方法。FMA：把系统分成若干组成成分(部件或元器件)并分析各组成成分有哪些故障或失效模式。例如电气元件的短路、开路、特征值改变；绝缘破坏、氧化及噪声等；机械零件轴的断裂、磨损、疲劳裂纹及粘结等。但不必分析各组成部分的失效机理。FEA：分析各组成部分在出现故障(或失效)时对系统有何影响。FCA：评价各组成部分出现各种故障模式时对系统影响的致命度，即按照其影响的致命程度进行分类。1失效的定义及其分类 在国际(GB31 78

4、82)中规定，失效即为产品丧失规定功能。对可修复产品失效通常称为故障。,第一节失效模式、效应及后果分析,产品丧失规定功能包括如下几个方面：产品在规定条件下不能完成其规定的功能；产品在规定条件下，其性能参数不能保持在规定的界限之内；如：发动机的输出功率。产品在规定的应力范围内工作时，导致系统不能完成其功能的零件、元器件或结构体的失效。失效可根据其原因、性质、程度、产生的速度、发生的时间、机理以及故障产生的后果等进行分类，详见表l所示。,第一节失效模式、效应及后果分析（续）,2失效模式及失效判据 所谓失效模式，就是失效的表现形式。可通过人的感官或测量仪器、仪表观测到失效的形式。彻底分清失效模式是很

5、重要的，是进行失效分析的基础。在工程实际中，零、部件是组成系统(设备)的基础，系统的故障通常由主要零、部件失效引起。因此，研究零、部件失效，是研究系统失效的基础。在描述系统失效模式时，要尽量以零、部件失效模式来表示，只有难于用零、部件失效模式进行描述时，才可用子系统或系统本身的故障模式进行描述。一般地，可以把失效模式分为：损坏、退化、松脱、失调、堵塞、渗漏、功能下降及其他等七种类型。(1)损坏型失效模式包括有：裂痕、裂纹、破裂、裂开、断裂、碎裂、弯坏、扭坏、变形过大、塑性变形、蠕变、磨料磨损、点蚀、剥落、胶合、拉伤、卡死、烧蚀、烧坏、烧断、击穿、短路、开路断路、错位等。,第一节失效模式、效应及

6、后果分析（续）,(2)退化型失效模式包括有：老化、变色、变质、表面防护层脱落、浸蚀、腐蚀、正常磨损、积灰等。(3)松脱失效模式包括有：松动、脱开、脱掉、脱焊等。(4)失调型失效模式包括有：间隙不适、行程不当、流量不适、压力不适，温度不适、电压不适、电流不适等。(5)堵塞型失效模式常见的有；不畅、堵塞等。(6)渗漏型失效模式包括有：渗油、渗水、漏油、漏水、漏气、漏风、漏电、漏雨等。(7)功能型失效模式包括有：功能不正常、功能不稳定、性能失效、参数输出不准、失调、抖动、温升过高、漂移、灯不亮、接触不良、有异响等。,第一节失效模式、效应及后果分析（续）,3失效机理 研究失效时，人们首先得到失效的真实

7、情况，如失效出现的部位、发生的时间、失效模式、产生的后果、排除方法、修复方法和时间等。为了进一步提高产品可靠性，还应分析失效 机理。所谓失效机理，就是引起失效的物理、化学变化等内在原因。研究失效机理的目的在于从本质上研究对策，以减少失效。产品不同、失效模式不同，失效机理也不一样，而且与设计、制造、装配、材料、应力水平及性质、维护等均有关系。因此，对失效机理要具体情况具体分析。二、故障模式和影响分析的列表分析法 FMEA的列表分析法是根据可靠性框图将有关的故障模式，相应的失效率、失效影响等列一明细表，以便分析计算。,第一节失效模式、效应及后果分析（续）,1步骤 第一步：弄清研究对象的各零、部件与

8、系统之间的相互关系，画出其功能框图，并一一列出零、部件的图纸序号(或名称)；第二步：研究分析所有可能出现的故障模式，出现这种故障的条件与应力。将各元件、部件可能出现的故障模式填入表中，如果可能应将相应的失效率也一并填入。第三步，将各个失效的局部和最终影响填入表中。失效的局部影响是指失效对所研究单元功能的影响最终影响是指经过所有中间功能级对系统的影响。例1 电容传感器的FMEA列表分析。图1所示电容传感器系统由四个电路单元组成：一个比较器桥式电路。此电桥输出一个相应于传感器电容(C5)和参比电容(C6)电荷能量之差的直流电压。一个振荡器电路，向比较器电桥提供振荡源。一个放大器，将比较器电桥的输出

