故障模式和影响分析

　　故障模式和影响分析（ Failure Model and Effects Analysis ，简称 FMEA ）是对系统各组成部分、组件进行分析的重要方法，他是由可靠性工程发展起来的。这种方法主要分析系统中各子系统及组件可能发生的各种故障模式，查明各种类型故障对邻近子系统或组件的影响以及最终对系统的影响，提出可能采取的预防改进措施，以提高系统的可靠性和安全性。

　　早期的故障模式和影响分析只能做定性分析，后来在分析中包括了故障发生难易程度或发生概率的评价，从而把他与致命度分析（ Critical Analysis ）结合起来，构成故障模式和影响、致命度分析（ FMECA ）。这样，若确定了每个组件的故障发生概率，就可以确定设备、系统或装置的故障发生概率，从而定量地描述故障的影响。

　　（一）故障模式

　　系统、子系统或组件在运行过程中，由于性能低劣而不能完成规定的功能时，则称为故障发生。

　　系统或组件发生故障的机理十分复杂，故障机理是指诱发零件、产品、系统发生故障的物理与化学过程、电学与机械学过程，也可以说是形成故障源的原因。换句话说，就是要考虑某个故障模式是如何发生的，以及他们发生的可能性有多大。

　　故障模式是从不同表现形态来描述故障的，故障模式是由不同故障机理显现出来的各种故障现象的表现形式。因此，一个系统或一个组件往往有多种故障模式。

　　从可靠性的定义出发，系统或组件的故障模式，一般可从五个方面来考虑：①运行过程中的故障；②提前动作；③在规定的时间不动作；④在规定的时间不停止；⑤运行能力下降、超量或受阻。

　　一般说来，产品或系统不同，故障模式也不同，上述五类故障模式进一步细化如表 3-1-4 所示。

表 3-1-4 一般故障模式

　　表 3-1-4 介绍了各种不同的故障模式，但产品不同，故障模式也不同。例如汽车、钢轨等机械产品的故障模式表现为磨损、疲劳、折断、冲击、变形、破裂等。

　　只有及时了解和掌握产品、设备、组件的故障模式、产生原因及其影响，才能正确地采取相应措施。若忽略了某些故障模式，则这些故障可能因为没有采取防止措施而引发事故。

　　（二）分析程序

　　故障模式和影响分析程序如下：

　　1 ．掌握和了解对象系统

　　对故障模式和影响进行分析之前，必须掌握被分析对象系统的有关资料，以确定分析的详细程度。确定对象系统的边界条件包括以下内容：

　　•了解作为分析对象的系统、装置或设备。

　　•确定分析系统的物理边界，划清对象系统、装置、设备与子系统、设备的界线，圈定所属的元素（设备、组件）。

　　•确定系统分析的边界，应明确两方面的问题：

　　•分析时不需考虑的故障模式、运行结果、原因或防护装置等，如分析故障原因时不考虑飞机坠落到系统外和地震、龙卷风等对系统的影响；

　　•最初的运行条件或元素状态等，例如对于初始运行条件，在正常情况下阀门是开启还是关闭的必须清楚。

　　•收集元素的最新资料，包括其功能、与其它元素之间的功能关系等。

　　分析的详细程度取决于被分析系统的规模和层次。例如，选定载运工具作为对象系统时，故障模式和影响分析应着眼于组成载运工具的各个系统，如制动系统、转向系统、传动系统等，对这些系统的故障模式及其对载运工具的影响进行分析。当把构成载运工具的某个子系统作为对象系统时，应对构成该子系统的部件的故障模式及其影响进行分析。当以某一部件为分析对象时，则应对该部件的各组成零件进行故障模式及其对部件的影响进行分析。当然，分析各层次故障模式和影响时，最终都要考虑他们对整个系统（载运工具）的影响。

