第三章_失效分析方法__2009

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1、第三章 失效分析方法,第1节、电子 机械零件失效形式及失效原因 （一）、失效的定义 各种机械零件及构件（以下统称机械零件），都具有一定的功能，如承受载荷、传递能量。完成某种规定动作等。当机械零件丧失它应有的功能时，则称该零件失效。各种零件失效的形式，归纳起来可分为过量变形、断裂和表面损伤等几种类型。,（二）失效分析的分类及引起各类失效形式的直接原因,1，过量变形、 2、断裂 3、表面损伤失效。,引起零件早期失效的原因是很多的，主要有以下几个方面： 1、设计与选材上的问题； 2、加工、热处理或材质上的问题； 3、装配上的问题； 4、操作和维护不当的问题。 根据有关调查，发现造成失效的原因中，设计

2、和制造加工方面的问题占56以上，因此设计和制造加工方面是否存在问题是失效分析中需要考虑的重要方面，当然要根据零件失效的具体情况进行具体分析，这样可以大大缩短分析时间，减少分析工作量。,第2节、 失效分析方法,一、什么是失效分析 失效分析（也叫故障分析）的目的是研究机械设备、结构及零部件发生失效的原因，提出防止失效事故重复发生，提高其寿命的措施,二、失效分析的内容,失效分析这门学科所包含的内容可分为两大方面：一是失效分析方法的研究，即失效分析方法本身失效分析思维方法的研究；另一个是失效分析的实验技术，即采用各种仪器设备对失效零件进行实验检测，为准确的判断失效发生的原因提供实验依据。 目前国内外在

3、失效分析方法研究方面作了不少工作，已取得一定的成就，创造了诸如“失效事故的形式及影响分析”（Failure Mode and Effect Analysis, 简称FMEA），“故障树分析” （Fault Tree Analysis, 简称FTA），“现象树分析” （Event Tree Analysis, 简称ETA），“特性要因图”等方法。因为篇幅有限，这里只简要地介绍“故障树分析法”。,第3节 故障树分析 （Fault Tree Analysis),故障树分析法（FTA）是一种系统可靠性和安全性分析的有效手段，尤其在解决复杂系统的分析问题上它迅速赢得了声誉，而反映在故障树分析中的对各种不

4、同复杂程度分析的多功能适应性则是FTA的主要特性。 故障树分析法是1961年由美国贝尔实验室首创的，1962年将它应用于美国研制的“民兵”导弹发射控制系统可靠性研究中取得了成果，FTA应用范围很广，可用于航空航天部门、电子工业、机械工业、电站、核电站、化工以及冶金等各个部门。,故障树是一种特殊的倒立树状逻辑因果关系图，它用事件符号、逻辑门符号和转移符号描述各种事件之间的因果关系。 故障树分析权威学者富赛尔（J. B. Fussell）对此归纳了FTA的六点最显著的功能： 使工程人员能以演绎的方式直接探索出系统的故障所在。 能指出与人们感兴趣的失效模式有重要关系的系统状态。 对那些不了解系统设计

5、的变化而要从事系统管理的人提供一个图示的帮助。, 提供了系统分析中定性和定量分析选择的可能。 允许分析人员在某一时刻把注意力集中到某一特殊系统故障之上。 给工程人员提供了对系统特征的真实而透彻的理解。 故障树分析法是一种图形演绎法，是故障事件在一定条件下的逻辑推理过程。,故障树分析一般可分为以下几个阶段：, 选择合理的顶事件、系统的分析边界和定义范围，并且确定成功与失败的准则； 建造故障树，FTA的核心部分之一，通过对已收集的技术资料，在设计和运行管理人员的帮助下，建造故障树； 建立故障树的数学模型，对故障树进行简化或者模块化； 进行系统可靠性的定性分析； 进行系统可靠性的定量分析。,一、故障