9、予以放大，并输出一个低阻抗电压。一个分压器，确定输出放大器的工作参考点。,第一节失效模式、效应及后果分析（续）,第一节失效模式、效应及后果分析（续）,表2中所列失效率是按后果分类的，单位是每百万小时的失效数。每种后果的总失效率可由此计算出来。图2是可靠性框图。第四步：对各故障模式的后果进行定性分类（四类）。应从该系统的功能完成与否以及安全的角度考虑，其一般分类如下：类-潜在的可能造成人员死亡的故障：类导致功能不能完成的故障：类导致有效度下降的故障，类-导致需要计划外维修工作的故障。在审查FMEA表时，应优先考虑对I、类失效采取对策。,第一节失效模式、效应及后果分析（续）,三、致命度的分析计算

10、致命度的简便分析方法是用致命度网络图(见图3)进行分析。图中横坐标为失效影响重大程度等级，纵坐标为失效概率等级，由零点引一对角线。预先将故障模式编以识别记号(a、b、)，在网络图上定出每一种失效模式的位置点。点的位置靠近斜线离O点远的致命度高，进入图中影线部分就应采取措施使其致命度下降。如图中a点即表示该失效模式致命度高，必须采取措施降低致命度。,第一节失效模式、效应及后果分析（续）,第一节失效模式、效应及后果分析（续）,致命度分析的解析法，是用致命度评价指数来表示，评价指数大，则致命度高。评价指数的求法较多，这里介绍一种方法。零、部件i(i=1，2，n)以失效模式j(j=1，2,，m)，而引

11、起该零、部件失效的致命度CRij计算式为：(1)式中，是零、部件 i以失效模式 j 引起该零、部件失效的失效模式概率；是零、部件i以失效模式j发生失效造成该零部件损伤的概率。国际标准草案中将其称为丧失功能的条件概率。其值如下:1 表示该件肯定发生损伤；0.5 表示该件可能发生损伤；0.1 表示该件很少可能发生损伤；0 表示对该件无损伤影响。,第一节失效模式、效应及后果分析（续）,零、部件j的基本失效率(查有关手册或试验得)。系统的致命度为CRS：（2）式中，是零、部件i的全部失效模式使系统发生失效概率 之和；是系统的全部零、部件使系统发生失效的失效概率之和,一、概述 故障树分析法(或称失效树分

12、析法，FTA法)是在系统设计过程中，通过对可能造成系统故障的各种原因进行分析，由总体至部分按倒立树状逐级细化分析，画出逻辑框图，从而确定系统故障原因的各种可能组合方式或其发生的概率。FTA法 把所研究系统的最不希望发生的故障状态作为故障分析的目标，然后寻找直接导致这一故障发生的全部因素，再找出造成下一级事件发生的全部直接因素，一直追查到那些原始的、故障机理或概率分布都是已知的，因而勿需再深究的因素为止。通常，把最不希望发生的事件称为顶事件，勿需再深究的事件称为底事件，介于顶事件和底事件之间的一切事件为中间事件，用相应的符号代表这些事件，再用适当逻辑门把顶事件、中间事件和底事件联结成倒立树形图。

13、这样的树形图称为故障树，用以表示系统的特定顶事件与它的子系统或各个元件故障事件之间逻辑结构关系。以故障树为工具，分析系统发生故障的各种途径，计算各个可靠性特征量，对系统的安全性或可靠性进行评价。,第二节 故障树分析法,用FTA法进行系统的可靠性分析与FMECA法比较起来有如下特点：FTA法可以用于分析系统组成部分中除硬件以外的其他部分(如软件、人为因素、环境条件等)的全部故障模式和因素，并按逻辑关系层层深入地分析。因此，FTA法能在相对简化的条件下清楚地反映系统故障模式的内在联系，并反映出基础元、部件(或基本事件)对系统故障所产生的影响；FTA法能指出产生系统故障的关键原因，这对于改进系统设计

