1、第七章 故障模式與故障樹(shù)分析1 故障模式影響分析 (FMEA) 與故障模式影響與嚴(yán)重度分析（FMECA) 故障樹(shù)分析（FTA） FMECA與FTA綜合分析方法 21. 故障模式影響分析 (FMEA) 與故障模式影響與嚴(yán)重度分析（FMECA)3FMEA(故障模式影響分析 )是由美國(guó)Grumman飛機(jī)公司于1950年提出。用于飛機(jī)操縱系統(tǒng)的失效分析。該技術(shù)適用于研究零部件失效對(duì)于系統(tǒng)的影響。適用性強(qiáng)定性分析4故障模式影響與嚴(yán)重度分析（FMECA)是由FMEA(故障模式影響分析 )發(fā)展起來(lái)的，20世紀(jì)60年代初，NASA將FMECA應(yīng)用于航天計(jì)劃。美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)、英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)定量分析51.1故障模式影響分析

2、FMEA的基本原理FMEA（Failure Mode and Effects Analysis)是用一般的歸納方法來(lái)完成對(duì)系統(tǒng)可靠性和安全性的定性分析。通過(guò)找出系統(tǒng)潛在的故障對(duì)于系統(tǒng)的影響，使得產(chǎn)品更為完善從而提高其可靠度，可用于從系統(tǒng)到零部件任何一個(gè)層次。671.1故障模式影響分析 FMEA的基本原理影響效應(yīng)：找出基本單元的故障模式，并在高一層系統(tǒng)去確定每一種故障模式對(duì)系統(tǒng)的影響。而在高一層系統(tǒng)上作分析時(shí)，這種效應(yīng)又解釋為故障模式。每一個(gè)故障模式的效應(yīng)應(yīng)是在基本單元的上層進(jìn)行分析，這樣連續(xù)進(jìn)行就可以在全部所需的分析層上找出最后的故障效應(yīng)。反之，也可根據(jù)故障效應(yīng)推出故障模式。71.1 FMEA

3、的基本原理 一種產(chǎn)品可分為若干個(gè)分析層。一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)通常分為零件、部件、整件、組件、分裝置、裝置、分系統(tǒng)、系統(tǒng)等層次。而對(duì)被分析的系統(tǒng)，要按基本結(jié)構(gòu)繪制一個(gè)可靠性框圖。8 1.2 FMEA的實(shí)施步驟在進(jìn)行FMEA分析時(shí)，可用硬件法和功能法兩種形式。硬件法是從系統(tǒng)中某一零部件開(kāi)始分析再擴(kuò)展到系統(tǒng)。功能法是完成系統(tǒng)某種功能作為出發(fā)點(diǎn)進(jìn)行分析的。一般情況下，當(dāng)產(chǎn)品可按設(shè)計(jì)圖樣及相關(guān)資料確定時(shí)，采用硬件法較為方便。9硬件法的主要步驟 收集FMEA所需的資料 (1) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面的資料 (2) 有關(guān)系統(tǒng)運(yùn)行方面的資料 (3) 系統(tǒng)工作的外界環(huán)境條件 列舉元器件的故障模式及其效應(yīng) 分析時(shí)總是選擇感興趣的并

4、從最低層開(kāi)始作為分析對(duì)象。應(yīng)將它可能出現(xiàn)的各種故障模式列成表格，并依次列出單獨(dú)發(fā)生的相應(yīng)故障效應(yīng)。 1.2 FMEA的實(shí)施步驟10列舉元器件的故障模式及其效應(yīng)-FMEA分析表 代碼產(chǎn)品或功能標(biāo)志功能故障模式故障原因任務(wù)階段與工作方式故障影響故障檢測(cè)方法補(bǔ)救措施嚴(yán)重性級(jí)別備注局部后果高一層次影響最終后果 1.2 FMEA的實(shí)施步驟1112131.3 失效嚴(yán)重度（FMECA)分析 失效嚴(yán)重度分析(Failure Mode Effect and Criticality Analysis)通常是和故障模式與影響分析結(jié)合起來(lái)進(jìn)行的。失效嚴(yán)重度是由故障效應(yīng)的嚴(yán)重等級(jí)及故障模式發(fā)生的概率來(lái)確定的。危害度分析

