第五章故障類型、影響及危險度分析

西安建筑科技大學安全研究所2內容提要概述FMECA的定義、目的和作用FMECA的方法FMECA的步驟故障類型和影響分析危險度分析應用案例3概述元部件的故障對系統可造成重大影響災難性的影響挑戰者升空爆炸——發動機液體燃料管墊圈不密封致命性的影響起落架上位鎖打不開以往設計師依靠經驗判斷元部件故障對系統的影響依賴于人的知識和工作經驗系統的、全面的和標準化的方法—FMECA設計階段發現對系統造成重大影響的元部件故障設計更改、可靠性補償是可靠性、維修性、保障性和安全性設計分析的基礎4基本概念及格式故障：指系統或元素在運行過程中，因為性能低下而不能實現預定的功能的現象。故障類型指系統中相同的組成部分和元素所發生故障的不同形式。

——故障類型是故障的表現形式，如起落架撐桿斷裂、收放不到位等。一般可從五個方面來考慮：運行過程中的故障；過早地啟動；規定的時間內不能起動；規定的時間內不能停車；運行能力降級、超量或受阻。危險度：危險度分析是對系統中組成部分和元素的不同故障類型危險程度（危險度）的分析。5典型故障類型GJB1391《故障類型、影響及危險度分析》序號故障類型序故障類型序號故障類型1結構破損12超出允許下限23滯后運行2機械性卡住13間斷運行24輸入量過大3振動14運行不穩定25輸入量過小4不能保持在制定位置上15意外運行26輸出量過大5不能開啟16錯誤指示27輸出量過小6不能關閉17流動不暢28無輸入7誤開18假運行29無輸出8誤關19不能開機30電短路9內部漏泄20不能關機31電開路10外部漏泄21不能切換32漏電11超出允許上限22提前運行33其他6機械產品典型故障類型

故障類型可分為以下七大類：損壞型：如斷裂、變形過大、塑性變形、裂紋等。退化型：如老化、腐蝕、磨損等。松脫性：松動、脫焊等失調型：如間隙不當、行程不當、壓力不當等。堵塞或滲漏型：如堵塞、漏油、漏氣等。功能型：如性能不穩定、性能下降、功能不正常。其他：潤滑不良等。7基本概念及格式故障原因（FailureCause）是指導致系統、元件等形成故障類型的過程與機理，造成系統、元件發生故障的原因。常見的故障原因有：設計上的缺陷：由于設計采取的原則、技術路線等不當，帶來先天性的缺陷，或由于圖紙不完善或由錯誤制造上的缺陷：加工方法不當或組裝方面的失誤質量管理方面的缺陷：檢查不夠或失誤以及工程管理不當等使用上的缺陷：誤操作或未按設計規定條件操作維修方面的缺陷：維修操作失誤或檢修程序不當等故障結果（FailureEffect）：元件、組件的故障類型對元件、組件本身及系統操作、功能或狀態產生的后果。8基本概念及格式故障等級：是衡量故障對系統任務、人員和財務安全造成影響的尺度。故障等級評定從以下幾個方面考慮：故障影響大小對系統造成影響的范圍故障發生的頻率防止故障的難易是否需要重新設計9FMECA的概念FMECA的定義故障類型和影響、危險度分析(FailureMode,EffectsandCriticalityanalysis,簡記為FMECA)是分析系統中每一產品所有可能產生的故障類型及其對系統造成的所有可能影響，并按每一個故障類型的嚴重程度及其發生概率予以分類的一種歸納分析方法。FMECA是一種自下而上的歸納分析方法；FMEA和CA。FMECA的目的從產品設計（功能設計、硬件設計、軟件設計）、生產（生產可行性分析、工藝設計、生產設備設計與使用）和使用發現各種影響產品可靠性的缺陷和薄弱環節，為提高產品的質量和可靠性水平提供改進依據。10FMECA作用保證有組織地定性找出系統的所有可能的故障類型及其影響，進而采取相應的措施。為制定關鍵項目和單點故障等清單或可靠性控制計劃提供定性依據。為可靠性（R）、維修性（M）、安全性（S）、測試性（T）和保障性（S）工作提供一種定性依據。為制定試驗大綱提供定性信息。為確定更換有壽件、元器件清單提供使用可靠性設計的定性信息。為確定需要重點控制質量及工藝的薄弱環節清單提供定性信息。可及早發現設計、工藝中的各種缺陷。11FMECA的步驟12FMEA概括圖FMEA過程評估設計辨識潛在的故障類型評估已識別每個故障類型的影響建立文件

