第四章失效模式后果與嚴(yán)重度分析第一頁(yè)，共49頁(yè)。

研究產(chǎn)品失效的方法，當(dāng)前世界上主要使用兩種：

(1)故障（失效）模式、后果與嚴(yán)重度分析（FMECA）

失效模式與后果分析（FMEA）

FailureModeandEffectAnalysis失效嚴(yán)重度分析（CA）CatastrophicAnalysis(2)故障樹(shù)分析(FTA)

FailureTreeAnalysis第二頁(yè)，共49頁(yè)。2§4-1概述1.失效（故障）：產(chǎn)品喪失規(guī)定的功能。例如，半球牌遠(yuǎn)紅外線自動(dòng)電烤箱（組成：電源線、控溫器、電熱器、定時(shí)器、指示燈等)為例說(shuō)明。

2.失效模式：失效或故障的形式。按產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)整理，有以下故障模式

第三頁(yè)，共49頁(yè)。3電源線故障(1)電源線插頭與屋內(nèi)插座接觸不良；(2)電源線內(nèi)部斷開(kāi)；(3)控溫器觸點(diǎn)燒壞（斷路）；

(4)控溫器觸點(diǎn)熔接一起（短路）；(5)控溫器觸點(diǎn)接觸不良；

(6)控溫器控溫旋鈕緊固螺釘松開(kāi)；

控溫器故障(7)電熱器燒斷（斷路）；

(8)電熱器接觸不良（斷路）；

(9)電熱器轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)無(wú)彈性（斷路）；

電熱器故障(10)定時(shí)器機(jī)械裝置有病；——

定時(shí)故障(11)指示燈燈泡壞了；

(12)指示器接線壞了等。

顯示故障第四頁(yè)，共49頁(yè)。43.失效（故障）模式的分類(lèi)1、損壞型故障模式：裂紋、塑性變形、斷裂等2、退化型故障模式：老化、變質(zhì)、表面防護(hù)脫落等3、松脫型故障模式：松動(dòng)、脫開(kāi)、脫焊等4、失調(diào)型故障模式：間隙不適、流量不當(dāng)、壓力不當(dāng)?shù)?、堵塞和滲漏型故障模式：堵、滲、漏等6、功能型故障模式：功能不正常、功能不穩(wěn)定等7、其它類(lèi)型故障模式：潤(rùn)滑不良等4.失效（故障）模式的比率故障模式比率—產(chǎn)品出現(xiàn)失效模式的百分比。進(jìn)一步分析失效原因，采取預(yù)防措施的可靠依據(jù)第五頁(yè)，共49頁(yè)。5軸承離合器連接器齒輪發(fā)電機(jī)電位器繼電器腐蝕18.7-6.3-6.327.512.3蠕變-------形變2.56.623.7202.1-0.4侵蝕3.1------疲勞4.4-1.7---2.3摩擦10.6---1.5-2.6氧化-------絕緣--1.6-12.31012.3裂痕0.5------磨損60.283.48.16025.1252.4斷裂-10.047.1204.61517.5其它--11.5-16.122.511.9例如：幾種機(jī)械零部件的失效模式及其比率第六頁(yè)，共49頁(yè)。6失效后果是指一個(gè)部件失效時(shí)對(duì)整機(jī)所產(chǎn)生的影響。如上述電烤箱的失效模式產(chǎn)生以下后果：(讀產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)最后一頁(yè))