5、可以用定性和定量?jī)煞N分析方法進(jìn)行。計(jì)算嚴(yán)重度數(shù)字時(shí)為定量分析，評(píng)定發(fā)生概率時(shí)為定性分析。14定性分析方法 通常在難以得到產(chǎn)品確切的技術(shù)狀態(tài)數(shù)據(jù)或故障數(shù)據(jù)的情況下使用。采用這一方法時(shí)，需繪制一個(gè)危害度分析矩陣，如右圖所示。離原點(diǎn)的距離越遠(yuǎn)的致命度越嚴(yán)重。 失效嚴(yán)重度分析矩陣 1.3 失效嚴(yán)重度（FMECA)分析 15定性分析方法 橫坐標(biāo)為嚴(yán)酷度（失效嚴(yán)重度）等級(jí) ：類(lèi)（災(zāi)難性的）這是一種可能造成人員死亡或系統(tǒng)損壞的故障。類(lèi)（致命的）這種故障會(huì)引起人員的嚴(yán)重傷害、重大經(jīng)濟(jì)損失或?qū)е率У南到y(tǒng)損壞。類(lèi)（重度的）這種故障會(huì)引起人員的輕度損害、一定的經(jīng)濟(jì)損失或?qū)е氯蝿?wù)的延遲或降級(jí)的系統(tǒng)損壞。類(lèi)（輕度的）

6、這是一種不足以導(dǎo)致人員傷害、一定的經(jīng)濟(jì)損失或系統(tǒng)的損壞，但它會(huì)導(dǎo)致非計(jì)劃性維修。 失效嚴(yán)重度分析矩陣 1.3 失效嚴(yán)重度（FMECA)分析 16縱坐標(biāo)為故障模式出現(xiàn)的概率等級(jí)：A級(jí)為經(jīng)常發(fā)生：這是指該產(chǎn)品在工作期間發(fā)生這種故障的概率很高，它可占總故障發(fā)生概率的20%以上。B級(jí)為很可能發(fā)生：這是指該產(chǎn)品在工作期間發(fā)生這種故障的概率為中等，它占總故障發(fā)生的概率在10%20%之間。C級(jí)為偶然發(fā)生：這種故障發(fā)生的概率占總故障發(fā)生的概率在1%10%之間。D級(jí)為很少發(fā)生：這種故障發(fā)生的概率占總故障發(fā)生的概率在0.1%1%之間。E級(jí)為極少發(fā)生：這種故障發(fā)生的概率占總故障發(fā)生的概率在0.1%以下。定性分析方法

7、 1.3 失效嚴(yán)重度（FMECA)分析 失效嚴(yán)重度分析矩陣 17定量分析方法 定量分析法就是通過(guò)計(jì)算失效模式的嚴(yán)重度 和產(chǎn)品的嚴(yán)重度 ，并填寫(xiě)危害性分析表來(lái)得到。1.3 失效嚴(yán)重度（FMECA)分析 18失效嚴(yán)重度分析表 代號(hào)產(chǎn)品或功能標(biāo)志功能故障模式故障原因任務(wù)階段與工作方式嚴(yán)酷度類(lèi)別故障概率或故障率數(shù)據(jù)源故障率故障模式頻數(shù)比故障影響頻率工作時(shí)間t故障模式危害度產(chǎn)品危害度 備注1.3 失效嚴(yán)重度（FMECA)分析 定量分析方法 19第 種失效模式嚴(yán)重度 ：1.3 失效嚴(yán)重度（FMECA)分析 定量分析方法 201.3 失效嚴(yán)重度（FMECA)分析 定量分析方法 21FMECA具體實(shí)施步驟1

8、繪制系統(tǒng)的功能框圖和可靠性框圖22FMECA具體實(shí)施步驟2 確定分析范圍（層次、潛在失效模式）3 確定失效影響4 確定每種失效原因及預(yù)防措施5 失效檢測(cè)方法23FMECA具體實(shí)施步驟6 確定失效概率（用頻度表示）24FMECA具體實(shí)施步驟7 確定嚴(yán)重程度25FMECA具體實(shí)施步驟8 失效被發(fā)現(xiàn)程度26FMECA具體實(shí)施步驟9 計(jì)算每種失效的危害度CR或者RPN10填寫(xiě)表格27FMECA具體實(shí)施步驟28FMECA具體實(shí)施步驟29FMECA具體實(shí)施步驟302 故障樹(shù)分析（FTA)312 故障樹(shù)分析 故障樹(shù)分析(Fault Tree Analysis)常記作FTA，它是一種評(píng)價(jià)復(fù)雜系統(tǒng)可靠性和安全性

