故障模式、效应和危害性分析—故障树分析

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1、故障模式 效应和危害故障模式 效应和危害 性分析性分析 故障树分析故障树分析 内容介绍内容介绍 1 概述 FMECA同FTA的的概念 相互区别及应用 2 FMECA的一般方法 FMECA分析方法 FMECA分析实例 3 FTA的方法基础 4 FTA的一般方法 FT的建立和简化 FT的定量分析 定性分析 FMEAFMEA FMECAFMECA 失效模式 影响与危害分析 FMECA 或失 效模式与效应分析 FMEA 是一种可靠性分 析技术 在工程设计 可以是整个的也可以是局 部的 完成后供检查和分析设计图纸 就电子设 备来说 是对电路的设计图纸 用 这种分析方法能对被研究对象具体指明单元可能 发生

2、的失效模式 例如 对电路来说 是发生开 路失效或短路失效 饱和阻塞 还是参数漂移等 产生的效应和后果 因而有助于获得供改进 可靠性用的具体工程方案 概述 FMECA是在FMEA基础上扩展出来的 它是FMA 故障模式分析 FEA 失效影 响分析 FCA 失效后果分析 三种方法 的总称 它使定性分析的FMEA增加了 定量分析的特点 失效模式 效应与危害度分析又是维修 性设计特别是故障安全设计的基础 也 是PLP 产品责任预防 分析的代表性方法 70年代末期 美国发生的几起重大事故 均与未周密地进行失效模式 效应与危 害度分析有关 例如 概述 NASA卫星系统 在发射情况下 由于对旋转 天线汇流环进

3、行失效模式 效应与危害分析时 只考虑开路失效模式 忽略了短路失效效应 结果因天线汇流环发生短路而使发射失效 损 失了九千至一亿五千万美元 美国DC 10商用飞机 在变更发动机维修方法 时 因未进行失效模式 效应与危害度分析 终于在芝加哥上空坠毁 1979年3月28日 美 国的三里岛2号反应堆发生的举世瞩目的重大 安全事故 也是因未对控保系统中增压安全阀 及其监示电路的失效模式进行详细分析的结果 概述 失效树分析失效树分析 失效树分析法 Fault Tree Analysis 简称FTA 1961年美国贝尔实验室沃森 Watson 等人在民兵导弹发射控制系 统中开始应用 其后波音公司对FTA作

4、了修改使其能用计算机进行处理 推动 了FTA技术的迅速发展 FTA现已成为 分析各种复杂系统可靠性的重要方法之 一 概述 失效树分析 是把系统不希望发生的失 效状态作为失效分析的目标 这一目标 在失效树分析中定义为 顶事件 在分 析中要求寻找出导致这一失效发生的所 有可能的直接原因 这些原因在失效树 分析中称之为 中间事件 再跟踪追迹 找出导致每一个中间事件发生的所有可 能的原因 顺序渐进 直至追踪到对被 分析对象来说是一种基本原因为止 这 种基本原因 失效树分析中定义为 底 事件 概述 失效树建造是失效树分析的关键失效树建造是失效树分析的关键 失效树建造是失效树分析的关键 也是 工作量最大的

5、部分 由于建树工作量大 因而这种方法在新的复杂系统上使用 受到局限 例如 美国原子能委员会发 表的WASH 1400核电站风险评价分析报 告指出 为了建造失效树 60名专家用 了将近三年时间 消耗了大量资金 概述 FMECAFMECA同同FTAFTA的相互区别的相互区别 概述 应用注意事项应用注意事项 FMECA FTA都是可靠性分析方法 但 是并非万能 FMECA FTA不能代替全 部可靠性分析 这两种方法不仅要相辅 相成地应用 还要重视与其它分析方法 管理方法及数据的结合 尤其 FMECA FTA都是重视功能型的静态分 析方法 在考虑时间序列与外部因素等 共同原因方面 即动态分析方面并不完

6、 善 概述 故障模式 效应与危害度故障模式 效应与危害度 分析分析 FMECA FMECA 的一般方的一般方 法法 通过失效模式 效应及危害度分通过失效模式 效应及危害度分 析可以做到析可以做到 鉴别出被分析单元会导致的不可接受或非常严 重的失效 确定可能会对预期或所需运行情况 造成致命影响的失效模式 并列出由此而引起 的从属失效 决定需另选的元器件 零部件和整件 保证能识别各种检测手段引起的失效模式 选择预防或正确维护要点 制定故障检修指南 配置测试设备以及为测试点提供资料 确定单元及子系统失效模式的危害度 FMECA的一般方法 故障故障模式 效应及危害度分析的模式 效应及危害度分析的 基本