14、，提高可靠性指出了方向；FTA法不但可以对系统的可靠性作出定性分析，而且还可以作出定量分析；FTA法比较形象化，使用简便，尤其是对比较复杂的系统其作用更为明显。FTA法是研究造成系统失效这一事件的各种直接和间接原因，并在这些事件之间建立逻辑关系。因而这个方法在系统设计阶段可以帮助人们寻找潜在的关键事故，从而改进设计。,第二节 故障树分析法（续）,第二节 故障树分析法（续）,二、故障树分析方法的基本概念 1、故障树分析方法中常用术语和符号 故障树分析方法是一种图形演绎法，需要采用一些专门的逻辑关系符号、事件符号及基本术语，来表达系统中发生的某些事件之间的逻辑关系和因果关系。故障树分析方法中描述基

15、本故障事件的定义为 顶事件：就是故障树分析方法中所要研究的事件。在绘制系统故障树时，通常选择系统中最不希望出现的系统故障事件为顶事件，位置处于故障树的顶端。中间事件：又称故障事件，位于置处系统故障树的顶事件和底事件之间，用矩形符号并紧跟一个逻辑门表示。底事件：位于系统故障树的最底部，可分为基本事件和菱形事件，分别用圆形和菱形符号表示。系统故障树中使用的符号主要有事件符号和逻辑关系符号2大类。,1）事件符号 见图4所示，有4种基本事件符号。a）矩形符号 矩形符号（图4a）用于表示系统故障树中的顶事件和中间故障事件，它下面与逻辑门连接 b）圆形符号 圆形符号（图4b）用于表示系统故障树中具有足够基

16、础统计数据的基本事件或底事件。圆形符号内的事件不能再分解，只能作为逻辑门的输入。c）菱形符号 菱形符号（图4c）用于表示系统故障树中的省略事件。,第二节 故障树分析法（续）,第二节 故障树分析法（续）,图4 故障树的事件符号,d）房形符号 房形符号（图4d）用于表示条件系统故障树中的事件，位置处于故障树的底部，其状态只能是发生或不发生，起开关作用。当房形符号中的条件满足时，房形符号所在逻辑门的其它输入保留，否则省略。,2）逻辑关系符号 a）逻辑与门 逻辑与门（图5a）表示系统故障树中仅当输入故障事件全部发生时，逻辑门的输出事件才会发生的逻辑关系。b）逻辑或门 逻辑或门（图5b）表示系统故障树中

17、当输入故障事件至少有一个发生时，逻辑门的输出事件才会发生的逻辑关系。c）逻辑禁门 逻辑禁门（图5c）表示系统故障树中当禁门的条件存在时，输入禁门的故障事件同时发生才会导致禁门的输出事件发生的逻辑关系。d）逻辑表决门 逻辑表决门（图5d）表示系统故障树中仅当n个输入故障事件中有k个以上（含k个）故障事件发生时，逻辑门的输出事件才发生的逻辑关系。,第二节 故障树分析法（续）,e）逻辑非门 逻辑非门（图5e）表示系统故障树中逻辑门的输出事件是输入故障事件的对立事件。,第二节 故障树分析法（续）,图5 故障树的逻辑门符号,3）转移符号a）转入符号 转入符号（图6a）表示系统故障树中故障事件的转入，当故

18、障树较大或故障树中有相同的子树时，便于转入和查找。b）转出符号 转出符号（图6b）表示系统故障树中故障事件的转出，当故障树较大或故障树中有相同的子树时，便于转出和查找。,图6 故障树的事件转移符号,第二节 故障树分析法（续）,3 故障树分析放法的步骤 故障树分析过程一般可按以下几个步骤进行。1）选择顶事件。选择合理的系统故障树顶事件和系统故障树的分析边界和定义范围，并且确定系统处于正常工作和故障状态的判定标准；2）绘制故障树。这是故障树分析的核心内容之一，通过分析己收集到的系统技术资料和设计、操作及维修人员的帮助，绘制系统故障树；3）求系统故障树的结构函数。对系统故障树进行简化并求解其结构函数

