1、哈尔滨工业大学工业工程系哈尔滨工业大学工业工程系故障模型、影响及危害性分析Failure Mode，Effects and Criticality Analysis1可靠性与智能维护可靠性与智能维护-第五章第五章第1页，共41页。主要内容主要内容o 故障模式影响及危害分析概述故障模式影响及危害分析概述 o 故障模式影响分析故障模式影响分析o 危害性分析危害性分析o 损坏模式及影响分析损坏模式及影响分析 o 应用案例应用案例2可靠性与智能维护可靠性与智能维护-第五章第五章第2页，共41页。概述概述o元部件的故障对系统可造成重大影响元部件的故障对系统可造成重大影响n灾难性的影响o挑战者升空爆炸发动
2、机液体燃料管垫圈不密封n致命性的影响o起落架上位锁打不开o以往设计师依靠经验判断元部件故障对系统的影响以往设计师依靠经验判断元部件故障对系统的影响n依赖于人的知识和工作经验o系统的、全面的和标准化的方法系统的、全面的和标准化的方法FMECAn设计阶段发现对系统造成重大影响的元部件故障n设计更改、可靠性补偿o是可靠性、维修性、保障性和安全性设计分析的基础是可靠性、维修性、保障性和安全性设计分析的基础3可靠性与智能维护可靠性与智能维护-第五章第五章第3页，共41页。FMECA的概念的概念oFMEA的定义的定义n故障模式影响分析（Failure Mode,Effects and Criticalit
3、y analysis，FMEA）是在产品设计过程中，分析系统中每一产品所有可能产生的故障模式及其对系统造成的所有可能影响，并按每一个故障模式的严重程度、检测难易程度以及发生频度予以分类的一种归纳分析方法。oFMECA的定义的定义n故障模式影响及危害性分析(Failure Mode,Effects and Criticality analysis,简记为FMECA)是分析产品中每一个可能的故障模式并确定其对产品所产生的影响，提出可能采取的预防改进措施，以提高产品可靠性的一种设计分析方法。oFMECA是一种自下而上的归纳分析方法；o是包含FMEA和危害性分析（criticality analysi
4、s，CA）的组合分析方法。4可靠性与智能维护可靠性与智能维护-第五章第五章第4页，共41页。FMECA的的作用作用 o保证有组织地定性找出系统的所有可能的故障模式及其影响，进而采取相应的措施。o为制定关键项目和单点故障等清单或可靠性控制计划提供定性依据。o为可靠性（R）、维修性（M）、安全性（S）、测试性（T）和保障性（S）工作提供一种定性依据。o为制定试验大纲提供定性信息。o为确定更换元器件清单提供使用可靠性设计的定性信息。o为确定需要重点控制质量及工艺的薄弱环节清单提供定性信息。o可及早发现设计、工艺中的各种缺陷。5可靠性与智能维护可靠性与智能维护-第五章第五章第5页，共41页。FMECA
5、分析分析方法分类方法分类6可靠性与智能维护可靠性与智能维护-第五章第五章第6页，共41页。在产品寿命周期各阶段的在产品寿命周期各阶段的FMECA方法方法论证与方案阶段工程研制阶段生产阶段使用阶段方法功能FMECA硬件FMECA软件FMECA损坏模式影响分析过程FMECA统计FMECA目的分析研究系统功能设计的缺陷与薄弱环节，为系统功能设计的改进和方案的权衡提供依据。分析研究系统硬件、软件设计的缺陷与薄弱环节，为系统的硬件、软件设计改进和保障性分析提供依据。分析研究所设计的生产工艺过程的缺陷和薄弱环节及其对产品的影响，为生产工艺的设计改进提供依据。分析研究产品使用过程中实际发生的故障、原因及其影