輸入信息設計知識關于故障的知識故障類型故障率

輸出信息故障類型結果可靠性預測危險與風險危險度清單13明確系統的情況和目的確定分析的層次建立故障類型清單繪制功能框圖和可靠性框圖分析故障類型和影響評定故障等級研究故障檢測方法提出預防措施填寫FMEA表FMEA分析步驟14故障類型等級的劃分方法1）直接判斷法。這種方法是根據故障類型對系統功能、人員及財產損失影響的嚴重程度來劃分的。其劃分原則如表。級別危害程度危害后果一級可忽略不會造成人員傷害和系統損壞二級臨界的可能會造成人員傷害和系統損壞，但可排除和控制三級危險的會造成人員傷害和系統損壞，需立即采取控制措施四級破壞性的的會造成人員傷害和系統嚴重損壞，必須設法消除15故障類型等級的劃分方法2)風險矩陣法是綜合考慮故障發生的可能性和發生后引起后果嚴重度兩個方面的因素來確定故障的等級。這種劃分標準稱風險率。其方法是將故障概率和嚴重度都分為四個等級，劃分原則如下：A.嚴重度：是指故障類型對系統功能的影響程度，分級如下表嚴重度等級內容嚴重度等級內容Ⅰ低的對系統任務無影響對子系統造成的影響可忽略不計通過調整故障易于消除Ⅲ關鍵的系統的功能有所下降子系統功能嚴重下降出現的故障不能立即通過檢修予以修復Ⅱ主要的對系統的任務雖有影響但可忽略導致子系統的功能下降出現的故障能夠立即修復Ⅳ災難的系統功能嚴重下降子系統功能全部喪失出現的故障需經徹底修理才能消除16故障類型等級的劃分方法B.故障概率：一般按統計時間內的實際故障次數除以統計區間內實際工作小時數進行計算。級別故障出現可能性故障概率級別故障出現可能性故障概率A非常容易發生10-1D不容易發生10-4B容易發生10-2E難以發生10-5C較容易發生10-3F極難發生10-617風險率矩陣圖故障概率12341234嚴重度故障類型等級的劃分方法18故障概率和嚴重度等級確定后，以故障概率為縱坐標，嚴重度為橫坐標，畫出風險矩陣圖。沿矩陣原點到右上角畫一條對角線，以對角線為軸線，軸線兩邊是對稱的。如果知道了某一故障類型的概率和嚴重度等級，將其填入矩陣圖中，就可以確定故障類型風險率或等級大小。處在右上角方塊內的故障類型風險率最大，這是因為該故障類型發生的概率高且后果嚴重。依次左移，風險率逐漸降低，因為故障類型發生的概率雖然高，但造成的后果的嚴重度卻逐漸降低；同樣從右上方依次下移，風險率也逐漸降低，雖然故障類型造成的后果嚴重，但因為發生的概率很少，綜合兩方面因素風險率也就降低了。故障類型等級的劃分方法19FMEA應用舉例電機運行系統故障類型和影響分析一電機運行系統如圖所示，該系統是一種短時運行系統，如果運行時間過長則可能引起電線過熱或者電機過熱、短路。對系統中主要元素進行故障類型及影響分析。電機運行系統示意圖20電機運行系統故障類型和影響分析元素故障類型可能的原因對系統的影響按鈕卡住機械故障電機不轉接點斷不開機械故障人員沒放開按鈕電機運轉時間過長短路會燒毀保險絲繼電器接點不閉合機械故障電機不轉接點不斷開機械故障經過接點電流過大電機運轉時間過長短路會燒毀保險絲保險絲不熔斷質量問題保險絲過粗短路是不能斷開短路電機不轉質量問題按鈕卡住繼電器接點不閉合喪失系統功能短路質量問題運轉時間不長電路電流過大，燒毀保險絲，使繼電器接點粘連21空氣壓縮機儲罐的故障類型和影響分析空氣壓縮機的儲罐屬于壓力容器，其功能是儲存空氣壓縮機產生的壓縮空氣。這里僅考慮儲罐的罐體和安全閥兩個元素的故障類型及其影響。故障類型故障的影響故障原因故障的識別校正措施輕微漏氣能耗增加接口不嚴漏氣噪聲，空壓機頻繁打壓加強維修保養嚴重漏氣壓力迅速下降焊接裂隙壓力表讀數下降，巡回檢查停機修理破裂壓力迅速下降、損傷人員設備材料缺陷、受沖擊等壓力表讀數下降，巡回檢查停機修理儲氣罐的故障類型和影響分析22危險度分析危險度分析的目的在于評價每種故障類型的危險度。一般采用概率—嚴重度來評價故障類型的危險度。23起重機的故障類型和影響、危險度分析（部分）項目構成元素故障模式故障影響危險程度故障發生概率檢查方法校正措施注意事項防止過卷裝置電氣零件機械部分安裝螺栓動作不可靠變形、生銹松動誤動作破損誤、欠動作大中小10-210-410-3通電檢查觀察觀察立即修理警惕立即修理鋼絲繩繩鋼絲變形、扭結15%切斷切斷切斷中大10-410-1觀察觀察立即更換立即更換注：危險程度大（危險）中（臨界）小（安全）校正措施立即停止作業看準機會修理注意發生概率非常容易發生1×10-1