19、；4）定性分析。求出系统故障树的全部最小割集，当割集的数量太多时，可以采用故障树分析软件进行概率截断或割集阶截断；5）定量分析。系统故障树的定量分析包括计算故障树顶事件的发生概率以及机械零部件的重要度和灵敏度分析计算等。,第二节 故障树分析法（续）,4 故障树的绘制 故障树的绘制为：首先，分析著称系统各零部件的功能、结构、原理、故障状态、故障原因、故障模式及其影响等，并进行深刻透彻的了解，确定一个系统最不希望发生的故障事件作为顶事件，由此开始，逐级找出各中间故障事件的全部可能的直接原因，并用故障树符号表示各类故障事件及其逻辑关系，直至分析到各类底事件为止。故障树绘制的具体过程为：a）熟悉分析所

20、要研究的系统 在对一个系统进行故障树分析之前，故障树分析人员首先应对该系统的功能、结构、原理、故障状态、故障原因、故障模式及其影响等做出深刻透彻的了解，广泛收集与系统有关的技术资料。b）确定系统故障树的顶事件 为了能够进行深入分析，系统故障树的顶事件必须要有明确的定义，能够进行定量评价，并且能够对其进一步分解并找出故障发生的原因。通常选择与机械设计、分析目的相关性最大的故障事件作为系统故障树的顶事件。,第二节 故障树分析法（续）,c）构建并扩展系统故障树 由系统故障树的顶事件出发，逐步找出各级故障事件的全部可能直接原因，采用故障树符号表示出各类故障事件及其逻辑关系，直至分析到系统故障树的底事件

21、为止。对于一个复杂系统构建其故障树的工作量非常之大。绘制系统故障树的方法可2种：人工绘制故障树和计算机辅助绘制故障树。人工绘制故障树通常是由人工采用逻辑分析演绎法，对系统的各级故障事件进行逻辑推理，从而绘制出系统的故障树。d）简化故障树 当系统故障树建立后，还必须从故障树的故障底事件开始，逐级给出上一级故障事件与下一级故障事件的逻辑关系，直到顶事件为止。并结合逻辑运算进行进一步进行定性分析运算，删除不必要的故障事件。,第二节 故障树分析法（续）,5 故障树绘制的基本方法和原则 目前，还没有一种统一的系统故障树绘制方法，在应用中主要有人工绘制故障树和计算机辅助绘制故障树2大方法。人工绘制故障树。

22、主要是采用逻辑分析演绎法进行系统故障树的绘制。计算机辅助绘制故障树。是利用计算机辅助绘制故障树的方法，主要是采用计算机辅助合成法绘制系统故障树 故障树的绘制基本规则为:1）故障状态和故障事件必须具有明确定义；2）在明确 故障的基础上，将系统中最不希望发生的故障事件作为故障树的顶事件；3）根据工作条件和环境条件，合理的确定边界条件以及故障树的绘制范围；4）在故障树矩形方块中填写故障名称及说明时，对故障的含义要准确、简洁。5）在进一步分解中间故障事件的过程中，应寻找最直接的直接原因，使绘制的故障树层次分明、定义准确。,第二节 故障树分析法（续）,例2 图7是锅炉监控装置的结构方框图。这是由一般来说

23、个温度测量装置和两个压力测量装置组成的监控系统，对某容器的温度和压力超过某规定的极限，那么极限值单元的触头R1，R2或R3就中断了通过电磁阀线圈电流，执行安全措施(如切断燃料供应)。,第二节 故障树分析法（续）,图7 锅炉监控装置结构方框图,第二节 故障树分析法（续）,解：如果不能使电磁阀断电，那么监控系统就不起作用，这就是“不希望事件”。为此，我们可把故障树的顶事件定义为:事件TTop:电磁阀电流未能切断。这种情况，只有当压力测量和温度测量同时失灵时才会发生(见图8中，事件B和C的“与”)。当两个通道由于相互独立的原因(事件D)或由于一个共同原因(事件G)而造成失灵时，压力信号触发的保护功能

24、就发生故障。单个压力通道的故障(事件F1与F2)系指其相应触点不能断开。这种情况在下述干扰下可能发生：事件Hi:测量变换器发生危险故障，给极限值单元输出信号过小。事件Ii:极限单元发生了危险的、最迟20小时可识别出的故障。事件Ki:极限单元发生了危险的，不可识别的故障；这种故障在2104小时以后的大修时才能发现。温度通道只有一个。造成其失灵的最基本事件与造成压力通道失灵的基本事件相同。,图8 例2的失效树,第二节 故障树分析法（续）,三、故障树的定性分析 1 割集与路集 故障树定性分析的主要任务是确定出系统故障树的全部最小割集或最小路集。在故障树中，当由某些故障事件所组成的集合中全部基本事件都