6、响，为提供产品使用可靠性和进行产品的改进、改型或新产品的研制提供依据。7可靠性与智能维护可靠性与智能维护-第五章第五章第7页，共41页。FMECA的步骤的步骤8可靠性与智能维护可靠性与智能维护-第五章第五章第8页，共41页。系统定义系统定义o确定系统中进行确定系统中进行FMECA的产品范围的产品范围n产品层次示例n约定层次规定的FMECA的产品层次n初始约定层次系统最顶层n最低约定层次系统最底层o描述系统的功能任务及系统在完成各种功能任务时所处的环境描述系统的功能任务及系统在完成各种功能任务时所处的环境条件条件n任务剖面、任务阶段及工作方式n功能描述o制定系统及产品的故障判据、选择制定系统及产
7、品的故障判据、选择FMECA方法等方法等n故障判据n分析方法9可靠性与智能维护可靠性与智能维护-第五章第五章第9页，共41页。故障模式影响分析故障模式影响分析FMEAo方法的分类方法的分类n硬件法硬件法o根据产品的功能对每个故障模式进行评价，用表格列出各个产品，并对可能发生的故障模式及其影响进行分析。n适合于产品设计图纸及其他工程设计资料明确确定时采用。n是一种自下而上的分析方法，比较严格n功能法功能法o将每个产品的每个功能一一列出，并对它们的故障模式进行分析。n适合于产品构成不确定，或产品的复杂程度要求从初始约定层开始向下分析时n相对简单，故可以忽略某些故障模式10可靠性与智能维护可靠性与智
8、能维护-第五章第五章第10页，共41页。FMEA基本步骤基本步骤11可靠性与智能维护可靠性与智能维护-第五章第五章第11页，共41页。FMEA分析表格分析表格12可靠性与智能维护可靠性与智能维护-第五章第五章第12页，共41页。典型故障模式典型故障模式GJB1391故障模式影响及危害性分析序故障模式序故障模式序故障模式1结构故障(破损)12 超出允差(下限)23 滞后运行2捆结或卡死13 意外运行24 错误输入(过大)3振动14 间歇性工作25 错误输入(过小)4不能保持正常位置15 漂移性工作26 错误输出(过大)5打不开16 错误指示27 错误输出(过小)6关不上17 流动不畅28 无输入
9、7误开18 错误动作29 无输出8误关19 不能关机30(电的)短路9内部漏泄20 不能开机31(电的)开路10 外部漏泄21 不能切换32(电的)漏泄11 超出允差(上限)22 提前运行33 其它13可靠性与智能维护可靠性与智能维护-第五章第五章第13页，共41页。机械产品典型故障模式机械产品典型故障模式o 故障模式可分为以下七大类：故障模式可分为以下七大类：n损坏型：如断裂、变形过大、塑性变形、裂纹等。n退化型：如老化、腐蚀、磨损等。n松脱性：松动、脱焊等n失调型：如间隙不当、行程不当、压力不当等。n堵塞或渗漏型：如堵塞、漏油、漏气等。n功能型：如性能不稳定、性能下降、功能不正常。n其他：
10、润滑不良等。14可靠性与智能维护可靠性与智能维护-第五章第五章第14页，共41页。故障原因故障原因o直接原因：导致产品功能故障的产品自身的那直接原因：导致产品功能故障的产品自身的那些物理、化学或生物变化过程等，直接原因又些物理、化学或生物变化过程等，直接原因又称为故障机理。称为故障机理。o间接原因：由于其他产品的故障、环境因素和间接原因：由于其他产品的故障、环境因素和人为因素等引起的外部原因。人为因素等引起的外部原因。o例如例如起落架上位锁打不开起落架上位锁打不开n直接原因：锁体间隙不当、弹簧老化等n间接原因：锁支架刚度差15可靠性与智能维护可靠性与智能维护-第五章第五章第15页，共41页。任