7、程序基本程序 定义系统及其各种功能要求和相应的失效判据 制订功能 可靠性等框图 并作扼要的文字说明 确定在哪一功能级上进行分析 并根据实际情况确定采用 的分析方法 确定失效模式及其发生的原因和效应 以及由此引起的各 种继发事件 确定失效检测方法和可能采取的预防性措施 针对后果特别严重的失效 进一步考虑修改设计的步骤 计算相对故障概率及其故障危害等级 根据失效模式 效应及危害度分析结果提出相应的改进建 议 FMECA的一般方法 严酷度分类严酷度分类 为了度量产品故障造成的最坏的潜在影响 应对 每一潜在的故障模式进行严酷度分类 严酷度一般分 为四级 类 灾难的 这种故障会引起人员死亡或系统 如飞机

8、 导弹 毁坏 类 致命的 这种故障会引起人员严重伤害 重大的经济损失或导致任务失败 类 临界的 这种故障会引起人员的轻度伤害 一定的经济损失或导致任务延误或降级 类 轻度的 这种故障不会造成人员的轻度伤 害及一定程度的经济损失 但它会导致非计划维修 雷达系统的雷达系统的FMECAFMECA分析分析 第一步 绘制分级功能框图 这种框图既不是工作 原理框图 也不是可靠性框图 而是将系统内部分为 子系统 分机 功能单元和元器件等若干功能等级的 框图 它不但表明了构成系统的各个子系统 分机 功能组 件和元器件在功能上的相互依赖关系 而且便于看出 失效模式 效应及危害度分析应在哪一级上进行 例 绘制雷达

9、系统功能等级框图 图2 4 图中的分 析对象是接收机内的前置放大器 故其它子系统的分 机和接收机内其它功能单元及其元器件均被略去了 FMECA的一般方法 图图2 4 2 4 某系统的功能等级框图某系统的功能等级框图 FMECA的一般方法 雷n 第二步 确定被分析单元的 前置放大器内每一个元器 件 失效模式频数比 即某一种失效模式出现 的次数与单元出现的全部故障次数之比 可依据GJB299给出的典型电子设备用元器件的 失效模式及其频数比 这个比值应根据具体元 器件和使用人员的实际经验加以修正 也可以 统计获得 FMECA的一般方法 GJB299GJB299给出的失效模式分布给出的失效模式分布 第

10、三步 对分级功能图中的每一个方框图自下而上逐级进 行失效模式 效应及危害度分析 指出被分析方 框对较高一级的隶属等级产生的效应 定性估计每个元器件内每种失效模式引起的前置 放大器的故障概率 ij 当无法得到这种确切数据 时 可适当地统一划分失效概率的等级 例如可 采用以下等级 肯定上一级单元发生失效的等级 为1 00 可能引起失效的等级为0 50 可能性较 小的等效为0 10 不可能引起失效的等级为0 00 FMECA的一般方法 第四步 根据元器件在前置放大器内承受的电应 力和热应力 确定各种元器件的使用失 效率 表中的使用失效率系国外60年代 的水平 目前可见GJB299B可靠性预计 手册查

11、得 可参见预计讲义的P15表9 b E FMECA的一般方法 FMECA的一般方法 第五步第五步 计算每个元器件的每种失效模式的计算每个元器件的每种失效模式的 危害度危害度CrCr ij ij ij为单元i以失效模式j发生失效的频数比 ij为单元i以失效模式j发生失效时引起上 一级发生失效的概率 i为单元i的失效率 t为任务时间 第六步第六步 填写前置放大器所有元器件的失效模式填写前置放大器所有元器件的失效模式 效应及危害度分析一览表 效应及危害度分析一览表 FMECA的一般方法 第七步 计算前置放大器的危害度 FMECA的一般方法 第八步第八步 建立危害度 性 矩阵建立危害度 性 矩阵 危害