25、发生时，顶事件必然发生，则这个故障集合是系统故障树的一个割集。若将割集中任意去掉一个基本事件后割集就不成立的故障集合则称为最小割集。如果事件之间只有逻辑“与”门及逻辑“或”门的组合，则是单调关联故障树，可采用下行法确定出系统故障树的全部最小割集。下行算法的基本原理为：从系统故障树的顶事件开始，由上而下逐步进行计算，一般情况下逻辑“与”门仅增加割集的大小，而逻辑“或”门则仅增加割集的数量。一般，1个最小割集表示系统的一种故障模式，而系统的全部最小割集就构成该系统的故障模式集合。1个最小路集表示了系统的一种实现正常功能的模式，系统的全部最小路集就构成了系统实现正常功能的集合。,第二节 故障树分析法

26、（续）,2 最小割集的求法 故障树最小割集的求法主要有下行法(Fussell-Vesely算法)和上行法（Semanderes算法）2种。下行法确定系统故障树全部最小割集列表确定的基本步骤为：1）将系统故障树的顶事件写入第1列。2）自系统故障树的顶事件开始，逐级用输入故障事件置换表中的输出故障事件。3）如果是逻辑“或”门，则输入故障事件各占一行。4）如果是逻辑“与”门，则输入故障事件均写入同一行。5）当表中将系统故障树的全部中间故障事件的置换成底事件时，则停止。6）去掉各行内多余的重复故障事件，则每一行都是系统故障树的一个割集，但不一定是最小割集。7）将所有割集进行相互比较，并去掉所有被包含的

27、割集，则剩下的就是系统故障树的全部最小割集。,第二节 故障树分析法（续）,例3 某系统的故障树如图9所示，请按下行法求该故障树的所有的最小割集。解：按下行法求解最小割集的基本步骤进行求解，其过程见表3所示，最后得到全部10个最小割集。由此，得到该系统故障树的布尔代数运算表达式：,第二节 故障树分析法（续）,第二节 故障树分析法（续）,图9 下行法求故障树最小割集例图,表3 按下行法求解最小割集的基本步骤,第二节 故障树分析法（续）,第二节 故障树分析法（续）,2)上行法（Semanderes算法）这种算法由下而上进行，每做干步，根据故障树的逻辑关系，并用布尔代数运算规 则进行运算，算到最上一级

28、即求出最小割集。例4 故障树见图10所示，用上行法求最小割集。解：1）故障树的最后一级为 2）往上一级为 3）再往上一级为,图10 故障树,第二节 故障树分析法（续）,4）利用集合运算规则，上式简化得 5）最上一级为 6）故得7个最小割集,第二节 故障树分析法（续）,3故障树的定量分析 有了故障树并简化到最小割集之后，系统故障概率就可由元件故障概率计算而得。“或门”输出顶事件发生的概率的精确计算公式为：（3）对于只有2个输入，上式可变为（4）若P(Ci）的值很小，则其近似计算结果是各输入事件概率之和，即：,第二节 故障树分析法（续）,（5）,例5 某系统的故障树如图7所示，且该故障树的所有底事

29、件的发生概率已知，见表4所示。请计算该故障树顶事件的发生概率。表4 某系统故障树底事件的发生概率,第二节 故障树分析法（续）,解：采用下行法确定的该系统故障树最小割集集合见表3所示。将其代入式（5）得：,第二节 故障树分析法（续）,1、某系统的可靠性逻辑图如图11所示。(1)画出其相应的失效树；(2)求所有最小割集和最小路集；(3)求结构函数的最小割集和最小路集表示式。2画出可靠性框图a)至d)所示系统的故障树，并分别求出它们的最小割集(图12)。3、如图13所示故障树，若已知底事件X1和X2的失效概率为0.3，X3，X4，X5，X6的失效概率均为0.15，X7的失效概率为0.1。试求此故障树的最小割集与系统可靠度。,练习题,图 11,练习题,图12,练习题,图 13,练习题,