⑴烤箱不發(fā)熱，指示燈不亮(II),

(2)烤箱不發(fā)熱，指示燈亮(II),5.失效后果(3)烤箱發(fā)熱，指示類(lèi)不亮(III),(4)烤箱發(fā)熱，控溫器失靈(III),

(5)烤箱發(fā)熱，定時(shí)器失靈(IV)。第七頁(yè)，共49頁(yè)。76.嚴(yán)重度（危害度）：失效后果的嚴(yán)重程度

嚴(yán)重度與故障等級(jí)有較大的關(guān)系，故障等級(jí)分為四級(jí):IV—次要的?？捎闷渌椒ǎɑ蛴?jì)劃外維修）保證系統(tǒng)的性能不變。I—災(zāi)難性的。造成機(jī)毀人亡后果；II—嚴(yán)重的。系統(tǒng)工作失效；III—一般的。系統(tǒng)性能下降；可見(jiàn)電烤箱失效后果的嚴(yán)重度為:IV用表計(jì)時(shí)代之可很好工作工作不好III、III、不能工作II、II、第八頁(yè)，共49頁(yè)。8失效等級(jí)：第九頁(yè)，共49頁(yè)。9汽車(chē)故障等級(jí)劃分美國(guó)空軍對(duì)飛行事故的等級(jí)劃分第十頁(yè)，共49頁(yè)。10§4-2失效模式與后果分析(FMEA和FMECA)一、FMEA及FMECA的概念

FMEA是用以找出產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)和設(shè)備設(shè)計(jì)等階段中的缺點(diǎn)或潛在的缺陷。FMEA為失效模式與后果分析，CA為嚴(yán)重度分析，合起來(lái)為FMECA。1.FMEA的含義進(jìn)而分析各組成元素的故障模式及其對(duì)上一層次結(jié)構(gòu)乃至系統(tǒng)產(chǎn)生故障影響的一種方法。第十一頁(yè)，共49頁(yè)。112.FMEA的特點(diǎn)(1)FMEA是一種自下而上（由元件到系統(tǒng)）的失效因果關(guān)系的分析程序，旨在不漏掉一個(gè)后果嚴(yán)重的故障模式。(2)FMEA是一種定性分析手段。它使用統(tǒng)計(jì)表格來(lái)進(jìn)行分析，可不使用數(shù)學(xué)工具。第十二頁(yè)，共49頁(yè)。12

簡(jiǎn)單、易行、便于掌握和推廣，在沒(méi)有數(shù)據(jù)時(shí)，只要有關(guān)人員具有一定的工程經(jīng)驗(yàn)均可進(jìn)行該項(xiàng)工作，因此花錢(qián)不多，實(shí)際效果好，深受廣大工程技術(shù)人員歡迎。

3.FMEA的局限性和優(yōu)點(diǎn)

是一種單因素分析法。即把影響系統(tǒng)失效的單個(gè)元件的失效看做是獨(dú)立的，而研究某一個(gè)失效模式對(duì)系統(tǒng)的影響時(shí)，是將其作為系統(tǒng)中唯一存在的失效來(lái)考慮的。這種方法難以分析幾種因素同時(shí)起作用才能導(dǎo)致的某種后果。(1)FMEA的局限性(2)FMEA的優(yōu)點(diǎn)第十三頁(yè)，共49頁(yè)。13FMEA主要應(yīng)用于設(shè)計(jì)的每一個(gè)階段，另外也可用于預(yù)防維修和工藝監(jiān)督檢查等方面。4.FMEA的發(fā)展及主要應(yīng)用方面在FMEA的基礎(chǔ)上，再加一層判定被統(tǒng)計(jì)故障模式后果危害度的任務(wù)，就變成了FMECA，稱(chēng)故障模式、后果與嚴(yán)重度分析或故障模式，后果與危害度分析。FMEA應(yīng)用：FMEA的發(fā)展：第十四頁(yè)，共49頁(yè)。14設(shè)計(jì)各階段的FMEA為：方案設(shè)計(jì)和中間設(shè)計(jì)階段：功能FMEA最終設(shè)計(jì)階段：可行性FMEA工藝設(shè)計(jì)階段：工藝FMEA設(shè)備設(shè)計(jì)階段：設(shè)備FMEA我們?cè)谶@里僅研究產(chǎn)品功能的FMEA。

第十五頁(yè)，共49頁(yè)。15二、建立FMEA（FMECA）的一般方法在完成設(shè)計(jì)方案草圖和試生產(chǎn)圖的情況下，用框圖或符號(hào)示意圖表示各組成元件的有關(guān)功能對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)功能的影響。1.畫(huà)出被研究產(chǎn)品的功能簡(jiǎn)圖如

