故障模式影响分析方法指南.doc

1 Q ZX 深圳市中兴通讯股份有限公司企业标准 可靠性技术标准 1999 09 18 发布 1999 10 18 实施 深圳市中兴通讯股份有限公司 发 布 故障模式影响分析方法指南 Q ZX 23 004 1999 前前 言言 本标准规定了对产品进行故障模式影响分析的要求和方法 本标准是结合一年实际操作过程中各部门总结的经验基础上对 Q ZX 23 004 1998 进行 修订的 在可操作性方面有一定的提高 本标准自实施之日起代替 Q ZX 23 004 1998 本标准的附录 A 附录 B 附录 C 都是标准的附录 本标准由质量企划中心可靠性部提出 技术中心技术管理部归口 本标准起草部门 质量企划中心可靠性部 本标准起草人 王瑜 本标准于 1998 年 6 月首次发布 于 1999 年 9 月第一次修订 Q ZX 23 004 1999 深圳市中兴通讯股份有限公司 1999 09 16 批准 1999 10 18 实施1 深圳市中兴通讯股份有限公司企业标准 可靠性技术标准 1 范围 本标准规定了故障模式影响分析的有关要求 本标准适用于产品在研制 生产和使用阶段对硬件产品进行故障模式影响分析 本标准不适用于软件 注 有条件的情况下 可借助于电路分析软件 协助进行故障模式影响分析 FMEA 2 引用标准 GB 7826 1987 系统可靠性分析技术 失效模式和效应分析 FMEA 程序 GJB Z 299B 1998 电子设备可靠性预计手册 GJB 450 1988 装备研制与生产的可靠性通用大纲 GJB 451 1990 可靠性维修性术语 GJB 900 1990 系统安全性通用大纲 GJB 1391 1993 FMECA 分析程序 MIL HDBK 217F 电子设备的可靠性预计手册 MIL HDBK 338 电子设备的可靠性设计手册 3 定义 本标准采用下列定义 其余名词术语见 GJB 451 和 GJB 900 3 1 故障 产品或产品的一部分不能或将不能完成预定功能 丧失规定的功能 的事件或状态叫 故障 产品性能超差也算故障 对电子元器件亦称失效 3 2 故障模式 故障的表现形式 如电子元件的短路 开路 断裂 过度耗损等 3 3 故障影响 故障模式对产品的使用 功能或状态所导致的结果 3 4 故障原因 直接导致故障或引起性能降低并进一步发展成故障的那些物理 化学过程 设计缺陷 工艺缺陷 零件使用不当或其它过程等因素 3 5 故障 失效 机理 引起故障 失效 的物理 化学和生物等变化的内在原因 3 6 故障分析 在故障发生后 通过对产品性能及其结构 使用和技术分析等进行系统的研究 以鉴 别故障模式 确定故障原因和失效机理的过程 3 7 严酷度 故障模式所产生后果的严重程度 严酷度应考虑到故障造成的最坏的潜在后果 并应 根据最终可能出现的系统损失或经济损失的程度来确定 根据程度不同分为 Q ZX 23 004 1999 代替 Q ZX 23 004 1998 故障模式影响分析方法指南 Q ZX 23 004 1999 2 类 3 8 故障模式与影响分析 FMEA 分析产品中每一个潜在的故障模式 确定其对产品所产生的故障影响 并把每一个潜 在的故障模式按它的严酷度分类 根据故障分析 进一步针对故障原因和失效机理采取预 防和纠正措施 从而提高产品的可靠性 它是可靠性分析的重要定性方法 3 9 冗余 完成一个指定功能 采用一种以上的方法 只有当所有方法都出现故障时 才能导致 功能的整体故障 失效 3 10 单点故障 导致一种危险状态 且不能通过冗余设计或变更操作程序来补偿的单个部件或元器件 的失效 单点故障对系统具有灾难性的或重要的影响 4 FMEA 的依据 4 1 开展 FMEA 工作的依据 开展 FMEA 工作 通常在下列文件中明确提出 a 产品研制规范 b 合同 c 其它相关文件 4 2 FMEA 的输入 进行 FMEA 需要的输入是根据 FMEA 的目的和作用决定的 见附录 A 标准的附录 主 要输入如下所述 4 2 1 产品研制规范 