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1、北京航空航天大学,FMECA方法及工程应用案例,北京航空航天大学2015年1月,主要内容,1.可靠性概述,可靠性基本概念,三规定一能力:产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。,故障:可靠性是一门与产品故障作斗争的新兴学科。,量化指标:可靠度R(t)；失效率(t)；平均故障间隔时间MTBF；寿命概率密度f(t)；,定义,核心,特征值,2.FMECA方法,FMECA（故障模式影响及危害性分析）,定义,作用,目的,FMECA是分析产品所有可能的故障模式及其可能产生的影响，并按每个故障模式产生影响的严重程度及其发生概率予以分类的一种归纳分析方法。,为维修性、测试性、安全性和保障性工作的
2、开展提供定性依据。,从不同角度发现产品的各种缺陷和薄弱环节，并采取有效的改进和补偿措施以提高可靠性水平。,2.FMECA方法,产品周期寿命各阶段的FMECA方法,2.FMECA方法,2.1 FMECA实施步骤,2.FMECA方法,确定系统中进行FMECA的产品范围产品层次约定层次规定的FMECA的产品层次初始约定层次系统最顶层最低约定层次系统最底层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任务剖面、任务阶段及工作方式功能描述制定系统及产品的故障判据、选择FMECA方法等故障判据分析方法,2.FMECA方法,2.FMECA方法,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
3、件或状态（对机械产品也称失效）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,一个产品可能具有多种功能起落架：支撑、滑跑、收放等每一个功能有可能具有多种故障模式支撑：降落时折起滑跑：震动收放：收不起、放不下,2.FMECA方法,2.FMECA方法,故障模式可分为以下七大类：损坏型：如断裂、变形过大、塑性变形、裂纹等。退化型：如老化、腐蚀、磨损等。松脱性：松动、脱焊等失调型：如间隙不当、行程不当、压力不当等。堵塞或渗漏型：如堵塞、漏油、漏气等。功能型：如性能不稳定、性能下降、功能不正常。其他：润滑不良等。,2.FMECA方法,直接原因：导致产品功能故障的产品自身的那些物
4、理、化学或生物变化过程等，直接原因又称为故障机理。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。例如起落架上位锁打不开直接原因：锁体间隙不当、弹簧老化等间接原因：锁支架刚度差,2.FMECA方法,任务剖面又由多个任务阶段组成起落架任务阶段：起飞着陆空中飞行地面滑行工作方式：可替换有余度上位锁开锁：液压、手动钢索、冷气因此，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。,任务剖面,2.FMECA方法,故障影响与约定层次约定层次示例故障影响局部影响: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
5、或状态的影响高一层次影响: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,约定层次示例,严酷度：产品故障造成的最坏后果的严重程度严酷度类别定义(GJB1391),2.FMECA方法,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：自动传感装置传感仪器音响报警装置显示报警装置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。,2.FMECA方法,2.FMECA方法,设计补偿措施产品发生故障时，能继续安全工作的冗余设备安全或保险装置(如监控及报警装置)可
6、替换的工作方式(如备用或辅助设备)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)操作人员补偿措施特殊的使用和维护规程，尽量避免或预防故障的发生一旦出现某故障后操作人员应采取的最恰当的补救措施,2.FMECA方法,2.FMECA方法,故障概率等级定性分析方法A级-经常发生 20%B级-有时发生 10%20%C级-偶然发生 1%10%D级-很少发生 0.1%1%E级-极少发生.0.1%数据来源预计值分配值外场评估值等,故障模式频数比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1模式故障率m是指产品
7、总故障率p与某故障模式频数比的乘积例：故障模式频数比及模式故障率,2.FMECA方法,故障影响概率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。这多种最终影响的值之和应为1故障影响概率示例,2.FMECA方法,2.FMECA方法,故障模式危害度评价单一故障模式危害性Cm(j)=pt,j=，产品危害度评价产品的危害性Cr(j)=Cmi(j)，i=1,2,nn为该产品的故障模式总数，j=，Cmi(j)产品在第j类严酷度类别下的所有故障模式的危
8、害度之和,2.FMECA方法,2.FMECA方法,2.2 FMECA输出,2.FMECA方法,“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工作，可靠性专业人员应提供分析必须的技术支持。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，也是国内外开展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。,2.3 实施FMECA的注意事项,2.FMECA方法,实施FMECA前，应对所需进行的FMECA活动进行完整、全面、系统地策划，尤其