圖2-3為液壓系統(tǒng)功能圖，圖4-2為液壓系統(tǒng)的可靠性框圖。第十六頁(yè)，共49頁(yè)。16圖2-6液壓系統(tǒng)可靠性框圖第十七頁(yè)，共49頁(yè)。172.明確產(chǎn)品FMEA的分析層次和基本過(guò)程(1)分析層次（見(jiàn)下圖）若干系統(tǒng)組成的產(chǎn)品零件分部件系統(tǒng)部件子系統(tǒng)影響影響系統(tǒng)功能級(jí)的FMEA部件級(jí)的FMEA組成零件級(jí)的FMEA第十八頁(yè)，共49頁(yè)。18(2)分析的基本過(guò)程（見(jiàn)下圖)故障模式的預(yù)測(cè)①故障模式的分級(jí)和評(píng)價(jià)②故障模式的改進(jìn)措施(經(jīng)驗(yàn)或試驗(yàn))③第十九頁(yè)，共49頁(yè)。19②收集生產(chǎn)過(guò)程的有關(guān)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和用戶反饋意見(jiàn)為依據(jù)，確定出故障模式（即預(yù)測(cè)出故障模式）；(3)產(chǎn)品FMEA的分析方法①召集有關(guān)（包括設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)及供銷(xiāo)部門(mén)等）人員對(duì)以前生產(chǎn)過(guò)的最類(lèi)似產(chǎn)品產(chǎn)生過(guò)的故障情況進(jìn)行分析討論；③分析產(chǎn)生故障原因（即物理失效機(jī)理）；④制定生產(chǎn)中的消除辦法（即檢測(cè)方法），使用中的彌補(bǔ)方法（即補(bǔ)償措施）等；第二十頁(yè)，共49頁(yè)。20⑥對(duì)新設(shè)計(jì)產(chǎn)品與已生產(chǎn)的上述產(chǎn)品的主要不同之處進(jìn)行分析，以進(jìn)行必要的補(bǔ)充。

⑤對(duì)各故障模式的嚴(yán)重后果（即嚴(yán)酷度等級(jí)）進(jìn)行評(píng)定，必要時(shí)可采用投票評(píng)分的方法；第二十一頁(yè)，共49頁(yè)。213.建立一套系統(tǒng)的，全面的，標(biāo)準(zhǔn)化的表格該表格應(yīng)盡力最系統(tǒng)、全面、正確地反映FMEA的分析層次和基本過(guò)程的內(nèi)容，且應(yīng)規(guī)格化以便統(tǒng)計(jì)分析。

(1)FMEA表格（見(jiàn)表4-1）備注(物理失效機(jī)理及后遺癥)第二十二頁(yè)，共49頁(yè)。22(2)FMECA表格（見(jiàn)下表)FMECA第二十三頁(yè)，共49頁(yè)。23上兩表中：①失效模式即故障模式；②

故障等級(jí)確定見(jiàn)前§4-1；α

：失效模式頻率比（查表得到）見(jiàn)表4-5和表4-6β：損失概率（失效的后果概率）取值如下：（設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)確定）必然損失 β=1.0

