故障模式和影響分析( Failure Model and Effects Analysis ,簡稱 FMEA ?)是對系統(tǒng)各組成部分、組件進行分析的重要方法,他是由可靠性工程發(fā)展起來的。這種方法主要分析系統(tǒng)中各子系統(tǒng)及組件可能發(fā)生的各種故障模式,查明各種類型故障對鄰近子系統(tǒng)或組件的影響以及最終對系統(tǒng)的影響,提出可能采取的預(yù)防改進措施,以提高系統(tǒng)的可靠性和安全性。
早期的故障模式和影響分析只能做定性分析,后來在分析中包括了故障發(fā)生難易程度或發(fā)生概率的評價,從而把他與致命度分析( Critical Analysis ?)結(jié)合起來,構(gòu)成故障模式和影響、致命度分析( FMECA ?)。這樣,若確定了每個組件的故障發(fā)生概率,就可以確定設(shè)備、系統(tǒng)或裝置的故障發(fā)生概率,從而定量地描述故障的影響。
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系統(tǒng)、子系統(tǒng)或組件在運行過程中,由于性能低劣而不能完成規(guī)定的功能時,則稱為故障發(fā)生。
系統(tǒng)或組件發(fā)生故障的機理十分復(fù)雜,故障機理是指誘發(fā)零件、產(chǎn)品、系統(tǒng)發(fā)生故障的物理與化學(xué)過程、電學(xué)與機械學(xué)過程,也可以說是形成故障源的原因。換句話說,就是要考慮某個故障模式是如何發(fā)生的,以及他們發(fā)生的可能性有多大。
故障模式是從不同表現(xiàn)形態(tài)來描述故障的,故障模式是由不同故障機理顯現(xiàn)出來的各種故障現(xiàn)象的表現(xiàn)形式。因此,一個系統(tǒng)或一個組件往往有多種故障模式。
從可靠性的定義出發(fā),系統(tǒng)或組件的故障模式,一般可從五個方面來考慮:①運行過程中的故障;②提前動作;③在規(guī)定的時間不動作;④在規(guī)定的時間不停止;⑤運行能力下降、超量或受阻。
一般說來,產(chǎn)品或系統(tǒng)不同,故障模式也不同,上述五類故障模式進一步細化如表 3-1-4 所示。
表 3-1-4 一般故障模式
?? 結(jié)構(gòu)破損 ? ?? 機械上卡住 ? ?? 振動 ? ?? 不能保持在指定位置上 ? ?? 不能開啟 ? ?? 不能關(guān)閉 ? ?? 誤開 ? ?? 誤關(guān) ? | ?? 內(nèi)部泄漏 ? ?? 外部泄漏 ? ?? 超出允許上限 ? ?? 低于允許下限 ? ?? 間斷性工作不穩(wěn)定 ? ?? 漂移性工作不穩(wěn)定 ? ?? 意外運行 ? ?? 錯誤指示 ? ? | ?? 流動不暢 ? ?? 錯誤動作 ? ?? 不能開機 ? ?? 不能關(guān)機 ? ?? 不能切換 ? ?? 提前動作 ? ?? 滯后動作 ? ?? 輸入量過大 ? ? | ?? 輸入量過小 ? ?? 輸出量過大 ? ?? 輸出量過小 ? ?? 無輸入 ? ?? 無輸出 ? ?? 電短路 ? ?? 電開路 ? ?? 漏電 ? (33) 其他 ? |
表 3-1-4 介紹了各種不同的故障模式,但產(chǎn)品不同,故障模式也不同。例如汽車、鋼軌等機械產(chǎn)品的故障模式表現(xiàn)為磨損、疲勞、折斷、沖擊、變形、破裂等。
只有及時了解和掌握產(chǎn)品、設(shè)備、組件的故障模式、產(chǎn)生原因及其影響,才能正確地采取相應(yīng)措施。若忽略了某些故障模式,則這些故障可能因為沒有采取防止措施而引發(fā)事故。
(二)分析程序
故障模式和影響分析程序如下:
1 .掌握和了解對象系統(tǒng)
對故障模式和影響進行分析之前,必須掌握被分析對象系統(tǒng)的有關(guān)資料,以確定分析的詳細程度。確定對象系統(tǒng)的邊界條件包括以下內(nèi)容:
?了解作為分析對象的系統(tǒng)、裝置或設(shè)備。
?確定分析系統(tǒng)的物理邊界,劃清對象系統(tǒng)、裝置、設(shè)備與子系統(tǒng)、設(shè)備的界線,圈定所屬的元素(設(shè)備、組件)。
?確定系統(tǒng)分析的邊界,應(yīng)明確兩方面的問題:
?分析時不需考慮的故障模式、運行結(jié)果、原因或防護裝置等,如分析故障原因時不考慮飛機墜落到系統(tǒng)外和地震、龍卷風(fēng)等對系統(tǒng)的影響;
?最初的運行條件或元素狀態(tài)等,例如對于初始運行條件,在正常情況下閥門是開啟還是關(guān)閉的必須清楚。
?收集元素的最新資料,包括其功能、與其它元素之間的功能關(guān)系等。
分析的詳細程度取決于被分析系統(tǒng)的規(guī)模和層次。例如,選定載運工具作為對象系統(tǒng)時,故障模式和影響分析應(yīng)著眼于組成載運工具的各個系統(tǒng),如制動系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)等,對這些系統(tǒng)的故障模式及其對載運工具的影響進行分析。當(dāng)把構(gòu)成載運工具的某個子系統(tǒng)作為對象系統(tǒng)時,應(yīng)對構(gòu)成該子系統(tǒng)的部件的故障模式及其影響進行分析。當(dāng)以某一部件為分析對象時,則應(yīng)對該部件的各組成零件進行故障模式及其對部件的影響進行分析。當(dāng)然,分析各層次故障模式和影響時,最終都要考慮他們對整個系統(tǒng)(載運工具)的影響。