产品研制规范应包括产品功能 性能指标 使用的接口要求 试验 含可靠性试验 要求 故障判据等 4 2 2 设计方案 设计方案中应说明几种方案的比较 有助于确定可能的故障模式及原因 4 2 3 有关设计图样 a 工作原理图 功能方框图 根据这些资料只能进行功能法的 FMEA 分析 有关功能 法的说明详见本标准 5 5 1 b 如果要进行硬件法的分析 还必须有电路图 包含接口部分 逻辑图 有关硬件 法的说明详见本标准 5 5 2 c 为进行故障影响分析 应建立可靠性结构模型 d 元器件清单 含规格 型号 质量等级以及在产品中的具体位号 4 2 4 可靠性数据 可靠性数据包括的范围见 GJB Z 299B MIL HDBK 217F MIL HDBK 338 典型的电子元器件工作状态失效模式及频率表见附录 B 标准的附录 和附录 C 标准 的附录 5 FMEA 的工作程序和方法 FMEA 的工作程序如图 1 所示 Q ZX 23 004 1999 3 图 1 FMEA 的工作程序 5 1 确定被分析产品的特性 5 2 确定分析的最低约定层次 5 2 1 层次的划分应注意以下二点 a 层次划分是以物理层次划分而不是以逻辑层次划分 b 最低约定层次的确定取决于对产品进行 FMEA 的总体要求和产品的实际情况 5 2 2 约定层次越低 需要考虑的故障模式越多 详细程度也越高 同时费用也越高 最 低约定层次可按以下原则制定 a 能导致严酷度为 I 类 II 类故障的产品所在的产品层次 b 规定或预计能导致严酷度 III 类 IV 类故障的需要维修的组成部分所在的产品层次 c 对于产品的关键部分 FMEA 应做到最低级的可替换单元件 如 产品的插件板是 最低级的可替换件 则 FMEA 应做到插件板 一般约定 FMEA 分析的最低层次至少是产品的功能模块 单板 它是设计 调试和维 修更换的基本单元 为了进行更深层次的功能和硬件分析 还应分析到模块框图的功能方 框级甚至到相应硬件 元器件级 分析的最低约定层次取决于实际需要和可利用信息多 少 确定被分析的产品的特性 确定分析的最低约定层次 建 立 功 能 框 图 建立可靠性结构模型 确 定 分 析 方 法 功能法硬件法 填写 FMEA 表 编写 FMEA 报告 Q ZX 23 004 1999 4 5 2 3 要进行 FMEA 的完整产品所在的层次叫初始约定层次 相继的约定层次 第二层 第三层次等 叫其它约定层次 其它约定层次表示越来越简单的组成部分 如 ZXJ10 机可 把整机做为初始约定层次 第二层次为单模块 第三层次为单板 如只做某一单板分 析 则可把该单板作为初始约定层次 5 3 建立功能框图 建立各模块的功能框图 并对各方框的功能给予标记代码 以便进行分析 5 4 建立可靠性结构模型 根据功能框图建立相应的可靠性结构模型 以便进行故障影响分析 5 5 确定分析方法 FMEA 有两种分析方法 即功能法和硬件法 5 5 1 功能法 功能法 FMEA 是以系统的功能模块输出的故障模式及其影响为基础的分析方法 功能模 块输出的故障模式可能是由功能模块输入的故障模式或功能模块自身所引起的 系统硬件 设计图样 装配图等尚未完成 硬件不能确切确定时 可采用功能法的 FMEA 它适用于 从上面层次向下面层次进行分析 但也可以从任一层次向上或向下进行分析 这种方法比 较粗糙 有可能会忽略某些故障模式 5 5 2 硬件法 硬件法是用表格列出各独立的硬件产品 分析它们可能发生的故障模式及其对模块以 及系统工作的影响 在工程研制的详细设计阶段 设计工作已完成 设计样图和元器件或 零组件配套明细表 其它工程资料也已确定时 可采用硬件法的 FMEA 它适用于下面层次 如元器件级 向上面层次进行分析 也可从任一层次向上 向下进行分析 5 5 3 在工程研制的初步设计阶段 采用功能法进行 FMEA 分析 在工程研制的详细设计 阶段 一般采用硬件法进行 FMEA 分析 也可以将功能法和硬件法结合使用 硬件法主要用 于关键件 重要件和输入输出接口部分分析 5 6 填写 FMEA 