9、的一種方法。它以系統(tǒng)不希望發(fā)生的一個(gè)事件（頂事件）作為分析目標(biāo)，使用演繹法找出這一頂事件發(fā)生的原因事件組合（稱(chēng)為最小割集），并求其概率。 從“果”到 “因”進(jìn)行可靠性分析，采用圖形來(lái)表示形成了一種樹(shù)狀結(jié)構(gòu)。從故障的角度去分析系統(tǒng)的可靠性，能完成可靠性框圖的分析任務(wù)，還能分析故障的傳播路線和故障源，更具有優(yōu)越性。32故障樹(shù)分析法主要特點(diǎn)是一種圖形演繹法；能反映系統(tǒng)外部的因素；把系統(tǒng)故障與系統(tǒng)各單元的故障聯(lián)系一起；常用于分析復(fù)雜系統(tǒng)，應(yīng)借助計(jì)算機(jī)軟件；比可靠性框圖法更實(shí)用、靈活、直觀；困難在于建樹(shù)時(shí)，找單元的所有故障模式，難免有遺漏。2 故障樹(shù)分析 33故障樹(shù)分析法步驟選擇合理的頂事件；建造故障樹(shù)

10、；簡(jiǎn)化故障樹(shù)；求故障樹(shù)頂事件的故障模式（最小割集）定性分析；定量分析；對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，修改；2 故障樹(shù)分析 34明確定義分析對(duì)象和其它部分的邊界，抓住重點(diǎn)又不漏掉“不重要”事件，進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化建樹(shù)；故障事件（失效模式）應(yīng)明確定義，指明故障是什么，在何種條件下發(fā)生，即有唯一解，切忌模棱兩可，含糊不清；建樹(shù)過(guò)程從上向下逐級(jí)建樹(shù)，循序漸進(jìn)，防止“躍進(jìn)”，找全找準(zhǔn)事件原因，禁防錯(cuò)漏現(xiàn)象發(fā)生；不允許門(mén)-門(mén)直接相連，中間一定要有事件連接；建樹(shù)后進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，注意既不能使故障夸大又不能丟掉正確內(nèi)容。故障樹(shù)分析法的基本原則2 故障樹(shù)分析 352.1故障樹(shù)基本術(shù)語(yǔ)及符號(hào) 頂事件：位于故障樹(shù)的頂端，是邏輯門(mén)的輸出

11、，用“矩形”符號(hào)表示。 中間事件：除了頂事件以外的其它結(jié)果事件,位于頂事件和底事件之間，用“矩形”符號(hào)表示。底事件：位于故障樹(shù)底部的事件，是故障樹(shù)中某個(gè)邏輯門(mén)的輸入事件，用“圓形”符號(hào)表示。菱形事件：表示準(zhǔn)底事件或稱(chēng)非基本事件（省略事件），用“菱形”符號(hào)表示。條件事件：表示當(dāng)橢圓形中注明的條件事件發(fā)生時(shí)，邏輯門(mén)的輸入才有效，輸出才有結(jié)果。用“橢圓”符號(hào)表示。事件及其符號(hào) 362.1故障樹(shù)基本術(shù)語(yǔ)及符號(hào) 邏輯門(mén)符號(hào) 與門(mén)：表示僅當(dāng)所有輸入事件同時(shí)發(fā)生，門(mén)的輸出事件才發(fā)生。 或門(mén)：表示所有輸入事件中，至少有一個(gè)輸入事件發(fā)生時(shí)，門(mén)的輸出事件就發(fā)生。 異或門(mén)：表示或門(mén)中的輸入事件是互相排斥的，即當(dāng)單個(gè)

12、輸入事件發(fā)生時(shí)，其它都不發(fā)生，則輸出事件才發(fā)生。 邏輯禁門(mén)：表示僅當(dāng)禁門(mén)打開(kāi)的條件事件發(fā)生時(shí)，輸入事件的發(fā)生才導(dǎo)致門(mén)的輸出事件發(fā)生。372.2 建造故障樹(shù) 從建樹(shù)的基本原理與思路來(lái)分，目前常用的方法有以下幾種：演繹法合成法（STM）決策表法（DTM）382.2 建造故障樹(shù) 演繹法：主要用于人工建樹(shù)。首先應(yīng)選擇一個(gè)系統(tǒng)故障作為分析目標(biāo)（頂事件）。然后找出直接導(dǎo)致頂事件發(fā)生的各種可能的因素及其組合，這些因素包括功能故障、部件不良、程序錯(cuò)誤、人為失誤及外界環(huán)境的影響等。進(jìn)一步分析各種影響故障發(fā)生的原因，遵循此格式逐級(jí)演繹，一直到找出各自的基本事件為止。綜合起來(lái)就形成了一棵故障樹(shù)。39Example設(shè)

