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1、1,第七章 故障模式与故障树分析,2,故障模式影响分析(FMEA)与故障模式影响与严重度分析（FMECA)故障树分析（FTA）FMECA与FTA综合分析方法,3,1.故障模式影响分析(FMEA)与故障模式影响与严重度分析（FMECA),FMEA(故障模式影响分析)是由美国Grumman飞机公司于1950年提出。用于飞机操纵系统的失效分析。该技术适用于研究零部件失效对于系统的影响。适用性强定性分析,故障模式影响与严重度分析（FMECA)是由FMEA(故障模式影响分析)发展起来的，20世纪60年代初，NASA将FMECA应用于航天计划。美国标准、英国标准定量分析,6,1.1故障模式影响分析 FME
2、A的基本原理,FMEA（Failure Mode and Effects Analysis)是用一般的归纳方法来完成对系统可靠性和安全性的定性分析。通过找出系统潜在的故障对于系统的影响，使得产品更为完善从而提高其可靠度，可用于从系统到零部件任何一个层次。,7,1.1故障模式影响分析 FMEA的基本原理,影响效应：找出基本单元的故障模式，并在高一层系统去确定每一种故障模式对系统的影响。而在高一层系统上作分析时，这种效应又解释为故障模式。每一个故障模式的效应应是在基本单元的上层进行分析，这样连续进行就可以在全部所需的分析层上找出最后的故障效应。反之，也可根据故障效应推出故障模式。,1.1 FMEA
3、的基本原理,一种产品可分为若干个分析层。一个复杂系统通常分为零件、部件、整件、组件、分装置、装置、分系统、系统等层次。而对被分析的系统，要按基本结构绘制一个可靠性框图。,9,1.2 FMEA的实施步骤,在进行FMEA分析时，可用硬件法和功能法两种形式。硬件法是从系统中某一零部件开始分析再扩展到系统。功能法是完成系统某种功能作为出发点进行分析的。一般情况下，当产品可按设计图样及相关资料确定时，采用硬件法较为方便。,10,硬件法的主要步骤,收集FMEA所需的资料(1)系统结构方面的资料(2)有关系统运行方面的资料(3)系统工作的外界环境条件 列举元器件的故障模式及其效应 分析时总是选择感兴趣的并从
4、最低层开始作为分析对象。应将它可能出现的各种故障模式列成表格，并依次列出单独发生的相应故障效应。,1.2 FMEA的实施步骤,11,列举元器件的故障模式及其效应-FMEA分析表,1.2 FMEA的实施步骤,14,1.3 失效严重度（FMECA)分析,失效严重度分析(Failure Mode Effect and Criticality Analysis)通常是和故障模式与影响分析结合起来进行的。失效严重度是由故障效应的严重等级及故障模式发生的概率来确定的。危害度分析可以用定性和定量两种分析方法进行。计算严重度数字时为定量分析，评定发生概率时为定性分析。,15,定性分析方法,通常在难以得到产品确
5、切的技术状态数据或故障数据的情况下使用。采用这一方法时，需绘制一个危害度分析矩阵，如右图所示。离原点的距离越远的致命度越严重。,失效严重度分析矩阵,1.3 失效严重度（FMECA)分析,定性分析方法,横坐标为严酷度（失效严重度）等级：类（灾难性的）这是一种可能造成人员死亡或系统损坏的故障。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失效的系统损坏。类（重度的）这种故障会引起人员的轻度损害、一定的经济损失或导致任务的延迟或降级的系统损坏。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的损坏，但它会导致非计划性维修。,失效严重度分析矩阵,1.3 失效严重度（FMECA