表格 进行 FMEA 的典型做法是根据 FMEA 工作表 见表 1 的要求和产品的实际情况逐步分 析及填写 在分析产品的某一故障影响时 应把该故障看成是系统中唯一的故障 在有安 全 冗余或备用设备的情况下 故障模式还应包括那些导致需要使用这些设备的故障状态 完整的工作表见表 QR 23 004 1999 01 表表 1 故障模式及影响分析 故障模式及影响分析 FMEA 工作表 工作表 初始约定层次 阶段 约定层次 第 页共 页 故障影响 代 码 产品 标号 或元 器件 位号 功 能 故 障 模 式 故 障 原 因 局部 影响 高一 层次 影响 最终 影响 故 障 检 测 方 法 补 偿 措 施 严 酷 度 类 别 备 注 Q ZX 23 004 1999 5 分析人员 审核 批准 填表日期 5 6 1 初始约定层次 要进行 FMEA 的完整产品所在的层次 5 6 2 阶段 进行分析的产品所处的研制阶段 5 6 3 约定层次 根据分析的需要 按产品的相对复杂程度或功能关系所划分的产品层次 这些层次是 从比较复杂的产品到比较简单的元器件进行划分 5 6 4 代码 代码是指被分析产品或产品组成部分 硬件 产品功能或功能模块 的代码 它应与 方框图中的编码号一致 5 6 5 产品标号或元器件位号 被分析产品或产品组成部分 硬件 产品功能或功能模块 的名称 原理图中的标号 设计图纸的图号或元器件位号可作为产品标号 5 6 6 功能 产品或产品组成部分 硬件 产品功能或功能模块 要完成的功能具体内容 应注意 特别要包括与其接口设备的相互关系 接口设备是被分析对象正常完成任务所必需的 但 不属于被分析的产品 并都与被分析产品有共同界面或为其服务的系统 如 供电 冷却 加热 通风系统或输入信号系统 5 6 7 故障模式 确定并说明各产品约定层次的所有可预测的故障模式 并通过分析相应方框图中给定 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 假设出产品功能的故障模式 为了确保全面地分析 至少应就下述典型的故障状态对每个故障模式和输出功能进行 分析研究 a 提前工作 b 在规定的应工作时刻不工作 c 间歇工作 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 典型电子元器件可根据附录 B 标准的附录 来确定 5 6 8 故障原因 鉴定并说明与所假设的故障模式有关的可能故障原因 这既包括直接导致故障或引起 组成部分质量退化进一步发展成为故障的原因 也包括来自低一层次的故障效应 低一层 次组成部分的故障输出可能是本层次组成部分的故障原因 如果故障模式有一种以上的故 障原因则应全部列出 在分析故障原因时 要注意共模 因 故障 它是在两个或多个组成部分上由于同一 故障原因引起的故障模式 不包括由于独立失效引起的从属失效 5 6 9 故障影响 Q ZX 23 004 1999 6 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 其中包括局部的 高一 层次的和最终影响 最终影响是对最高约定层次产品组成部分的影响 5 6 10 故障检测方法 故障检测是指操作人员或维修人员用来检测故障模式发生的方法 如目视检查 音响 报警 仪器显示 机内故障自动检测 BIT 等 若没有检查方法则应注明 并采取补救措施 如改进测试性设计等 故障检测方法中要考虑到有时产品几个组成部分的不同故障模式可能出现相同的表现 形式 此时应具体区分检测方法 故障监测也应包括对冗余系统组成部分的检测 以维持冗余系统的可靠性 5 6 11 补偿措施 对故障模式的相对重要性予以排队 对于相对重要的故障模式要采取减轻或消除其不 良影响的预防补救措施 补偿措施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 在设计上如改用更可靠的元器件 采用冗余设计 提高降额系数和监控或报警装 置等 补偿措施必须与设计生产有关 