容易發生1×10-2

偶爾發生1×10-3

不常發生1×10-4

幾乎不發生1×10-5

很難發生1×10-624實施FMECA應注意的問題強調“誰設計、誰分析”的原則“誰設計、誰分析”的原則，也就是產品設計人員應負責完成該產品的FMECA工作，可靠性專業人員應提供分析必須的技術支持。實踐表明，FMECA工作是設計工作的一部分。“誰設計、誰分析”、及時改進是進行FMECA的宗旨，是確保FMECA有效性的基礎，也是國內外開展FMECA工作經驗的結晶。如果不由產品設計者實施FMECA，必然造成分析與設計的分離，也就背離了FMECA的初衷。25實施FMECA應注意的問題重視FMECA的策劃實施FMECA前，應對所需進行的FMECA活動進行完整、全面、系統地策劃，尤其是對復雜大系統，更應強調FMECA的重要性。其必要性體現在以下幾方面：結合產品研制工作，運用并行工程的原理，對所需的FMECA進行完整、全面、系統地策劃，將有助于保證FMECA分析的目的性、有效性，以確保FMECA工作與研制工作同步協調，避免事后補做的現象。對復雜大系統，總體級的FMECA往往需要低層次的分析結果作為輸入，對相關分析活動的策劃將有助于確保高層次產品FMECA的實施。FMECA計劃階段事先規定的基本前提、假設、分析方法和數據，將有助于在不同產品等級和承制方之間交流和共享，確保分析結果的一致性、有效性和可比性。26實施FMECA應注意的問題保證FMECA的實時性、規范性、有效性實時性。FMECA工作應納入研制工作計劃、做到目的明確、管理務實；FMECA工作與設計工作應同步進行，將FMECA結果及時反饋給設計過程。規范性。分析工作應嚴格執行FMECA計劃、有關標準/文件的要求。分析中應明確某些關鍵概念，比如：故障檢測方法是系統運行或維修時發現故障的方法；嚴酷度是對故障模式最終影響嚴重程度的度量，危害度是對故障模式后果嚴重程度的發生可能性的綜合度量，兩者是不同的概念，不能混淆。有效性。對分析提出的改進、補償措施的實現予以跟蹤和分析，以驗證其有效性。這種過程也是積累FMECA工程經驗的過程。27實施FMECA應注意的問題FMECA的剪裁和評審FMECA作為常用的分析工具，可為可靠性、安全性、維修性、測試性和保障性等工作提供信息，不同的應用目的可能得到不同的分析結果。各單位可根據具體的產品特點和任務對FMECA的分析步驟、內容進行補充，剪裁，并在相應文件中予以明確。28實施FMECA