9、是对复杂大系统，更应强调FMECA的重要性。其必要性体现在以下几方面：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。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。FMECA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。,2.3 实施FMECA的注意事项,2.FMECA方法,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，
10、将FMECA结果及时反馈给设计过程。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。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。,2.3 实施FMECA的注意事项,2.FMECA方法,FMECA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
11、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。,2.3 实施FMECA的注意事项,2.FMECA方法,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。有计划有目的地注意收集、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。,2.3 实施FMECA的注意事项,2.FMECA方法,FMECA虽是有效的可靠性分析方法，但并非万能。它不
12、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。,2.3 实施FMECA的注意事项,3.FMECA在工业企业的应用,系统定义 系统组成及功能 约定层次 绘制可靠性方框图故障判据 严酷度类别 FMECA表的填写FMECA表格的选取 FMECA表中信息来源 主要故障模式 系统在不同严酷度下的危害度 FMECA报告,3.1 某型军用教练飞机升降陀系统FMECA,系统定义,系统组成及功能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
13、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。约定层次 初始约定层次为某型军用教练机约定层次图 绘制方框图绘制功能结构方框图绘制可靠性框图故障判据 严酷度类别,某型军用教练飞机升降舵系统约定层次,功能结构方框图,可靠性框图,故障判据,升降舵系统凡发生不满足以下要求的情况之一，即认为该系统发生了故障：舵面偏转时应准确及时偏转到规定位置；左、右升降舵应保持同步偏转；飞机长期稳定飞行时，舵面应保持确定的平衡位置；舵面偏转时无卡滞现象；飞行中舵面无强烈振动现象；调整片按要求能正常偏转；配重无松动现象；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。,严酷度类别,
14、升降舵系统严酷度类别的定义,FMECA表格的填写,FMECA表格的选取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。FMECA表中信息来源表中的故障模式、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。主要故障模式归纳该升降舵的故障模式是：舵面偏转不到位。其表现为驾驶杆行程加大，操纵不到位。舵面偏转困难（偏重），但无卡死现象。卡滞。舵面转动不灵活，有卡滞现象。振动。由舵面的振动导致驾驶杆抖动。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。针对上述故障模式提示了相应的改进措施
15、，进而提高了产品的可靠性、保证了该教练机飞行一次成功。系统在不同严酷度下的危害度据表结果，升降舵系统在不同严酷度下的危害度是：CRs(I)6.001 106；CRs()31.6724106；CRs()1.4183106；CRs()0.0252106,FMECA表格,FMECA报告,可靠性关键产品清单、类故障模式清单单点故障模式清单不可检测故障模式清单危害性矩阵图等,3.FMECA在工业企业的应用,3.2 某型洗衣机电脑板FMEA,系统定义 系统组成及功能 约定层次 绘制可靠性方框图故障判据 严酷度类别 FMEA表的填写FMEA表格的选取 FMEA表中信息来源 主要故障模式 系统在不同严酷度下的
16、危害度 FMEA报告,3.2 某型洗衣机电脑板FMEA,初始约定层次：电源板第二约定层次：各功能电路，包括：滤波电路，整流功能电路，电压转换电路，反馈电路，电源总开关，电机驱动，水阀驱动，可控硅继电器驱动，检测电路1，检测电路2，蜂鸣器最低约定层次：元器件，如电容，电阻，电感，二极管，变压器，开关电源芯片，端子，光耦，稳压模块，可控硅，继电器，ULN2003,三极管，喇叭,3.2 某型洗衣机电脑板FMEA,3.2 某型洗衣机电脑板FMEA,3.2 某型洗衣机电脑板FMEA,3.2 某型洗衣机电脑板FMEA,3.2 某型洗衣机电脑板FMEA,可靠性关键产品清单、类故障模式清单单点故障模式清单不可检测故障模式清单FMEA表格,4.结束语,FMECA是一种自下而上的归纳方法。,FMECA的实施需贯穿于产品的整个寿命周期。,FMECA能有效寻找产品的薄弱环节，预防产品可能发生的故障。,谢谢大家！,