11、务阶段与工作方式任务阶段与工作方式o任务剖面任务剖面又由多个任务阶段组成又由多个任务阶段组成n起落架任务阶段：o起飞o着陆o空中飞行o地面滑行o工作方式：工作方式：n可替换n有余度o上位锁开锁：液压、手动钢索、冷气o因此，在进行故障模式分析时，要说明产品的故障模式是在哪因此，在进行故障模式分析时，要说明产品的故障模式是在哪一个任务剖面的哪一个任务阶段的什么工作方式下发生的。一个任务剖面的哪一个任务阶段的什么工作方式下发生的。16可靠性与智能维护可靠性与智能维护-第五章第五章第16页，共41页。故障影响故障影响o故障影响与约定层次故障影响与约定层次o故障影响故障影响n局部影响:某产品的故障模式对
12、该产品自身和与该产品所在约定层次相同的其他产品的使用、功能或状态的影响n高一层次影响:某产品的故障模式对该产品所在约定层次的高一层次产品的使用、功能或状态的影响n最终影响:指系统中某产品的故障模式对初始约定层次产品的使用、功能或状态的影响17可靠性与智能维护可靠性与智能维护-第五章第五章第17页，共41页。故障检测方法故障检测方法o故障检测方法一般包括目视检查、离机检测、故障检测方法一般包括目视检查、离机检测、原位测试等手段：原位测试等手段：n自动传感装置n传感仪器n音响报警装置n显示报警装置o故障检测一般分为事前检测与事后检测两类，故障检测一般分为事前检测与事后检测两类，对于潜在故障模式，应
13、尽可能设计事前检测方对于潜在故障模式，应尽可能设计事前检测方法。法。18可靠性与智能维护可靠性与智能维护-第五章第五章第18页，共41页。补偿措施补偿措施o设计补偿措施设计补偿措施n产品发生故障时，能继续安全工作的冗余设备n安全或保险装置(如监控及报警装置)n可替换的工作方式(如备用或辅助设备)n可以消除或减轻故障影响的设计或工艺改进(如概率设计、计算机模拟仿真分析和工艺改进等)o操作人员补偿措施操作人员补偿措施n特殊的使用和维护规程，尽量避免或预防故障的发生n一旦出现某故障后操作人员应采取的最恰当的补救措施19可靠性与智能维护可靠性与智能维护-第五章第五章第19页，共41页。危害性分析危害性
14、分析CAo分析的目的分析的目的n是按照每一故障模式的严酷度类别及故障模式的发生概率所产生的综合影响对其划等分类，以便全面地评价各种可能出现的故障模式的影响。o分析方法的分类分析方法的分类n定性分析法定性分析法o按照故障发生的概率按照一定的规定分成A,B,C,D,E级。o适用于得不到产品技术状态数据和故障率数据时使用。n定量分析法定量分析法o适用于具备技术状态数据和故障率数据时使用20可靠性与智能维护可靠性与智能维护-第五章第五章第20页，共41页。危害性分析步骤危害性分析步骤o第一步：填写危害性分析表第一步：填写危害性分析表21可靠性与智能维护可靠性与智能维护-第五章第五章第21页，共41页。
15、故障概率等级或数据来源故障概率等级或数据来源o故障概率等级故障概率等级定性分析方法定性分析方法nA级-经常发生 20%nB级-有时发生 10%20%nC级-偶然发生 1%10%nD级-很少发生 0.1%1%nE级-极少发生 .0.1%o数据来源数据来源n预计值n分配值n外场评估值等22可靠性与智能维护可靠性与智能维护-第五章第五章第22页，共41页。故障模式频数比故障模式频数比o故障模式频数比故障模式频数比n故障模式频数比是产品的某一故障模式占其全部故障模式的百分比率。如果考虑某产品所有可能的故障模式，则其故障模式频数比之和将为1n模式故障率m是指产品总故障率p与某故障模式频数比的乘积o例：故