12、性矩阵用来确定和比较每一故障模式的危害 程度 进而为确定改进措施的先后次序提供依据 矩阵的横坐标用故障模式的严酷度表示 在进行 定性分析时 纵坐标表示发生故障模式发生的概 率等级 对上一级的影响 在进行定量分析时 纵坐标表示产品或故障模式的危害度 如下图所示 从元点开始 所记录的故障模式分 布点沿着对角线方向距离原点越远 其危害性越 大 越需尽快采取措施改进 危害度矩阵图危害度矩阵图 前置放大器元器件各故障模式的危前置放大器元器件各故障模式的危 害度矩阵害度矩阵 举举 例例 FMECAFMECA的标准方法及实例的标准方法及实例 本部分用实例介绍了GJB 1391 92 故 障模式 影响及危害性

13、分析程序 的工 作项目101和工作项目102的表格和操作 方法 FMEA FMEA 表格表格 栏目说明栏目说明 1 1 1 第一栏 代码 为了使每一故障模式及其与 相应的方框图内标志的系统功能关系一目了然 在FMEA表的第一栏填写被分析产品的代码 2 第二栏 产品或功能标志 在分析表中记入 被分析产品或系统功能的名称 原理同中的符 号或设计图纸的编号可作为产品或功能的标志 3 第三栏 功能 简要填写产品所需完成的功 能 包括零部件的功能及其与接口设备的相互 关系 栏目说明栏目说明 2 2 4 第四栏 故障模式 分析人员应确定并说 明各产品约定层次中所有可预测的故障模式 并通过分析相应方框图中给

14、定的功能输出来确 定潜在的故障模式 应根据系统定义中的功能 描述及故障判据中规定的要求 假设出各产品 功能的故障模式 为了确保进行全面的分析 至少应就下述典型的故障状态对每一故障模式 和输出功能进行分忻研究 栏目说明栏目说明 3 3 a 提前运行 b 在规定的应工作的时刻不工作 c 间断地工作 d 在规定的不应工作时刻工作 e 工作中输出消失或故障 f 输出或工作能力下降 g 在系统特性及工作要求或限制条件方 面的其它故障状态 栏目说明栏目说明 4 4 5 第五栏 故障原因 确定并说明与假设的故 障模式有关的各种原因 包括直接导致故障或引 起使品质降低进一步发展为故障的那些物理或化 学过程 设

15、计缺陷 零件使用不当或其它过程 还应考虑相邻约定层次的故障原因 例如 在进 行第二层次的分析时 应考虑第三层次的故障原 因 6 第六栏 任务阶段与工作方式 简要说明发 生故障的任务阶段与工作方式 当任务阶段可以 进一步划分为分阶段时 则应记录更详细的时间 作为故障发生的假设时间 栏目说明栏目说明 5 5 7 第七栏 故障影响 故障影响系指每个假 设的故障模式对产品使用 功能或状态所导致 的后果 应评价这些后果并将其记入分析表中 除被分析的产品层次外 所分析的故障还可 能影响到几个约定层次 因此 应该评价每一 故障模式对局部的 高一层次的和最终的影响 同时还应考虑任务目标 维修要求 人员及 系统

16、的安全 a 局部影响系指所假设的故障模式对当前所分析约定 层次产品的使用 功能或状态的影响 确定局部影 响的目的在于为评价补偿措施及提出改进措施建议 提供依据 局部影响有可能就是所分析的故障模式 本身 b 高一层次影响系指所假设的故障模式对当前所分析 约定层次高一层次产品使用 功能或状态的影响 c 最终影响系指所假设的故障模式对最高约定层次产 品的使用 功能或状态的总的影响 最终影响可能 是双重故障导致的后果 例如 只有在由一个安全 装置所控制的主要功能超出了极限值 而且该安全 装置也发生了故障的情况下 该安全装置的故障才 会造成灾难的最终影响 这些由欢重故障造成的最 终影响应该记入FMEA表格中 栏目说明栏目说明 6 6 8 第八栏 故障检测方法 操作人员或维修人 员用以检测故障模式发生的方法应记入分析表中 故障检测方法应指明是目视检查或者音响报警装置 自动传感装置 传感仪器或其他独特的显示手段 还是无任何检测方法 9 第九栏 补偿措施 分析人员应指出并评价 那些能够用来消除或减轻故障影响的补偿措施 它 们可以是设计上的补偿措施 也可以是操作人员的 应急补救措施 设计补偿措施包括 设