可能損失 0.1<β<1.0

很少損失 0<β<0.1③危害度參數(shù)見(jiàn)本書(shū)§4-3內(nèi)容。第二十四頁(yè)，共49頁(yè)。24例4-1進(jìn)行零部件失效分析三、FMEA的應(yīng)用實(shí)例第二十五頁(yè)，共49頁(yè)。25斷裂原因：根據(jù)裂紋發(fā)展過(guò)程沿晶斷裂穿晶斷裂根據(jù)受載性質(zhì)疲勞斷裂靜載斷裂沖擊斷裂根據(jù)完全斷裂前的宏觀變形脆性斷裂韌性斷裂第二十六頁(yè)，共49頁(yè)。26疲勞斷裂原因：氫脆表面因素：表面粗糙度、劃痕、碰傷等材質(zhì)因素：材料的成分、機(jī)械性能、冶金特性等幾何因素：圓角、倒角等環(huán)境因素：環(huán)境介質(zhì)、環(huán)境溫度等內(nèi)部氫脆外部氫脆載荷因素：載荷性質(zhì)、大小、變化速度等疲勞源裂紋擴(kuò)展區(qū)瞬斷區(qū)第二十七頁(yè)，共49頁(yè)。27例4-2某一固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)由推進(jìn)劑藥柱、內(nèi)襯和發(fā)動(dòng)機(jī)殼組成。請(qǐng)制作其失效模式后果分析表。項(xiàng)目失效模式失效原因可能后果發(fā)生概率嚴(yán)重性可能措施發(fā)動(dòng)機(jī)殼破裂工藝質(zhì)量差材料缺陷運(yùn)輸中損壞搬運(yùn)中損壞內(nèi)壓過(guò)高導(dǎo)彈毀壞0.0006嚴(yán)重嚴(yán)格控制原材料質(zhì)量，消除缺陷。進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，采用合理包裝，在運(yùn)輸中保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)劑藥柱斷裂孔穴粘接面分離固化殘余應(yīng)力溫度過(guò)低老化燃燒速度過(guò)高；內(nèi)壓過(guò)高；機(jī)殼在工作過(guò)程中破裂0.0001嚴(yán)重嚴(yán)格控制生產(chǎn)過(guò)程，確保工藝質(zhì)量，嚴(yán)格控制在極限溫度之內(nèi)存儲(chǔ)和使用。內(nèi)襯與外殼分離與藥柱或隔熱層分離粘接劑不良粘接控制不良?xì)んw成形后凈化不夠燃燒速度過(guò)高；內(nèi)壓過(guò)高；機(jī)殼在工作過(guò)程中破裂0.0001嚴(yán)重嚴(yán)格執(zhí)行正常清洗程序，機(jī)巧清洗后嚴(yán)格檢驗(yàn)，確保清除一切沾染物第二十八頁(yè)，共49頁(yè)。28

例4-2設(shè)計(jì)概述：重新設(shè)計(jì)一個(gè)用于自動(dòng)變速箱的手動(dòng)臂。由鋼軸（熱處理并外圓磨）和模壓成型的塑料臂組成。軸與臂靠花鍵壓裝配合。零件功用：手動(dòng)臂總成把變速器外部的手動(dòng)選檔桿和變速器內(nèi)部的傳動(dòng)臂連接起來(lái)。由前者向操縱閥體內(nèi)的手動(dòng)閥和停車(chē)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)傳遞運(yùn)動(dòng)。作用在臂孔處的最大切向拉力為30磅。第二十九頁(yè)，共49頁(yè)。29分系統(tǒng)過(guò)程自動(dòng)變速箱分系統(tǒng)工程師約翰.杜

年型/車(chē)型系列1974年野馬牌系統(tǒng)工程師

約翰.史密斯制造與設(shè)計(jì)主管部門(mén)

T

產(chǎn)品交付日期1973年9月14日有關(guān)制造與設(shè)計(jì)部門(mén)

FMECA日期首次1972年1月27日修改

有否外部供貨和承制單位無(wú)第三十頁(yè)，共49頁(yè)。30FMECA分析的用途1、在設(shè)計(jì)管理上的用途

FMECA與產(chǎn)品和線路應(yīng)力分析的結(jié)合是可靠性預(yù)測(cè)、分配和評(píng)定時(shí)的一項(xiàng)原始資料。

FMECA是評(píng)定設(shè)計(jì)方案的手段

FMECA是設(shè)計(jì)評(píng)審、質(zhì)量復(fù)查、事故預(yù)想的依據(jù)和證明2、在其他用途

安排測(cè)試點(diǎn)、制造和質(zhì)量控制，制定試驗(yàn)計(jì)劃的一種依據(jù)。

制定檢測(cè)程序、設(shè)計(jì)診斷裝置的基礎(chǔ)。

與試驗(yàn)結(jié)果和失效分析報(bào)告一起進(jìn)行定性評(píng)定。可靠性維修，后勤保障分析的原始資料。第三十一頁(yè)，共49頁(yè)。31§4-3失效嚴(yán)重度分析一、定性分析在缺乏失效數(shù)據(jù)的情況下用定性分析，采用發(fā)生概率來(lái)評(píng)定。分五級(jí)：A級(jí)—常發(fā)生。單一失效模式概率＞整個(gè)裝置總失效概率的20％。B級(jí)—較常發(fā)生。單一失效模式概率＞總失效概率的10％，但＜20％。第三十二頁(yè)，共49頁(yè)。32C級(jí)—偶爾發(fā)生。單一失效模式概率＞總失效概率的1％，但＜10％。D級(jí)—很少發(fā)生。單一失效模式概率＞總失效概率的0.1％，但＜1％。E級(jí)—極少發(fā)生。單一失效模式概率＜總失效概率的0.1％。第三十三頁(yè)，共49頁(yè)。33二、定量分析能提供正確的失效概率數(shù)據(jù)時(shí)可用定量分析。1.失效后果概率(也稱(chēng)損失概率)β見(jiàn)表4-5第三十四頁(yè)，共49頁(yè)。342.失效模式嚴(yán)重度數(shù)字Cm