16、障模式频数比及模式故障率气体控制活门故障模式故障模式频数比 产品故障率p模式故障率m不闭合不打开外部漏气34%57%9%0123450.041970.070360.01111总 计10 0.1234523可靠性与智能维护可靠性与智能维护-第五章第五章第23页，共41页。故障影响概率故障影响概率o故障影响概率故障影响概率n是指假定某故障模式已发生时，导致确定的严酷度等级的最终是指假定某故障模式已发生时，导致确定的严酷度等级的最终影响的条件概率。某一故障模式可能产生多种最终影响，分析影响的条件概率。某一故障模式可能产生多种最终影响，分析人员不但要分析出这些最终影响还应进一步指明该故障模式引人员不但
17、要分析出这些最终影响还应进一步指明该故障模式引起的每一种故障影响的百分比，此百分比即为起的每一种故障影响的百分比，此百分比即为。这多种最终。这多种最终影响的影响的值之和应为值之和应为1n故障影响概率示例24可靠性与智能维护可靠性与智能维护-第五章第五章第24页，共41页。故障模式危害度与产品危害度故障模式危害度与产品危害度o故障模式危害度故障模式危害度评价单一故障模式危害性评价单一故障模式危害性nCm(j)=pt,j=，o产品危害度产品危害度评价产品的危害性评价产品的危害性nCr(j)=Cmi(j)，i=1,2,nn为该产品的故障模式总数，j=，nCmi(j)产品在第j类严酷度类别下的所有故障
18、模式的危害度之和25可靠性与智能维护可靠性与智能维护-第五章第五章第25页，共41页。危害性分析步骤（续）危害性分析步骤（续）o第二步：绘制危害性矩阵图26可靠性与智能维护可靠性与智能维护-第五章第五章第26页，共41页。损坏模式及影响分析损坏模式及影响分析DMEAo分析的目的分析的目的n目的是为生存力和易损性提供依据。n确定由于战斗力损伤所造成的损坏程度，以便提供与特定的威胁机理所引起的损坏有关的数据及损坏模式对武器系统执行任务基本功能的影响。n主要应用于武器系统。o分析方法分析方法n考虑产品可能产生的所有故障模式和损坏模式；n了解每个故障模式和损坏模式对于系统的影响；n分析系统的基本功能、
19、任务能力、敌方威胁能力和敌方武器影响之间的关系。27可靠性与智能维护可靠性与智能维护-第五章第五章第27页，共41页。损坏模式及影响分析损坏模式及影响分析DMEAo分析的步骤分析的步骤n以FMEA为基础，并予以扩展。（1）明确武器系统执行任务的基本功能o按每个任务阶段确定对武器系统执行任务基本功能的要求，这些基本功能应规定到可确定完成功能所需要的各个分系统和重要部件的约定层次上。（2）重要部件的确定o利用系统简图或功能框图、严酷度类别及规定的武器系统执行任务的基本功能，确定完成每一任务的饿基本功能所需的分系统和重要部件（3）研究一般部件的损坏能否产生危险坏境，导致重要部件发生危险。28可靠性与
20、智能维护可靠性与智能维护-第五章第五章第28页，共41页。DMEA分析表格分析表格29可靠性与智能维护可靠性与智能维护-第五章第五章第29页，共41页。应用举例应用举例某型军用教练飞机升降舵系统的某型军用教练飞机升降舵系统的FMECA30可靠性与智能维护可靠性与智能维护-第五章第五章第30页，共41页。某型军用教练飞机升降舵系统的某型军用教练飞机升降舵系统的FMECAo实施实施FMECA的基本步骤的基本步骤31可靠性与智能维护可靠性与智能维护-第五章第五章第31页，共41页。某型军用教练飞机升降舵系统的某型军用教练飞机升降舵系统的FMECAo系统组成及功能系统组成及功能n某型军用教练飞机升降舵