13、有一簡(jiǎn)單的照明電路，由電源開(kāi)關(guān)、保險(xiǎn)絲、導(dǎo)線和燈泡組成，試以室內(nèi)失明為系統(tǒng)故障，建立一故障樹(shù)。解：該故障樹(shù)的基本事件有：開(kāi)關(guān)合不上E1；燈絲燒斷E2；電源故障E3；保險(xiǎn)絲燒斷E4和導(dǎo)線斷路E5等五種，而中間事件是電源斷路，頂事件是室內(nèi)失明。而各基本事件都是通過(guò)“或門(mén)”達(dá)到頂事件的，這表明任何一個(gè)基本事件的發(fā)生都將導(dǎo)致頂事件的發(fā)生。 40Example (Continued)41建立家用洗衣機(jī)的“波盤(pán)不轉(zhuǎn)”故障模式即波盤(pán)不能攪水故障的故障樹(shù)。解：建樹(shù)過(guò)程有多層次的中間事件，需一一進(jìn)行分解，同時(shí)要注意“或門(mén)”，“與門(mén)”的應(yīng)用。 Example42Example (Continued)432.2 建

14、造故障樹(shù) 合成法：適宜于計(jì)算機(jī)自動(dòng)建樹(shù)。在部件故障分析的基礎(chǔ)上，通過(guò)計(jì)算機(jī)將一些分散的子故障樹(shù)（Mini Fault Tree)按一定的分析要求繪成所要求的故障樹(shù)。只要子故障樹(shù)一定，由合成法得到的故障樹(shù)總是一定的。這種方法不能考慮二次故障和部件有反饋?zhàn)饔玫墓收喜考?。同時(shí)它也不能考慮分析系統(tǒng)中對(duì)系統(tǒng)的環(huán)境條件或人為失誤的彌補(bǔ)，而只能針對(duì)硬件系統(tǒng)故障而建造故障樹(shù)。44452.2 建造故障樹(shù) 決策表法：系統(tǒng)各個(gè)部件可以有許多狀態(tài)，而各部件所處的狀態(tài)又與許多輸入因素有關(guān)，每個(gè)狀態(tài)為一個(gè)輸入事件。把每個(gè)部件的輸入事件與輸出事件的關(guān)系列一個(gè)表，稱(chēng)為決策表（Decision Table） 。建樹(shù)時(shí)將系統(tǒng)按輸

15、入和輸出的連接點(diǎn)劃分開(kāi)，并確定頂事件與有關(guān)的邊界條件。可以任意確定部件的狀態(tài)數(shù)目，多態(tài)系統(tǒng)及參量，并且不僅用于電路，還可用于各種系統(tǒng)，只要能描述出它們的輸入和輸出的關(guān)系即可。46Example一有反饋調(diào)節(jié)的熱交換系統(tǒng)。試用決策表法建立故障樹(shù)（高，正常，零，過(guò)低）=（+1，0，-1，-2）（運(yùn)轉(zhuǎn)正常，停轉(zhuǎn)）=（N，F(xiàn)）47Example(Continued)48Example(Continued)49Example(Continued)50Example(Continued)51Example(Continued)52Example(Continued)53Example(Continued)5

