第七章故障模式影响及危害性分析与故障树分析（ppt 精品）

第七章第七章 故障模式影响及危害性和故障模式影响及危害性和故障树分析故障树分析故障模式影响及危害性分析概述故障模式影响及危害性分析概述故障模式影响及危害性分析故障模式影响及危害性分析故障树分析故障树分析7.1 故障模式影响及危害性分析概述故障模式影响及危害性分析概述故障模式、影响及危害性（ Failure Modes and Effects Criticality Analysis），简称 FMECA。如果不做危害性分析，则称为故障模式与影响分析（ Failure Mode and Effect Analysis），简称 FMEA。故障模式、影响及危害性分析时一项重要的可靠性工作，从产品方案设计到工程研制阶段要反复地进行 FMECA工作，以便能尽早地发现问题并及时地修正设计。故障模式、影响及危害性分析还可为 维修性、安全性、耐久性、易损性、后勤保障、维修方案以及失效检查和分系统设计提供信息。7.2 故障模式影响及危害性分析故障模式影响及危害性分析7.2.1 故障模式影响及危害性分析概念故障模式影响及危害性分析概念1. 故障故障按按 GJB45198 可靠性维修性术语可靠性维修性术语 ，对可修复的产品来说，产品丧，对可修复的产品来说，产品丧失规定的功能称为故障；对不可修复的产品来说，产品丧失规定的功能称失规定的功能称为故障；对不可修复的产品来说，产品丧失规定的功能称为失效。为失效。2. 故障模式故障模式故障模式是指产品故障的一种表现形式，一般是能被观察到的一种故障故障模式是指产品故障的一种表现形式，一般是能被观察到的一种故障现象。现象。 例如，轴类零件断裂、轴承碎裂、杆类零件变形、弹簧的折断、活例如，轴类零件断裂、轴承碎裂、杆类零件变形、弹簧的折断、活动零件的运动受阻、齿轮齿面点蚀、机械零件的被腐蚀、火工品的受潮变动零件的运动受阻、齿轮齿面点蚀、机械零件的被腐蚀、火工品的受潮变质等。质等。3. 失效机理失效机理失效机理是指引起产品或零部件失效的物理、化学变化等的内在原因。失效机理是指引起产品或零部件失效的物理、化学变化等的内在原因。4. 失效分析失效分析在产品失效后，通过对产品的结构、使用和技术文件的逻辑性、系统性在产品失效后，通过对产品的结构、使用和技术文件的逻辑性、系统性检查，来鉴别失效并确定失效机理及基本原因。检查，来鉴别失效并确定失效机理及基本原因。5.故障影响故障影响故障影响是指该故障模式会造成对安全性、设备完好性、任务成功性以故障影响是指该故障模式会造成对安全性、设备完好性、任务成功性以及维修或后勤保障等要求的影响。及维修或后勤保障等要求的影响。 故障影响一般可分为对自身、对上级及故障影响一般可分为对自身、对上级及最终影响最终影响 3个等级。个等级。 6.危害度分析危害度分析危害性分析（危害性分析（ CA）的目的是按每一故障模式的严重程度及该故障模式）的目的是按每一故障模式的严重程度及该故障模式发生的概率所产生的综合影响对系统中的产品划等分类，以便全面评价系发生的概率所产生的综合影响对系统中的产品划等分类，以便全面评价系统中各种可能出现的产品故障的影响，是统中各种可能出现的产品故障的影响，是 FMEA的补充或扩展，只有在进的补充或扩展，只有在进行行 FMEA的基础上才能进行的基础上才能进行 CA。它是指它是指 对某种故障模式出现的频率及其所产生的后果的相应量度对某种故障模式出现的频率及其所产生的后果的相应量度 。7. 检测方法检测方法检测方法是指在每个故障模式发生时的检测手段和方法。检测方法是指在每个故障模式发生时的检测手段和方法。8. 预防措施预防措施预防措施是指产品在设计、工艺、操作时应采取的纠正措施。