(1)

Cm：在一種嚴(yán)重性級(jí)別下由失效模式之一所占嚴(yán)重?cái)?shù)字的份額。(2)

Cm計(jì)算式：(4-1)式中β—失效后果概率；

λp—元件失效率()；

t—某任務(wù)階段內(nèi)的工作時(shí)間(h)；α—失效模式相對(duì)頻率(其值見(jiàn)表4-6)。第三十五頁(yè)，共49頁(yè)。35第三十六頁(yè)，共49頁(yè)。363.產(chǎn)品嚴(yán)重度數(shù)字Cr(4-2)式中n—屬于某一嚴(yán)重度的失效模式數(shù)；

j—產(chǎn)品在該嚴(yán)重度下的最后一個(gè)失效模式。第三十七頁(yè)，共49頁(yè)。37例4-3若某一產(chǎn)品失效率，在某一任務(wù)階段，出現(xiàn)兩個(gè)Ⅱ級(jí)嚴(yán)重性的失效模式和一個(gè)Ⅳ級(jí)嚴(yán)重性的失效模式。這三個(gè)失效模式的相對(duì)頻率分別為α1=0.3,α2=0.2,α3=0.5,失效后果概率β均為0.5，在該階段工作1h。

解：(1)求Cm根據(jù)式(4-1)Ⅱ級(jí)嚴(yán)重性的第一個(gè)失效模式的嚴(yán)重度數(shù)字為：求該產(chǎn)品在此任務(wù)段、嚴(yán)重性級(jí)別為Ⅱ級(jí)的Cm和Cr。第三十八頁(yè)，共49頁(yè)。38Ⅱ級(jí)嚴(yán)重性的第二個(gè)失效模式的嚴(yán)重度數(shù)字為：第三十九頁(yè)，共49頁(yè)。39(2)求Cr根據(jù)式(4-2)Ⅱ級(jí)嚴(yán)重性的產(chǎn)品嚴(yán)重度數(shù)字為：第四十頁(yè)，共49頁(yè)。40三、嚴(yán)重度矩陣

嚴(yán)重度矩陣是將產(chǎn)品項(xiàng)目或失效模式的標(biāo)號(hào)按嚴(yán)重性級(jí)別與失效模式的發(fā)生概或嚴(yán)重度數(shù)字Cr進(jìn)行排列。嚴(yán)重度矩陣是FMECA中的一部分。即以嚴(yán)重性級(jí)別為橫坐標(biāo)，以發(fā)生概或嚴(yán)重度數(shù)字Cr為縱坐標(biāo)畫(huà)一嚴(yán)重度的分布圖，如圖4-5所示。第四十一頁(yè)，共49頁(yè)。41圖4-5嚴(yán)重度矩陣由圖可見(jiàn)，某一失效模式在圖中沿對(duì)角上線離開(kāi)原點(diǎn)愈遠(yuǎn)，則愈嚴(yán)重，而愈迫切要采取補(bǔ)救措施。第四十二頁(yè)，共49頁(yè)。42四、嚴(yán)重度分析的用途若某種失效模式發(fā)生概率很高，則有必要采取措施降低對(duì)維修和后勤的要求。嚴(yán)重度分析的用途:主要用手維修和后勤保障方面的分析。第四十三頁(yè)，共49頁(yè)。43機(jī)車(chē)車(chē)輛

FMEA分析實(shí)例國(guó)際鐵路聯(lián)盟的研究與試驗(yàn)機(jī)構(gòu)的B176委員會(huì)（UICOREB176）對(duì)機(jī)車(chē)車(chē)輛轉(zhuǎn)向架進(jìn)行了深入的研究，進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)和評(píng)