而不能是 修理 更换 等 补偿措施的采用应考虑如下因素 a 最终影响和严酷度 b 经济成本和系统可实现性 c 失效模式的频率 见附录 B 标准的附录 附录 C 标准的附录 d 各元器件的通用失效率 G 进口元件参照 MIL HDBK 217F 国产元件参照 GJB Z 299B 1997 5 6 12 严酷度类别 有关严酷度类别的具体判据见表 2 表 2 严酷度类别 类 别说 明 I 类 灾难性的 导致整个系统灾难性的故障或造成人身伤亡的故障 II 类 致命性的 导致系统功能严重丧失 但未造成重大 损坏或人身伤亡的严重 或关键 故障 III 类 临界的 导致系统功能轻度丧失 或部分丧 失 产品局部损坏的一般性故障 IV 类 轻度的 不足以导致系统功能丧失 但会导致系统功能降 低而需进行非计划性维修的轻度 或轻微 故障 6 编写 FMEA 报告 报告应包括以下主要内容 6 1 概述 产品的主要功能 性能指标 包括产品的结构 功能 使用维护 使用环境等情况 6 2 依据文件 包括要求文件和 FMEA 的输入信息 6 3 分析方法 根据文件要求和具体条件选用功能法 硬件法或两者结合 Q ZX 23 004 1999 7 6 4 约定的分析层次 根据情况确定最低约定层次 6 5 有关图样 根据分析方法和层次 引入方框图 原理图 逻辑图 线路图及可靠性结构模型等 6 6 故障数据源 根据元器件的来源和产品的特性选择不同的故障数据源 6 7 故障模式影响分析 FMEA 工作表 6 8 结论和建议 采用硬件法进行 FMEA 分析 应列出关键件 重要件清单和单点故障清单 7 FMEA 应用示例 7 1 硬件法 本例分析安全报警系统的 DC5V 稳压电源 当其元器件发生故障时 对系统所造成的局 部的 高一层次的和最终的影响 对硬件进行定量 FMEA 分析 7 1 1 定义产品 安全报警系统的功能 其发出一束不可见光 当光线被遮断 人或物 报警器发出报 警讯号 该系统由四部分组成 激光二极管 光探测器 警报器以及 DC5V 稳压电源 本分析对象及其功能 DC5V 稳压电源 它输入是 30V 交流电压 供给安全报警系统 5V 直流电压 DC5V 稳压电源由整流 稳压两部分组成 其电路原理图如图 2 所示 7 1 2 严酷度分类 I 类 灾难性的 不能检测到侵入者或导致不能报警的故障 II 类 致命的 能引起虚假报警的故障 III 类 临界的 能引起报警系统工作退化 但系统还能维持其它功能的故障 IV 类 轻度的 对报警系统没有显著影响的故障 7 1 3 报警系统的功能方框图 30V 60HZ V1 R1 100 C11 47 F R41 510 R16 10K V3 V2 5 6V C9 0 01 F C10 0 01 F C15 3 3 F 5VDC 图 2 DC5V 稳压电源电原理图 Q ZX 23 004 1999 8 如图 3 所示 图 3 安全报警系统功能方框图 7 1 4 报警系统的可靠性结构模型 如图 4 所示 图 4 安全报警系统可靠性结构模型 7 1 5 规则与故障模式 FMEA 是利用报警系统原理方框图 可靠性结构模型 电原理图来完成的 对每一个 元器件的故障模式分别进行研究 以确定其对系统功能的影响 元器件的故障模式如表 3 所示 表 3 元器件的故障模式 元器件故障模式 陶瓷电容器短路 容值变化 开路 钽电解电容器短路 容值变化 开路 钽电容器短路 容值变化 开路 整流二极管短路 开路 参数变化 稳压二极管短路 开路 参数变化 金属膜电阻器短路 开路 参数变化 双极型晶体管短路 开路 激光二极管 5V 稳压电源 光探测器 报警器 AC30V 01 A 01 B 01 D 01 C 激光二极管5V 稳压电源光探测器 报警器 01 A01 B 01 D 01 C Q ZX 23 004 1999 9 7 1 6 FMEA 分析 DC5V 稳压电源 FMEA 分析的对象是该产品 模块 的 10 项元器件的 29 种故障模式 分析表如表 4 所示 表 4 初始约定层次 安全报警系统 阶段 