预防措施是指产品在设计、工艺、操作时应采取的纠正措施。7.2.2 故障模式影响及危害性分析的特点故障模式影响及危害性分析的特点 为了完成有效的、高水平的为了完成有效的、高水平的 FMEA及及 FMECA，以下，以下各项是值得注意的。各项是值得注意的。1.时间性时间性2.层次性层次性3.灵活性灵活性4.有效性有效性5.故障模式的完整性故障模式的完整性7.2.3、故障模式影响及危害性分析的基本思路与程序、故障模式影响及危害性分析的基本思路与程序实际上在常规设计思路中已经运用到了实际上在常规设计思路中已经运用到了 FMEA的思想。的思想。FMEA的基本思路如图的基本思路如图 7-2所示。所示。 根据根据 GJB 139192 故障模式、影响及危害性分析程序故障模式、影响及危害性分析程序 的要求，对产品进行故障模式、影响及危害度分析，需要按如的要求，对产品进行故障模式、影响及危害度分析，需要按如下步骤进行：下步骤进行：1.熟悉和掌握有关资料熟悉和掌握有关资料1）产品结构和功能的有关资料；）产品结构和功能的有关资料；2）产品启动、运行、操作、维修资料；）产品启动、运行、操作、维修资料；3）产品所处环境条件的资料。）产品所处环境条件的资料。2.系统定义系统定义1）任务功能）任务功能2）环境条件）环境条件3）任务时间）任务时间4）功能框图）功能框图5）可靠性框图）可靠性框图3. 填写填写 FMECA工作单工作单4. 画危害度矩阵图画危害度矩阵图危害度矩阵是用来确定危害度矩阵是用来确定每一故障模式的危害程度每一故障模式的危害程度并与其他故障模式相比较并与其他故障模式相比较，它表示各故障模式的危，它表示各故障模式的危害度分布，并提供一个用害度分布，并提供一个用以确定改正措施先后顺序以确定改正措施先后顺序的工具。的工具。从原点开始沿对角线越从原点开始沿对角线越是往前记录（即离原点越是往前记录（即离原点越远）的故障模式其危害度远）的故障模式其危害度越严重，越急需先采取改越严重，越急需先采取改正措施。正措施。 5.提交提交 FMECA报告报告应根据前面介绍的分析结果撰写分析报告。应根据前面介绍的分析结果撰写分析报告。FMECA报告中应包括：报告中应包括： 系统定义、系统定义、 FMECA工工作清单和危害度矩阵图、可靠性关键件的清单作清单和危害度矩阵图、可靠性关键件的清单。报告中还应有一个。报告中还应有一个 总结总结 ，以反映研制方根据，以反映研制方根据分析所做的结论和建议，总结中也要列出一张分析所做的结论和建议，总结中也要列出一张经经 FMECA工作而剔除的零部件清单以及每个零工作而剔除的零部件清单以及每个零部件被剔除的原因。部件被剔除的原因。7.2.4 故障模式影响及危害分析的应用故障模式影响及危害分析的应用以赛格反坦克导弹上控制分系统中拉线陀螺的以赛格反坦克导弹上控制分系统中拉线陀螺的 FMECA工作工作为例，介绍故障模式、影响及危害性分析的应用。为例，介绍故障模式、影响及危害性分析的应用。1）系统定义）系统定义（ 1）功能：）功能： 测量导弹滚转角速度位置，形成回输信号，测量导弹滚转角速度位置，形成回输信号，传输给底面控制盒，作为形成控制指令的基准。传输给底面控制盒，作为形成控制指令的基准。（ 2）功能框图：）功能框图： 赛格反坦克导弹上控制分系统中拉线陀赛格反坦克导弹上控制分系统中拉线陀螺功能框图如图螺功能框图如图 7-5所示。所示。（ 3）可靠性框图：）可靠性框图： 赛格反坦克导弹上控制分系统中拉线赛格反坦克导弹上控制分系统中拉线陀螺可靠性框图如图陀螺可靠性框图如图 7-6所示。所示。2） FMECA工作单工作单赛格反坦克导弹上控制分系统中拉线陀螺的赛格反坦克导弹上控制分系统中拉线陀螺的 FMECA工作单工作单如表如表 7-2所列。