　　2 ．对系统组件（元素）的故障模式和产生原因进行分析

　　在对系统组件的故障模式进行分析时，要将其看作是故障原因产生的结果。首先，找出所有可能的故障模式，同时尽可能找出每种故障模式的所有原因，然后确定系统组件的故障模式。故障模式的确定，可依据以下两方面：

　　•若分析对象是已有元素，则可根据以往运行经验或试验情况确定元素的故障模式。

　　•若分析对象是设计中的新元素，则可以参考其它类似元素的故障模式，或者对元素进行可靠性分析来确定元素的故障模式。

　　一般来说，一个元素至少有 4 种可能的故障模式：意外运行；运行不准时；停止不及时；运行期间故障。

　　为了区分故障模式和故障原因，必须明确元素的故障是故障原因对元素功能影响的结果。故障原因可以从内部原因和外部原因两个方面来分析。

　　在分析时要把元素进一步分解为若干组成部分，如机械部分、电气部分等，然后研究这些部分的故障模式（内部原因）和这些部分与外界环境之间的功能关系，找出可能的外部原因。一般来说，外部原因主要是元素运行的外部条件方面的问题，同时也包括邻近的其它元素的故障。

　　3 ．故障模式对系统和组件的影响

　　故障模式的影响是指系统正常运行的状态下，详细地分析一个元素各种故障模式对系统的影响。分析过程的基本出发点，不是从故障已发生开始考虑，而是分析现有设计方案，会有哪种故障发生，即对每一种输出功能的偏差，预测可能发生的故障，对部件、子系统、系统有什么影响及其程度，列出可能发生的全部故障模式。

　　故障模式的影响可以从下面三种情况来分析：

　　•元素故障类型对相邻元素的影响，该元素可能是其它元素故障的原因。

　　•元素故障类型对整个系统的影响，该元素可能是导致重大故障或事故的原因。

　　•元素故障类型对子系统及周围环境的影响。

　　4 ．汇总结果和提出改正措施。

　　根据故障类型和影响分析表，系统地、全面和有序地进行分析，最后将分析结果汇总于表中，可以一目了然地显示全部分析内容。根据研究对象和分析的目的，故障类型和影响分析表可设置成多种形式。表 3-1-5 为美国杜帮公司的 FMEA 表。

表 3-1-5 美国杜帮公司的 FMEA 表

　　危险重要度：⑴安全 ⑵临界状态 ⑶不安全

　　（三）故障模式和影响、致命度分析

　　故障模式和影响、致命度分析包括故障模式和影响以及致命度分析。致命度分析的目的在于评价每种故障类型的危险程度。通常，采用概率 — 严重度来评价故障模式的危险度。概率是指故障模式发生的概率，严重度是指故障后果的严重程度。采用该方法进行致命度分析时，通常把概率和严重度分别划分为若干等级。如美国杜帮公司把概率划分为 6 个等级：非常容易发生 — 1×10^-1，容易发生 — 1×10^-2，较常发生 —1×10^-3，不易发生 — 1×10^-4，难以发生 — 1×10^-5，极难发生 —1×10^-6；把危险程度划分为 3 个等级：大 — 危险，中 — 临界，小 — 安全。

　　当用致命度指标来评价时，可按下式计算：

　　 　　　(3-1-1)

　　式中C—— 致命度指数。表示相应系统组件每 100 万次运行造成系统故障的次数；

　　n—— 导致系统重大故障或事故的故障类型数目；

　　i—— 致命性故障模式的第i个序号；

　　λ—— 元素的基本故障率；

　　t—— 元素的运行时间；

　　k₁—— 实际运行状态的修正系数；

　　k₂—— 实际运行环境条件的修正系数；

　　α—— 导致系统重大故障或事故的故障类型数目占全部故障类型数目的比例；

　　β—— 导致系统重大故障或事故的故障类型出现时，系统发生重大故障或事故的概率，其参考值如表 3-1-6 所示。

表 3-1-6     β参考值