16、42.3 故障樹(shù)的結(jié)構(gòu)函數(shù) 552.3 故障樹(shù)的結(jié)構(gòu)函數(shù) 562.3 故障樹(shù)的結(jié)構(gòu)函數(shù) 與門(mén)結(jié)構(gòu)故障樹(shù)的結(jié)構(gòu)函數(shù)或門(mén)結(jié)構(gòu)故障樹(shù)的結(jié)構(gòu)函數(shù)572.3 故障樹(shù)的結(jié)構(gòu)函數(shù)582.3 故障樹(shù)的結(jié)構(gòu)函數(shù)故障樹(shù)的結(jié)構(gòu)函數(shù) 592.4 故障樹(shù)的最小割集計(jì)算法 割集：使頂事件發(fā)生的底事件的集合，當(dāng)這些底事件都發(fā)生時(shí)，則頂事件必然發(fā)生。 最小割集：如果割集中的任何一個(gè)底事件不發(fā)生，頂事件就不發(fā)生時(shí)。602.4 故障樹(shù)的最小割集計(jì)算法 割集：G1,X1G4,G1x1G4最小割集：G1,X1G461兩種求取故障樹(shù)中最小割集的方法 布爾代數(shù)化簡(jiǎn)法 用布爾代數(shù)來(lái)分析，或門(mén)是邏輯“共”的運(yùn)算；與門(mén)是邏輯“交”的運(yùn)算。故障

17、樹(shù)可以用布爾代數(shù)進(jìn)行邏輯運(yùn)算。矩陣列表法 對(duì)一棵故障樹(shù)，可以從頂事件的輸入門(mén)開(kāi)始，將各個(gè)邏輯門(mén)的輸入排成一個(gè)小矩陣。從上到下，從左到右，逐個(gè)進(jìn)行。或門(mén)的輸入排成一列，與門(mén)的輸入排成一行，一直到排完為止，這樣就可以得到全部割集。 2.4 故障樹(shù)的最小割集計(jì)算法 62布爾代數(shù)化簡(jiǎn)法 2.4 故障樹(shù)的最小割集計(jì)算法 63布爾代數(shù)化簡(jiǎn)法 2.4 故障樹(shù)的最小割集計(jì)算法 64矩陣列表法 2.4 故障樹(shù)的最小割集計(jì)算法 求割集65矩陣列表法 2.4 故障樹(shù)的最小割集計(jì)算法 66Example試用以上兩種方法，求圖中故障樹(shù)的最小割集，并畫(huà)出其等效故障樹(shù)。67布爾代數(shù)法Example (Continued)6

18、8矩陣列表法 Example (Continued)69簡(jiǎn)化后的故障樹(shù) Example (Continued)702.5 最小割（路）集表示的結(jié)構(gòu)函數(shù) 最小割集表示的結(jié)構(gòu)函數(shù)712.6 失效概率的計(jì)算 在用故障樹(shù)計(jì)算失效概率，也就是求取頂事件發(fā)生的概率。通過(guò)對(duì)故障樹(shù)的最小割集計(jì)算并消除了割集中的重復(fù)事件以后，就可以估算頂事件發(fā)生的概率。計(jì)算中，對(duì)“或門(mén)”的處理用概率加法公式，對(duì)“與門(mén)”的處理用概率乘法 公式來(lái)實(shí)現(xiàn)。72故障樹(shù)中的或門(mén)相當(dāng)于可靠性框圖中的串聯(lián)。或門(mén)輸出事件的可靠度為失效率為 2.6 失效概率的計(jì)算 73在故障樹(shù)中的與門(mén)相當(dāng)于可靠性框圖中的并聯(lián)。與門(mén)輸出事件的可靠度為 失效率為2.

19、6 失效概率的計(jì)算 74試計(jì)算下圖故障樹(shù)頂事件的失效率。已知系統(tǒng)工作到t=1000hr，基本事件的失效率Example75或門(mén)和的輸出事件失效率 與門(mén)輸出事件的失效率式中， 故 所以， 763. FMECA與FTA綜合分析方法 將FMECA和FTA結(jié)合起來(lái)的FTF方法， 可以采用先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行FMECA，再進(jìn)行 FTA的正向FTF方法，也可以采用先對(duì)系 統(tǒng)進(jìn)行FTA，然后進(jìn)行FMECA的逆向FTF 方法。 77FTF方法的實(shí)施步驟 3. FMECA與FTA綜合分析方法 78正向與逆向 FTF方法的實(shí)施步驟正向FTF方法的具體步驟 ： 定義系統(tǒng)填FMEA表填CA表按FMEA結(jié)果 選擇頂事件建故障樹(shù)按CA結(jié)果進(jìn)行FTA的失 效概率分 析計(jì)算結(jié)論提出改進(jìn)措施。 逆向FTF方法的實(shí)施步驟： 定義系統(tǒng)選擇頂事件建立故障樹(shù)進(jìn)行FTA定 性分析對(duì)故障樹(shù)中的重要底事件進(jìn)行FMEA分