6、树的建造,1. 故障树符号 （1）事件符号 矩形事件 一是顶事件，是故障树分析中所关心的结果事件，位于故障树的顶端；二是表示中间事件。 圆形事件 它表示基本失效事件，是顶事件发生的最基本因素，为底事件。 菱形事件 菱形事件又称为未探明事件。 房形事件（开关事件） 椭圆形事件（条件限制）,（2）逻辑门符号 在故障树分析中逻辑门只描述事件间的逻辑因果关系。下面的事件称输入事件，上面的事件是输出事件（也称门事件）。使用的逻辑门符号见表6-8。 （3）转移符号,2. 故障事件的定义和分类,系统或元部件能规定要求完成其功能时，称为正常事件。反之，不能完成规定功能或完成得不准确的称故障事件。 FTA中，把

7、它们分成三大类。 一次事件：故障事件是由元、部件本身引起的。例如灯泡钨丝断了而造成灯泡不亮。 二次事件：故障事件是由外界环境和人为引起的。例如，操作人员忘记打开开关，使灯泡不亮。 受控事件：故障事件是本系统中其它部件的错误控制信号、指令或噪声的影响引起的。一旦这些影响消除后，系统或部件即可恢复正常状态。 仅含故障事件以及与门、或门的故障树称正规故障树。,3. 故障树的建造,故障树是系统可靠性分析的基础，故障树是否正确从根本上决定了分析的效果。通过建树过程能使工程技术人员透彻了解系统，发现系统中的薄弱环节，这是建造故障树的首要目的。其次建造故障树也是使用FTA的前提条件。 演绎法主要用于人工建树

8、，判定法和合成法主要用于计算机辅助建树。,人工建树的总体步骤是： 熟悉系统； 确定顶事件； 确定边界条件； 发展故障树； 整理与简化。,顶事件是系统不希望发生的事件，一个系统往往有多个不希望发生的失效事件，根据分析的目的作出选择。 正确的选择顶事件，一般选作的顶事件应是： 它们的发生必须有一定的含义，发生的可能性是可以定量的； 它可以进一步分解，以找到其发生的原因。,发展故障树原则,顶事件和边界条件确定以后，就可以从顶事件出发展开故障树，并应遵循以下原则； 要有层次地逐级进行分析。 要找出所有矩形事件的全部、直接起因。 对各级事件的定义要简明、确切。 正确运用故障树符号。 当所有中间事件都被分

9、解为底事件时，则故障树建成。,4. 故障树的规范化,同一产品的同一顶事件的故障树，由于分析人员分析的思路不同，树的结构可能不尽相同。至多能含有底事件、结果事件以及“与”、“或”、“非”三种逻辑门的故障树叫规范化故障树。规范化故障树就需要将故障树中各种特殊事件与特殊门进行变换或删减，其规则如下： （1）未探明事件 一般将重要的、出现概率比较了解的未探明事件当做基本事件，将不重要的、出现概率不清楚的未探明事件删去。 （2）顺序与门 将顺序条件作为一个新的输入事件，则顺序与门就变成多一个输入事件的新与门。,（3）表决门 一个r/n表决门意味意n个输入事件中有r个或r个以上的事件发生时，输出事件才发生

10、。举出使输出事件发生的诸输入事件组合，把每个组合作为一个结果事件，这些结果事件与输出事件以“或门”相连，就是一个r/n表决门。 （4）异或门 （5）禁门 设A为禁门的输出，B为禁门的输入，C为条件事件。把条件事件看成一个输入事件，则A、B、C就是一个与门联系，如图6-6所示。,例6-1 动力割草机的发动机的故障树。,割草机内装有作为动力的小型发动机，驱动切削工具。这是一种冷小循环发动机，输出功率约2.94kW，以汽油为燃料。燃料箱装在上部，由重力给油方式向燃料室供油，不需供油泵。发动时，一般采用电发动，发动电源是蓄电池。若电发动失效时，也可采用手动的方法。而永磁式发电机则向产生电火花的火花塞提

11、供高压电源。 顶事件的选定 发动机不能发动； 发动机不能连续工作。,发动机不能发动首先可举出燃料室的燃料没有供给到；有燃料，若气缸内的压力不足，仍然不会发动；使燃料达到规定的压力被压缩，电气点火系统的火花能量不足，发动机也无法正常发动。因此，顶事件和这三个事件用或门相连。然后再分别对这三个直接原因事件，用同样的方法进行分析，直到底事件为止。,按故障树规范化的规则，可将其规范化。对“汽化器失灵”这个未探明事件作出处理。收集的数据发现这个事件的发生概率较高，约为0.03，它作为基本事件处理。对禁门作逻辑等效变换，“油箱没检查”作为一个输入事件。它和另一个输入事件“上一次用完了”一起通过与门产生输出