所列。3）画危害度矩阵图）画危害度矩阵图赛格反坦克导弹上控赛格反坦克导弹上控制分系统中拉线陀螺如图制分系统中拉线陀螺如图7-7所示。所示。 由矩阵图可以由矩阵图可以明显地看到明显地看到 ，危害度最大，危害度最大的故障模式为的故障模式为 钢带割断导钢带割断导线线 ，这将会引起导弹在发，这将会引起导弹在发射阶段产生掉弹问题。射阶段产生掉弹问题。7.3 故障树分析故障树分析7.3.1 故障树分析概述故障树分析概述故障树故障树 ：是表示事件因果关系的树状逻辑图故障树分析故障树分析 又称失效树分析，简称 FTA（ Fault Tree Analysis）。它是 “在系统设计过程中，通过对造成系统失效的各种因素（包括硬件、软件、环境、人为因素）进行分析，画出逻辑框图（即故障树），从而确定系统失效原因的各种可能组合方式或其发生概率，以计算系统失效概率，采取相应的纠正措施，以提高系统可靠性的一种设计分析方法 ”。把所研究系统的把所研究系统的 最不希望发生的故障状态最不希望发生的故障状态 作为故障分析的作为故障分析的 目目标标 ，然后寻找，然后寻找 直接导致这一故障发生的全部因素直接导致这一故障发生的全部因素 ，再找出造成，再找出造成下一级事件发生的全部直接因素，一直追查到那些原始的、其下一级事件发生的全部直接因素，一直追查到那些原始的、其故障机理或概率分布是已知的，因而毋需再深究的因素为止。故障机理或概率分布是已知的，因而毋需再深究的因素为止。用相应的用相应的 符号符号 代表这些事件，再用适当的代表这些事件，再用适当的 逻辑门逻辑门 把顶事件、中把顶事件、中间事件和底事件联结成间事件和底事件联结成 倒立树形图倒立树形图 。这样的树形图称为故障树。这样的树形图称为故障树，用以表示系统的特定顶事件与它的子系统或各个元件故障事，用以表示系统的特定顶事件与它的子系统或各个元件故障事件之间的逻辑结构关系。件之间的逻辑结构关系。以故障树为工具，分析系统发生故障的各种途径，计算各个可以故障树为工具，分析系统发生故障的各种途径，计算各个可靠性特征量，对系统的安全性或可靠性进行评价的方法称为靠性特征量，对系统的安全性或可靠性进行评价的方法称为 故故障树分析法障树分析法 (FTA)。 最不希望发生的事件称为最不希望发生的事件称为 顶事件顶事件 ；毋需再深入研究的事件（仅作为导致其它事件发生的原因，亦毋需再深入研究的事件（仅作为导致其它事件发生的原因，亦即顶事件发生的根本原因）称为即顶事件发生的根本原因）称为 底事件底事件 ，介于顶事件与底事件之间的一切事件（中间结果）为介于顶事件与底事件之间的一切事件（中间结果）为 中间事件中间事件 ，故障树分析法的特点：故障树分析法的特点： 根据上述特点，故障树分析法适合于对复杂的动态系统进根据上述特点，故障树分析法适合于对复杂的动态系统进行可靠性分析、安全性分析和风险评价行可靠性分析、安全性分析和风险评价 。 （ 4） 多目标、可计算。在设计中，可帮助弄清系统的故障模多目标、可计算。在设计中，可帮助弄清系统的故障模式，找出系统的薄弱环节。由于故障树是由特定的逻辑门和一式，找出系统的薄弱环节。由于故障树是由特定的逻辑门和一定购事件构成的逻辑图，因此可以用电子计算机来辅助建树，定购事件构成的逻辑图，因此可以用电子计算机来辅助建树，并进行定性分析和定量计算。并进行定性分析和定量计算。（ 2） 故障树分析法，不但可用于对系统的可靠性、安全性进故障树分析法，不但可用于对系统的可靠性、安全性进行定性分析和定量计算，而且还可定量考虑造成系统故障的各行定性分析和定量计算，而且还可定量考虑造成系统故障的各种因素。种因素。（ 1） 由于它是一种图形演绎方法，故直观、形象由于它是一种图形演绎方法，故直观、形象 。