6、)分析,17,纵坐标为故障模式出现的概率等级：A级为经常发生：这是指该产品在工作期间发生这种故障的概率很高，它可占总故障发生概率的20%以上。B级为很可能发生：这是指该产品在工作期间发生这种故障的概率为中等，它占总故障发生的概率在10%20%之间。C级为偶然发生：这种故障发生的概率占总故障发生的概率在1%10%之间。D级为很少发生：这种故障发生的概率占总故障发生的概率在0.1%1%之间。E级为极少发生：这种故障发生的概率占总故障发生的概率在0.1%以下。,定性分析方法,1.3 失效严重度（FMECA)分析,失效严重度分析矩阵,18,定量分析方法,定量分析法就是通过计算失效模式的严重度 和产品的
7、严重度，并填写危害性分析表来得到。,1.3 失效严重度（FMECA)分析,19,失效严重度分析表,1.3 失效严重度（FMECA)分析,定量分析方法,20,第 种失效模式严重度：,1.3 失效严重度（FMECA)分析,定量分析方法,21,1.3 失效严重度（FMECA)分析,定量分析方法,FMECA具体实施步骤,1 绘制系统的功能框图和可靠性框图,FMECA具体实施步骤,2 确定分析范围（层次、潜在失效模式）3 确定失效影响4 确定每种失效原因及预防措施5 失效检测方法,FMECA具体实施步骤,6 确定失效概率（用频度表示）,FMECA具体实施步骤,7 确定严重程度,FMECA具体实施步骤,8
8、 失效被发现程度,FMECA具体实施步骤,9 计算每种失效的危害度CR或者RPN10填写表格,FMECA具体实施步骤,FMECA具体实施步骤,FMECA具体实施步骤,31,2 故障树分析（FTA),32,2 故障树分析,故障树分析(Fault Tree Analysis)常记作FTA，它是一种评价复杂系统可靠性和安全性的一种方法。它以系统不希望发生的一个事件（顶事件）作为分析目标，使用演绎法找出这一顶事件发生的原因事件组合（称为最小割集），并求其概率。从“果”到“因”进行可靠性分析，采用图形来表示形成了一种树状结构。从故障的角度去分析系统的可靠性，能完成可靠性框图的分析任务，还能分析故障的传播
9、路线和故障源，更具有优越性。,33,故障树分析法主要特点,是一种图形演绎法；能反映系统外部的因素；把系统故障与系统各单元的故障联系一起；常用于分析复杂系统，应借助计算机软件；比可靠性框图法更实用、灵活、直观；困难在于建树时，找单元的所有故障模式，难免有遗漏。,2 故障树分析,34,故障树分析法步骤,选择合理的顶事件；建造故障树；简化故障树；求故障树顶事件的故障模式（最小割集）定性分析；定量分析；对结果进行分析，修改；,2 故障树分析,35,明确定义分析对象和其它部分的边界，抓住重点又不漏掉“不重要”事件，进行合理的简化建树；故障事件（失效模式）应明确定义，指明故障是什么，在何种条件下发生，即有
10、唯一解，切忌模棱两可，含糊不清；建树过程从上向下逐级建树，循序渐进，防止“跃进”，找全找准事件原因，禁防错漏现象发生；不允许门-门直接相连，中间一定要有事件连接；建树后进行合理简化，注意既不能使故障夸大又不能丢掉正确内容。,故障树分析法的基本原则,2 故障树分析,36,2.1故障树基本术语及符号,顶事件：位于故障树的顶端，是逻辑门的输出，用“矩形”符号表示。中间事件：除了顶事件以外的其它结果事件,位于顶事件和底事件之间，用“矩形”符号表示。底事件：位于故障树底部的事件，是故障树中某个逻辑门的输入事件，用“圆形”符号表示。菱形事件：表示准底事件或称非基本事件（省略事件），用“菱形”符号表示。条件
11、事件：表示当椭圆形中注明的条件事件发生时，逻辑门的输入才有效，输出才有结果。用“椭圆”符号表示。,事件及其符号,37,2.1故障树基本术语及符号,逻辑门符号,与门：表示仅当所有输入事件同时发生，门的输出事件才发生。或门：表示所有输入事件中，至少有一个输入事件发生时，门的输出事件就发生。异或门：表示或门中的输入事件是互相排斥的，即当单个输入事件发生时，其它都不发生，则输出事件才发生。逻辑禁门：表示仅当禁门打开的条件事件发生时，输入事件的发生才导致门的输出事件发生。,38,2.2 建造故障树,从建树的基本原理与思路来分，目前常用的方法有以下几种：演绎法合成法（STM）决策表法（DTM）,39,2.