12、事件“油箱空”。 对事件进行如下的编码：,对事件进行如下的编码： T：发动机不能发动 E1：燃料不足 E2：不能压缩 E3：无火花 E4：油箱空 E5：活塞不动 E6：无能源使转 X8：上一次用完了 X9：顶杆折损 X10：轴承卡住 X1：汽化器失灵 X2：油管堵塞 X3：油塞环破 X4：火花塞 X5：永磁式电 机故障 X6：引线折 X7：油箱没检查 X11：蓄电池用光 X12：拉索折断 规范化故障树如图6-8所示。,故障树建立实例,二、故障树的定性分析,直接由布尔代数表示的故障树可以经过布尔运算而化简，它是基本事件的积之和表达式。每一个基本事件和乘积项称为故障树的最小割集。 故障树定性分析的

13、任务就是求出故障树的全部最小割集。由于全部最小割集反映了系统的全部故障模式，全部最小割集的集合又称为系统的故障谱。故障谱的分析，可以找出系统的薄弱环节，提高系统的可靠性与安全性。,1. 最小割集和最小路集,设故障树有n个底事件X1，X2，Xn，C=Xi，Xe为其中一些底事件的一组集合，当集合中的全部基本事件都发生，或称集合C发生时，顶事件必定发生，则集合C是故障树的一个割集。若已知C是一个故障树的割集，若集合C中任意去掉一个基本事件后，余下的集合就不再是故障树的割集时，则称集合C是一个最小割集。,从顶事件不发生的角度出发，可引入路集的概念。设D=Xi，Xm是一些基本事件的一组集合，当集合D中的

14、每一基本事件都不发生时，则顶事件一定不会发生，称集合D是故障树的一个路集。任意去掉集合D中的一个事件后，集合D就不再是故障树的路集了，这样的路集称为最小路集。 可以通过布尔代数计算相互转换，由路集可求出割集，反之亦然。,2. 求最小割集的方法,1）上行法（Semanderes法） 上行法是自下而上地求顶事件与底事件的逻辑关系式的方法。 设A、B、C是不同的事件或事件集合，则事件逻辑运算的基本法则如下： 幂等律： AA=A，AA=A 交换律： AB=BA，AB=BA 结合律： （AB）C=A（BC） （AB）C=A（BC） 分配律： （ABC）=（AC）（BC）, 吸收律： AAB=A A（AB

15、）=A 摩根律：,为了书写方便起见，在上面的运算法则和以后的运算中，以“”代替逻辑或“U”符号，且省去逻辑与“”符号。 利用上述这些逻辑运算的公式，可以将一些复杂的表达式化简。例如 （AB）（AC）（DB）（DC） 用分配律 =（ABC）（DBC） 令E=BC =（AE）（DE） 用交换律 =（EA）（ED） 用分配律 = EAD=BCAD,上行法步骤： 从故障树的最下一级开始，逐级写出各矩形事件与其相邻下级事件的逻辑关系式。 从最下一级开始，逐级将下一级的逻辑表达式代入其上一级事件的逻辑表达式。在每一级代入之后都要运用上述逻辑运算法则，将表达式整理、简化为底事件逻辑积求和形式，称为积和表达式。 利用幂等律去掉各求和项中的重复事件，则表达式中的每一求和项都是故障树的一个割集，但不一定是最小割集。 再运用吸收律去掉多余的项，则表达式中的每一求和项即是故障树的一个最小割集。,例6-2 试求图6-10所示的故障树的全部最小割集。 各底事件分别用X1，X2，X6表示。 由下而上写出各门事件的逻辑表达式 G3=X4+X5，G4=X2X4X6 G5=X3X4 G1=X3G3G4，G2=X2G5 TOP=X1G1G2 逐级代换并简化 G1=X3（X4X5）（X2X4X6）,运用结合律与分配律，则 G1=X3（X4X5）（X2X4X6）