（ 3） 由于它将系统故障的各种可能因素联系起来而有利于弄由于它将系统故障的各种可能因素联系起来而有利于弄清系统的故障模式、找出系统可靠性的薄弱环节，提高系统可清系统的故障模式、找出系统可靠性的薄弱环节，提高系统可靠性的分析精度靠性的分析精度 。故障树分析法一般可按下列步骤：故障树分析法一般可按下列步骤：（ 1）建立故障树；）建立故障树；（ 2）建立故障树的数学模型；）建立故障树的数学模型；（ 3）进行系统可靠性的定性分析；）进行系统可靠性的定性分析；（ 4）进行系统可靠性的定量分析。）进行系统可靠性的定量分析。FTA技术主要用途：技术主要用途：（ 1）复杂系统的功能逻辑分析。）复杂系统的功能逻辑分析。（ 2）分析同时发生的非关键事件对顶事件的综合影响。）分析同时发生的非关键事件对顶事件的综合影响。（ 3）评价系统可靠性与安全性。）评价系统可靠性与安全性。（ 4）确定潜在设计缺陷和危险。）确定潜在设计缺陷和危险。（ 5）评价采用的纠正措施。）评价采用的纠正措施。（ 6）简化系统故障查找。）简化系统故障查找。故障树是表示事件因果关系的树状逻辑图。故障树分析（ FTA）就是以故障树（ FT）为模型对系统进行可靠性分析的方法。 7.3.2 故障树的建立故障树的建立1. 故障树E FL2L1 S1S2B供水系统供水系统如下图所示供水系统，如下图所示供水系统， E为水箱，为水箱， F为阀门，为阀门， L1和和 L2为水泵为水泵， S1和和 S2为支路阀门。此系统的规定功能是向为支路阀门。此系统的规定功能是向 B侧供水，侧供水， “ B侧侧无水无水 ” 是一个不希望发生的事件，即系统的故障状态。是一个不希望发生的事件，即系统的故障状态。2. 故障树符号逻辑符号逻辑符号 也称为也称为 逻辑门符号逻辑门符号 ，表示下级事件与上级事件的因果关，表示下级事件与上级事件的因果关系。门下面的事件称为系。门下面的事件称为 输入事件输入事件 ，门上面的事件称为，门上面的事件称为 输出事件（输出事件（也称门事件）也称门事件）(1) 与门与门 表示只有当全部输入事件都表示只有当全部输入事件都 同时存在同时存在 时，其输出事件才时，其输出事件才发生。设与门共有发生。设与门共有 n个输入事件个输入事件 Bi(i=1,2, n)，则其输出事件，则其输出事件 A和和输入事件的逻辑关系可表示为输入事件的逻辑关系可表示为(2) 或门或门 表示只要输入事件中的表示只要输入事件中的 任何一个发生任何一个发生 ，则输出事件发生，则输出事件发生。设与门共有。设与门共有 n个输入事件个输入事件 Bi(i=1,2, n)，则其输出事件，则其输出事件 A和输入和输入事件的逻辑关系可表示为事件的逻辑关系可表示为水管冻堵无保温层T0禁门故障树(3) 禁门 只有一个输入事件，侧面的长圆框内视条件事件 C，只有当该条件存在时，输入事件 B才能导致输出事件 A发生。(4) 表决门 (n取 k门 ) 表示 n个输入事件中有任意 k个 (kn)同时存在时，则输出事件发生。水泵 ABC泵系统故障A故障2/3B故障C故障三取二系统故障树BACB侧无水侧无水+L1故障故障S1故障故障+L2故障故障S2故障故障TOP+泵系统故障泵系统故障E故障故障F故障故障G1I支路故障支路故障 II支路故障支路故障G2 G3B侧无水侧无水泵系统故障 F故障E故障或I支路故障支路故障 II支路故障支路故障与L1故障 S1故障或L2故障 S2故障或E FL2L1 S1S2B3. 建树的一般步骤和方法建树的方法：建树的方法： 第一类第一类 是人工建树，主要应用演是人工建树，主要应用演绎法进行建树。演绎法建树应从顶事件开始由上绎法进行建树。演绎法建树应从顶事件开始由上而下、循序渐进逐级进行。而下、循序渐进逐级进行。 