12、2 建造故障树,演绎法：主要用于人工建树。首先应选择一个系统故障作为分析目标（顶事件）。然后找出直接导致顶事件发生的各种可能的因素及其组合，这些因素包括功能故障、部件不良、程序错误、人为失误及外界环境的影响等。进一步分析各种影响故障发生的原因，遵循此格式逐级演绎，一直到找出各自的基本事件为止。综合起来就形成了一棵故障树。,40,Example,设有一简单的照明电路，由电源开关、保险丝、导线和灯泡组成，试以室内失明为系统故障，建立一故障树。解：该故障树的基本事件有：开关合不上E1；灯丝烧断E2；电源故障E3；保险丝烧断E4和导线断路E5等五种，而中间事件是电源断路，顶事件是室内失明。而各基本事件
13、都是通过“或门”达到顶事件的，这表明任何一个基本事件的发生都将导致顶事件的发生。,41,Example(Continued),42,建立家用洗衣机的“波盘不转”故障模式即波盘不能搅水故障的故障树。解：建树过程有多层次的中间事件，需一一进行分解，同时要注意“或门”，“与门”的应用。,Example,43,Example(Continued),44,2.2 建造故障树,合成法：适宜于计算机自动建树。在部件故障分析的基础上，通过计算机将一些分散的子故障树（Mini Fault Tree)按一定的分析要求绘成所要求的故障树。只要子故障树一定，由合成法得到的故障树总是一定的。这种方法不能考虑二次故障和部
14、件有反馈作用的故障部件。同时它也不能考虑分析系统中对系统的环境条件或人为失误的弥补，而只能针对硬件系统故障而建造故障树。,45,46,2.2 建造故障树,决策表法：系统各个部件可以有许多状态，而各部件所处的状态又与许多输入因素有关，每个状态为一个输入事件。把每个部件的输入事件与输出事件的关系列一个表，称为决策表（Decision Table）。建树时将系统按输入和输出的连接点划分开，并确定顶事件与有关的边界条件。可以任意确定部件的状态数目，多态系统及参量，并且不仅用于电路，还可用于各种系统，只要能描述出它们的输入和输出的关系即可。,47,Example,一有反馈调节的热交换系统。试用决策表法建
15、立故障树,（高，正常，零，过低）=（+1，0，-1，-2）（运转正常，停转）=（N，F）,48,Example(Continued),49,Example(Continued),50,Example(Continued),51,Example(Continued),52,Example(Continued),53,Example(Continued),54,Example(Continued),55,2.3 故障树的结构函数,56,2.3 故障树的结构函数,57,2.3 故障树的结构函数,与门结构故障树的结构函数,或门结构故障树的结构函数,58,2.3 故障树的结构函数,59,2.3 故障树的
16、结构函数,故障树的结构函数,60,2.4 故障树的最小割集计算法,割集：使顶事件发生的底事件的集合，当这些底事件都发生时，则顶事件必然发生。最小割集：如果割集中的任何一个底事件不发生，顶事件就不发生时。,61,2.4 故障树的最小割集计算法,割集：G1,X1G4,G1x1G4,最小割集：G1,X1G4,62,两种求取故障树中最小割集的方法,布尔代数化简法 用布尔代数来分析，或门是逻辑“共”的运算；与门是逻辑“交”的运算。故障树可以用布尔代数进行逻辑运算。矩阵列表法 对一棵故障树，可以从顶事件的输入门开始，将各个逻辑门的输入排成一个小矩阵。从上到下，从左到右，逐个进行。或门的输入排成一列，与门的