21、系统是单梁盒式薄壁结构，并是由梁、小梁、肋、蒙皮所组成的双闭室剖面结构。为保证升降舵系统的操作由负载、配平性能需要，还装有配重的调整片、翼尖配重。32可靠性与智能维护可靠性与智能维护-第五章第五章第32页，共41页。某型军用教练飞机升降舵系统的某型军用教练飞机升降舵系统的FMECAo约定层次约定层次 n初始约定层次为某型军用教练机n约定层次图 33可靠性与智能维护可靠性与智能维护-第五章第五章第33页，共41页。功能结构方框图o绘制方框图n绘制功能结构方框图功能结构方框图34可靠性与智能维护可靠性与智能维护-第五章第五章第34页，共41页。可靠性框图可靠性框图o绘制方框图n绘制可靠性可靠性框图
22、框图35可靠性与智能维护可靠性与智能维护-第五章第五章第35页，共41页。故障判据故障判据o升降舵系统凡发生不满足以下要求的情况之一，升降舵系统凡发生不满足以下要求的情况之一，即认为该系统发生了故障：即认为该系统发生了故障：n舵面偏转时应准确及时偏转到规定位置；n左、右升降舵应保持同步偏转；n飞机长期稳定飞行时，舵面应保持确定的平衡位置；n舵面偏转时无卡滞现象；n飞行中舵面无强烈振动现象；n调整片按要求能正常偏转；n配重无松动现象；n舵面结构满足了强度、刚度要求，没有因疲劳、腐蚀等导致其结构的损伤。36可靠性与智能维护可靠性与智能维护-第五章第五章第36页，共41页。严酷度类别严酷度类别o升降
23、舵系统严酷度类别的定义升降舵系统严酷度类别的定义 严酷度类别 严重程度定义 类（灾难的）危及人员或安全（如一等、二等飞行事故及重大环境损坏）类（致命的）损伤人员或飞机损伤（如三等飞行事故及严重环境损害）类（临界的）人员程轻度伤害或影响任务完成（如误飞、中断或取消飞行、降低飞行品质、增加着陆困难、中等程度环境损害）类（轻度的）无影响或影响很小，增加非计划性维护或修理 37可靠性与智能维护可靠性与智能维护-第五章第五章第37页，共41页。FMECA表格的填写表格的填写oFMECA表格的选取表格的选取n根据本案例的实际情况，将FMEA表、CA表合并成一个表。这使FMECA表更简明、直观和减少工作量。
24、oFMECA表中信息来源表中信息来源n表中的故障模式、故障原因、故障率等均是在多个相似飞机升降舵的调研和分析基础上进行的，其结果比较真实可靠。o主要故障模式主要故障模式归纳该升降舵的故障模式是：归纳该升降舵的故障模式是：n舵面偏转不到位。其表现为驾驶杆行程加大，操纵不到位。n舵面偏转困难（偏重），但无卡死现象。n卡滞。舵面转动不灵活，有卡滞现象。n振动。由舵面的振动导致驾驶杆抖动。n结构故障。由于长期使用，舵面结构局部损伤，造成结构强度、刚度下降，变形加大。o针对上述故障模式提示了相应的改进措施，进而提高了产品的可靠性、保证了该针对上述故障模式提示了相应的改进措施，进而提高了产品的可靠性、保证
25、了该教练机飞行一次成功。教练机飞行一次成功。o系统在不同严酷度下的危害度系统在不同严酷度下的危害度n据表结果，升降舵系统在不同严酷度下的危害度是：oCRs(I)6.001 106；CRs()31.6724106；oCRs()1.4183106；CRs()0.025210638可靠性与智能维护可靠性与智能维护-第五章第五章第38页，共41页。FMECA表格表格39可靠性与智能维护可靠性与智能维护-第五章第五章第39页，共41页。FMECA报告报告o可靠性关键产品清单可靠性关键产品清单o、类故障模式清单类故障模式清单o单点故障模式清单单点故障模式清单o不可检测故障模式清单不可检测故障模式清单o危害性矩阵图等危害性矩阵图等40可靠性与智能维护可靠性与智能维护-第五章第五章第40页，共41页。谢谢谢谢41可靠性与智能维护可靠性与智能维护-第五章第五章第41页，共41页。