第二类第二类 是计算机辅助是计算机辅助建树，主要应用判定表法和合成法。首先定义系建树，主要应用判定表法和合成法。首先定义系统，然后建立事件之间的相互联系关系，编制程统，然后建立事件之间的相互联系关系，编制程序由计算机辅助进行分析。序由计算机辅助进行分析。如何建立故障树如何建立故障树 2 选择和确定顶事件选择和确定顶事件 通常把最不希望发生的系统故障状态作通常把最不希望发生的系统故障状态作为顶事件。它可以是借鉴其他类似系统发生过的重大故障事件，为顶事件。它可以是借鉴其他类似系统发生过的重大故障事件，也可是指定的事件。任何需要分析的系统故障事件都可作为顶事也可是指定的事件。任何需要分析的系统故障事件都可作为顶事件。但顶事件必须有明确的含义，而且一定是可以分解的。件。但顶事件必须有明确的含义，而且一定是可以分解的。1 熟悉系统熟悉系统 在建树之前，应该对所分析的系统进行深入的了在建树之前，应该对所分析的系统进行深入的了解。为此，需要广泛收集有关系统的设计、运行、流程图、设解。为此，需要广泛收集有关系统的设计、运行、流程图、设备技术规范等技术文件和资料，并进行仔细的分析研究。备技术规范等技术文件和资料，并进行仔细的分析研究。 3 定义故障树的边界条件定义故障树的边界条件 即要对系统的某些组成部分即要对系统的某些组成部分 (部件、部件、子系统子系统 )的状态、环境条件等作出合理的假设。的状态、环境条件等作出合理的假设。如当分析硬件系统时，可将如当分析硬件系统时，可将 “ 软件可靠软件可靠 ” 和和 “ 人员操作可靠人员操作可靠 ”作为边界条件，分析线路时，作为边界条件，分析线路时， “ 导线可靠导线可靠 ” 是常用的边界条件是常用的边界条件边界条件应根据边界条件应根据 分析的需要分析的需要 确定。确定。在确定顶事件和边界条件确定之后，就可以从顶事件出发展在确定顶事件和边界条件确定之后，就可以从顶事件出发展开故障树，找出导致顶事件的所有可能的直接原因，作为下一级开故障树，找出导致顶事件的所有可能的直接原因，作为下一级中间事件，把它们用相应的事件符号表示出来，并用适合于它们中间事件，把它们用相应的事件符号表示出来，并用适合于它们之间逻辑关系的逻辑门符号与顶事件相连接，然后逐级向下发展之间逻辑关系的逻辑门符号与顶事件相连接，然后逐级向下发展，了一棵倒置的故障树。，了一棵倒置的故障树。4. 构造发展故障树构造发展故障树(1) 要有层次地逐级进行分析。可以按系统的结构层次，也可按要有层次地逐级进行分析。可以按系统的结构层次，也可按系统的系统的 功能流程或信息流程功能流程或信息流程 逐级分析。逐级分析。(2) 找出所有矩形事件的找出所有矩形事件的 全部、直接全部、直接 起因。起因。(3) 对各级事件的定义要对各级事件的定义要 简明、确切简明、确切 。(4) 正确运用故障树符号。正确运用故障树符号。(5) 所有中间事件都被分解为底事件时，故障树建成。所有中间事件都被分解为底事件时，故障树建成。例：家用洗衣机故障树例：家用洗衣机故障树潘存云教授研制上盖 控制面板进水口排水管外箱体盛水桶支撑拉杆脱水桶电动机带 传动减速器波轮解 : (1)系统情况 此处主要分析洗衣机主系统，主要由电动机、传动系统和波轮组成。AB带传动脱水桶波轮传动系统电机(3)确定边界条件 此处假设 “管路及其联接 ”、 “导线和接头 ”及电源均可靠(2)确定顶条件 主系统不希望发生的故障有波轮不转、波轮转速过低、振动过大等。其中最严重的故障事件是波轮不转。(4)构造故障树构造故障树 按照功能流程对顶事件逐级向下分解其故障按照功能流程对顶事件逐级向下分解其故障模式及其逻辑关系，得到故障树模式及其逻辑关系，得到故障树电流过大 保险丝保险丝 失效失效B洗