XXX 约定层次 元器件 第 1 页共 1 页 故障影响代 码 产品标 号或元 器件位 号 功 能 故 障 模 式 故 障 原 因 局部影响 高一层次 影响 最终影响 故 障 检 测 方 法 补 偿 措 施 严 酷 度 类 别 备 注 短路 丧失整 流作用 无电 压输出 报警器 丧失作用 无无 I 开路 稳压器 无电流 无电 压输出 报警器 丧失作用 无无 I V1 整流二 极管 半 波 整 流 参数 变化 整流电压轻 微变化 稳压电 压无变化 无影响无无 IV 开路 稳压器 无电流 无电 压输出 报警器 丧失作用 无无 I 参数 变化 对Q1的输出 电压有轻微 变化 稳压电 压无变化 无影响无无 IV R1 100 金属膜 电阻器 限 流 短路 丧失限流保 护作用 电流可 能过大 减少工 作寿命 无无 III 短路 对 Q1 无电 流供给 无电 压输出 报警器 丧失作用 无无 I 开路 滤波作 用丧失 输出电 压不稳定 工作性 能退化 无无 III 01 A C11 47 F 钽电解 电容器 滤 波 参数 变化 滤波特性轻 微变化 稳压电 压无变化 无影响无无 IV 分析人员 审核 批准 填表日期 7 1 7 分析结果和建议 根据分析结果可知 故障模式能引起 I 类严酷度的是代号 01 A 模块中的元器件 V1 整流二极管 V2 稳压二极管 C15 钽电容 其中 V1 短路 开路故障模式的影响 均为 I 类严酷度 而 V2 C15 只有短路故障模式的影响为 I 类严酷度 综合上述考虑 建议对 V1 V2 作设计更改 采用高质量的二极管 7 2 功能法 由于功能法较硬件法简单 本指南只做简单介绍 7 2 1 ZXWLL 无线接入通信系统功能框图如图 5 所示 其中 DT 1 为数据传输单元 PP 是 外围单元处理板 接 4 块 WSLC 无线用户电路板 PP 与 WSLC 以总线方式完成两者之间的信 息交换 由 PP 来控制 WSLC 的工作过程 4569A 4569B 4569C 4569D 功能和结构完全相 同 Q ZX 23 004 1999 10 001 002 003 004A 005A 006A 007 图 5 ZXWLL 无线接入通信系统功能框图 7 2 2 FMEA 分析工作表见表 5 表 5 初始约定层次 ZXWLL 系统 阶段 XXX 约定层次 单元 第 1 页共 1 页 故障影响 代 码 产品 标号 或元 器件 位号 功 能 故 障 模 式 故 障 原 因 局部影响 高一 层次 影响 最终影响 故 障 检 测 方 法 补 偿 措 施 严 酷 度 类 别 备 注 无输出DT 1 无输入无法通信 001 ZX J10 程控 交换输出超下限DT 1 输入小 信号质量 下降或中断 无输出PP 无输入无法通信 002DT 1 数据 传输 输出错误PP 输入错误无法通信 003 PP 外围 处理 总线输出错误输出错误无法通信 信令输出错输出错误信道数减少 音频输出错输出错误信道数减少 004 WSLC 信号 转换 总线输出错输出错误信道数减少 无射频输出输出错误信道数减少 005 激 励源 调制 射频信号失真输出错误通信质量下降 无放大输出 无输出信道数减少 006 功放 放大 射频 信号信号品质下降无输出信道数减少 007 射频 天线 1 信号 发射 失效无输出无法通信 008 射频 天线 2 信号 接收 失效无输入无法通信 失效无输出信道数减少 009 接 收机 信号 解调品质下降信号失真或减弱通信质量下降 分析人员 审核 批准 填表日期 7 2 3 分析结果和建议 略 ZXJ10DT 1 PP WSLC 激励源 功放射频天线 总线 信令信号 音频信号 射频信号 射频天线 接收机 射频信号 音频信号 009A008 4569A 4569B 4569C 4569D Q ZX 23 004 1999 11 表 QR 23 004 1999 01 故障模式及影响分析 故障模式及影响分析 FMEA 工作表 工作表 初始约定层次 产品研制阶段 约定层次 第 页共 页 故障影响 