2 .對系統(tǒng)組件(元素)的故障模式和產(chǎn)生原因進行分析
在對系統(tǒng)組件的故障模式進行分析時,要將其看作是故障原因產(chǎn)生的結(jié)果。首先,找出所有可能的故障模式,同時盡可能找出每種故障模式的所有原因,然后確定系統(tǒng)組件的故障模式。故障模式的確定,可依據(jù)以下兩方面:
?若分析對象是已有元素,則可根據(jù)以往運行經(jīng)驗或試驗情況確定元素的故障模式。
?若分析對象是設(shè)計中的新元素,則可以參考其它類似元素的故障模式,或者對元素進行可靠性分析來確定元素的故障模式。
一般來說,一個元素至少有 4 種可能的故障模式:意外運行;運行不準時;停止不及時;運行期間故障。
為了區(qū)分故障模式和故障原因,必須明確元素的故障是故障原因?qū)υ毓δ苡绊懙慕Y(jié)果。故障原因可以從內(nèi)部原因和外部原因兩個方面來分析。
在分析時要把元素進一步分解為若干組成部分,如機械部分、電氣部分等,然后研究這些部分的故障模式(內(nèi)部原因)和這些部分與外界環(huán)境之間的功能關(guān)系,找出可能的外部原因。一般來說,外部原因主要是元素運行的外部條件方面的問題,同時也包括鄰近的其它元素的故障。
3 .故障模式對系統(tǒng)和組件的影響
故障模式的影響是指系統(tǒng)正常運行的狀態(tài)下,詳細地分析一個元素各種故障模式對系統(tǒng)的影響。分析過程的基本出發(fā)點,不是從故障已發(fā)生開始考慮,而是分析現(xiàn)有設(shè)計方案,會有哪種故障發(fā)生,即對每一種輸出功能的偏差,預(yù)測可能發(fā)生的故障,對部件、子系統(tǒng)、系統(tǒng)有什么影響及其程度,列出可能發(fā)生的全部故障模式。
故障模式的影響可以從下面三種情況來分析:
?元素故障類型對相鄰元素的影響,該元素可能是其它元素故障的原因。
?元素故障類型對整個系統(tǒng)的影響,該元素可能是導(dǎo)致重大故障或事故的原因。
?元素故障類型對子系統(tǒng)及周圍環(huán)境的影響。
4 .匯總結(jié)果和提出改正措施。
根據(jù)故障類型和影響分析表,系統(tǒng)地、全面和有序地進行分析,最后將分析結(jié)果匯總于表中,可以一目了然地顯示全部分析內(nèi)容。根據(jù)研究對象和分析的目的,故障類型和影響分析表可設(shè)置成多種形式。表 ?3-1-5 為美國杜幫公司的 FMEA 表。
表 3-1-5 美國杜幫公司的 FMEA 表
項目 ? | 構(gòu)成 ? 元件 ? | 故障或失 ? 誤種類 ? | 故障的影響 ? | 危險的 ? 重要度 ? | 故障發(fā) ? 生概率 ? | 檢測 ? 方法 ? | 修改措施 ? 及備注 ? | |
對其他元件 ? | 對整個系統(tǒng) ? | |||||||
危險重要度:⑴安全 ⑵臨界狀態(tài) ⑶不安全
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故障模式和影響、致命度分析包括故障模式和影響以及致命度分析。致命度分析的目的在于評價每種故障類型的危險程度。通常,采用概率 — ?嚴重度來評價故障模式的危險度。概率是指故障模式發(fā)生的概率,嚴重度是指故障后果的嚴重程度。采用該方法進行致命度分析時,通常把概率和嚴重度分別劃分為若干等級。如美國杜幫公司把概率劃分為 ?6 個等級:非常容易發(fā)生 — 1×10-1,容易發(fā)生 — 1×10-2,較常發(fā)生 ?—1×10-3,不易發(fā)生 — 1×10-4,難以發(fā)生 — 1×10-5,極難發(fā)生 ?—1×10-6;把危險程度劃分為 3 個等級:大 — 危險,中 — 臨界,小 — 安全。
當(dāng)用致命度指標來評價時,可按下式計算:
? (3-1-1)
式中C—— 致命度指數(shù)。表示相應(yīng)系統(tǒng)組件每 100 萬次運行造成系統(tǒng)故障的次數(shù);
n—— 導(dǎo)致系統(tǒng)重大故障或事故的故障類型數(shù)目;
i—— 致命性故障模式的第i個序號;
λ—— 元素的基本故障率;
t—— 元素的運行時間;
k1—— 實際運行狀態(tài)的修正系數(shù);
k2—— 實際運行環(huán)境條件的修正系數(shù);
α—— 導(dǎo)致系統(tǒng)重大故障或事故的故障類型數(shù)目占全部故障類型數(shù)目的比例;
β—— 導(dǎo)致系統(tǒng)重大故障或事故的故障類型出現(xiàn)時,系統(tǒng)發(fā)生重大故障或事故的概率,其參考值如表 3-1-6 所示。
表 3-1-6??? ?β參考值
故障影響 ? | 發(fā)生概率 ? |
實際喪失規(guī)定功能 ? | β=1.0 |
很可能喪失規(guī)定功能 ? | 0.1<β<1.0 |
可能喪失規(guī)定功能 ? | 0<β<0.1 |
沒有影響 ? | β=0 |