17、输入排成一行，一直到排完为止，这样就可以得到全部割集。,2.4 故障树的最小割集计算法,63,布尔代数化简法,2.4 故障树的最小割集计算法,64,布尔代数化简法,2.4 故障树的最小割集计算法,65,矩阵列表法,2.4 故障树的最小割集计算法,求割集,66,矩阵列表法,2.4 故障树的最小割集计算法,67,Example,试用以上两种方法，求图中故障树的最小割集，并画出其等效故障树。,68,布尔代数法,Example(Continued),69,矩阵列表法,Example(Continued),70,简化后的故障树,Example(Continued),71,2.5 最小割（路）集表示的结构
18、函数,最小割集表示的结构函数,72,2.6 失效概率的计算,在用故障树计算失效概率，也就是求取顶事件发生的概率。通过对故障树的最小割集计算并消除了割集中的重复事件以后，就可以估算顶事件发生的概率。计算中，对“或门”的处理用概率加法公式，对“与门”的处理用概率乘法 公式来实现。,73,故障树中的或门相当于可靠性框图中的串联。或门输出事件的可靠度为失效率为,2.6 失效概率的计算,74,在故障树中的与门相当于可靠性框图中的并联。与门输出事件的可靠度为 失效率为,2.6 失效概率的计算,试计算下图故障树顶事件的失效率。已知系统工作到t=1000hr，基本事件的失效率,Example,或门,和,的输出
19、事件失效率,与门,输出事件的失效率,式中，,故,所以，,77,3.FMECA与FTA综合分析方法,将FMECA和FTA结合起来的FTF方法，可以采用先对系统进行FMECA，再进行 FTA的正向FTF方法，也可以采用先对系 统进行FTA，然后进行FMECA的逆向FTF 方法。,78,FTF方法的实施步骤,3.FMECA与FTA综合分析方法,79,正向与逆向 FTF方法的实施步骤,正向FTF方法的具体步骤：定义系统填FMEA表填CA表按FMEA结果 选择顶事件建故障树按CA结果进行FTA的失 效概率分 析计算结论提出改进措施。逆向FTF方法的实施步骤：定义系统选择顶事件建立故障树进行FTA定 性分
20、析对故障树中的重要底事件进行FMEA分析 进行CA分析按CA进行FTA的定性定量分析结论提出改进措施等,80,单元的概率重要度,定义：单元不可靠度变化引起系统不可靠度变化的程度。,：第i个单元的概率重要度,：系统的故障概率,：第i个单元的故障概率,81,单元的概率重要度,例 某故障树最小割集表示为：T=X1+X2X3已知三个单元1=0.001/h,2=0.002/h,3=0.003/h，计算t=100h时各部件的概率重要度。,解：各割集独立，结构函数：,82,单元结构重要度,单元结构重要度反映单元在故障树结构中的重要程度以的量值，与单元本身发生概率的大小无关，仅与其在系统中的位置有关。,：单元
21、结构重要度,：系统中全部单元的个数,：第j个单元的临界状态数,83,单元结构重要度,例某故障树最小割集表示为：T=X1+X2X3已知三个单元1=0.001/h,2=0.002/h,3=0.003/h，计算t=100h时各部件的结构重要度。,解：各割集独立，结构函数：(T)=1-(1-X1)(1-X2X3),84,单元相对概率重要度,定义：某单元的失效概率的变化引起系统失效概率的变化率。,：第i个单元的故障概率,：系统的故障概率,：第i个单元的概率重要度,85,单元相对概率重要度,定义：某单元的失效概率的变化引起系统失效概率的变化率。,例某故障树最小割集表示为：T=X1+X2X3已知三个单元1=0.001/h,2=0.002/h,3=0.003/h，计算t=100h时各部件的关键重要度。,解：各割集独立，结构函数：(T)=1-(1-X1)(1-X2X3),