代 码 产品 标号 或元 器件 位号 功 能 故 障 模 式 故 障 原 因 局部影响高一层次影响最终影响 故 障 检 测 方 法 补 偿 措 施 严 酷 度 类 别 备 注 分析人员 审核 批准 填表日期 Q ZX 23 004 1999 12 附录 A 标准的附录 FMEA 的目的与作用 A1 FMEA 的目的 通过 FMEA 可以找出设计中的缺陷和可靠性薄弱环节 特别是故障率高的单点故障 采取补救或改进措施 例如某一元件故障率较高且失效将导致严重后果 就可以采取冗余 技术 进一步降额 改用可靠性等级更高的元器件或修改设计等措施 包括设计 工艺和 管理 以消除或减少故障发生的可能性 提高产品的可靠性 这是一种预防为主的设计思 想 可以及早的发现和解决问题 A2 FMEA 的作用 A2 1 保证有组织的 系统的 全面的查明产品的一切可能的故障模式及其影响 对它们 采取适当的补救措施 或确定其风险已低于可以承受的水平 A2 2 找出产品的 单点故障 如果单点故障出现的概率不是极低的话 则应在设计 工 艺 管理等方面采取切实有效的措施 A2 3 为制定关键项目清单或关键项目可靠性控制计划提供依据 A2 4 为可靠性设计 评定提供依据 A2 5 揭示安全性设计的薄弱环节 为安全性设计提供依据 A2 6 为元器件 材料 工艺的选用提供信息 A2 7 为确定需要重点控制质量及生产工艺 包括采购 检验 的薄弱环节提供信息 A2 8 为可测性设计 单元测试系统设计 维修保障设计 编写维修指南提供信息 A2 9 为冗余设计 故障诊断 隔离及结构重组等提供信息 A2 10 及早发现设计 工艺缺陷 以便提出改进措施 A2 11 为同类产品的设计提供帮助信息 A2 12 作为产品符合可靠性设计指标的一种反复 叠代的设计手段 Q ZX 23 004 1999 13 附录 B 标准的附录 国产电子元器件工作状态失效模式及频率表 B1 电阻器 金属膜电阻器 功率 P 2W 开路 91 9 参数漂移 8 1 碳膜电阻器 功率 P 2W 开路 83 4 参数漂移 16 6 精密线绕电阻器 开路 97 参数漂移 3 功率线绕电阻 开路 97 1 参数漂移 2 9 B2 电位器 普通线绕电位器 接触不良 39 3 短路 12 1 开路 48 6 微调线绕电位器 接触不良 80 短路 10 开路 10 有机实芯电位器 接触不良 33 8 短路 5 6 开路 60 6 合成碳膜电位器 接触不良 40 短路 8 7 开路 34 2 参数漂移 17 1 B3 电容器 纸和薄膜电容器 短路 74 开路 13 参数漂移 13 玻璃釉电容器 短路 53 开路 25 参数漂移 22 云母电容器 短路 83 开路 10 参数漂移 7 1 2 类瓷介电容器 短路 73 开路 16 参数漂移 11 固体钽电解电容器 短路 75 参数漂移 25 铝电解电容器 短路 83 开路 17 B4 感性元件 变压器 开路 40 2 短路 28 参数漂移 8 4 其他 23 4 线圈 开路 39 4 短路 18 3 参数漂移 25 4 其他 16 9 B5 继电器 触点断开 44 触点粘结 40 参数漂移 14 线圈短 断路 2 B6 半导体分立器件 双极型晶体管 开路 42 短路 38 增益等性能的退化 20 场效应晶体管 开路 40 短路 35 电参数漂移 25 单结晶体管 开路 30 短路 24 电参数漂移 46 闸流晶体管 开路 20 短路 15 参数漂移 65 普通二极管 开路 50 短路 17 参数漂移 33 电压调整及电压基准二极管 开路 25 短路 29 参数漂移 46 微波二极管 开路 80 短路 9 参数漂移 11 变容 阶跃 隧道 PIN 体效应二极管 开路 50 短路 7 参数漂移 43 光电子器件 开路 25 短路 20 参数漂移 55 B7 半导体集成电路 双极数字电路 高输出 1 10 低输出 0 15 性能退化 50 断路 20 短路 5 MOS 型数字电路 性能退化 60 断路 25 短路 15 双极与 MO