1、故障模式、效應(yīng)及危害性分析故障樹分析,內(nèi)容介紹,1 概述 FMECA同F(xiàn)TA的的概念、相互區(qū)別及應(yīng)用 2 FMECA的一般方法 FMECA分析方法 FMECA分析實(shí)例 3 FTA的方法基礎(chǔ) 4 FTA的一般方法 FT的建立和簡(jiǎn)化、 FT的定量分析、定性分析,FMEA、FMECA,失效模式、影響與危害分析（FMECA），或失效模式與效應(yīng)分析（FMEA），是一種可靠性分析技術(shù)，在工程設(shè)計(jì)（可以是整個(gè)的也可以是局部的）完成后供檢查和分析設(shè)計(jì)圖紙（就電子設(shè)備來說，是對(duì)電路的設(shè)計(jì)圖紙）用。 這種分析方法能對(duì)被研究對(duì)象具體指明單元可能發(fā)生的失效模式（例如，對(duì)電路來說，是發(fā)生開路失效或短路失效，飽和阻塞，還

2、是參數(shù)漂移等）、產(chǎn)生的效應(yīng)和后果，因而有助于獲得供改進(jìn)可靠性用的具體工程方案。,概述,FMECA是在FMEA基礎(chǔ)上擴(kuò)展出來的，它是FMA(故障模式分析)、FEA（失效影響分析）、FCA(失效后果分析)三種方法的總稱。它使定性分析的FMEA增加了定量分析的特點(diǎn)。 失效模式、效應(yīng)與危害度分析又是維修性設(shè)計(jì)特別是故障安全設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，也是PLP(產(chǎn)品責(zé)任預(yù)防)分析的代表性方法。 70年代末期，美國(guó)發(fā)生的幾起重大事故均與未周密地進(jìn)行失效模式、效應(yīng)與危害度分析有關(guān) 。例如：,概述,NASA衛(wèi)星系統(tǒng)，在發(fā)射情況下，由于對(duì)旋轉(zhuǎn)天線匯流環(huán)進(jìn)行失效模式、效應(yīng)與危害分析時(shí)只考慮開路失效模式，忽略了短路失效效應(yīng)，結(jié)果

3、因天線匯流環(huán)發(fā)生短路而使發(fā)射失效，損失了九千至一億五千萬美元。 美國(guó)DC-10商用飛機(jī)，在變更發(fā)動(dòng)機(jī)維修方法時(shí)，因未進(jìn)行失效模式、效應(yīng)與危害度分析，終于在芝加哥上空墜毀。1979年3月28日，美國(guó)的三里島2號(hào)反應(yīng)堆發(fā)生的舉世矚目的重大安全事故，也是因未對(duì)控保系統(tǒng)中增壓安全閥及其監(jiān)示電路的失效模式進(jìn)行詳細(xì)分析的結(jié)果。,概述,失效樹分析,失效樹分析法（Fault Tree Analysis）簡(jiǎn)稱FTA。1961年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室沃森（Watson）等人在民兵導(dǎo)彈發(fā)射控制系統(tǒng)中開始應(yīng)用，其后波音公司對(duì)FTA作了修改使其能用計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，推動(dòng)了FTA技術(shù)的迅速發(fā)展。FTA現(xiàn)已成為分析各種復(fù)雜系統(tǒng)可靠性

4、的重要方法之一。,概述,失效樹分析，是把系統(tǒng)不希望發(fā)生的失效狀態(tài)作為失效分析的目標(biāo)，這一目標(biāo)在失效樹分析中定義為“ 頂事件”。在分析中要求尋找出導(dǎo)致這一失效發(fā)生的所有可能的直接原因，這些原因在失效樹分析中稱之為“ 中間事件”。再跟蹤追跡找出導(dǎo)致每一個(gè)中間事件發(fā)生的所有可能的原因，順序漸進(jìn)，直至追蹤到對(duì)被分析對(duì)象來說是一種基本原因?yàn)橹?。這種基本原因，失效樹分析中定義為“ 底事件”。,概述,失效樹建造是失效樹分析的關(guān)鍵,失效樹建造是失效樹分析的關(guān)鍵，也是工作量最大的部分。由于建樹工作量大，因而這種方法在新的復(fù)雜系統(tǒng)上使用受到局限。例如，美國(guó)原子能委員會(huì)發(fā)表的WASH-1400核電站風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)分析報(bào)告

5、指出，為了建造失效樹，60名專家用了將近三年時(shí)間，消耗了大量資金,概述,FMECA同F(xiàn)TA的相互區(qū)別,概述,應(yīng)用注意事項(xiàng),FMECA、FTA都是可靠性分析方法，但是并非萬能。FMECA、FTA不能代替全部可靠性分析。這兩種方法不僅要相輔相成地應(yīng)用，還要重視與其它分析方法、管理方法及數(shù)據(jù)的結(jié)合。尤其，F(xiàn)MECA、FTA都是重視功能型的靜態(tài)分析方法，在考慮時(shí)間序列與外部因素等共同原因方面，即動(dòng)態(tài)分析方面并不完善。,概述,故障模式、效應(yīng)與危害度分析(FMECA) 的一般方法,通過失效模式、效應(yīng)及危害度分析可以做到,鑒別出被分析單元會(huì)導(dǎo)致的不可接受或非常嚴(yán)重的失效，確定可能會(huì)對(duì)預(yù)期或所需運(yùn)行情況造成致

6、命影響的失效模式，并列出由此而引起的從屬失效； 決定需另選的元器件、零部件和整件； 保證能識(shí)別各種檢測(cè)手段引起的失效模式； 選擇預(yù)防或正確維護(hù)要點(diǎn)，制定故障檢修指南，配置測(cè)試設(shè)備以及為測(cè)試點(diǎn)提供資料。 確定單元及子系統(tǒng)失效模式的危害度,FMECA的一般方法,故障模式、效應(yīng)及危害度分析的基本程序,定義系統(tǒng)及其各種功能要求和相應(yīng)的失效判據(jù)； 制訂功能、可靠性等框圖，并作扼要的文字說明； 確定在哪一功能級(jí)上進(jìn)行分析，并根據(jù)實(shí)際情況確定采用的分析方法； 確定失效模式及其發(fā)生的原因和效應(yīng)，以及由此引起的各種繼發(fā)事件； 確定失效檢測(cè)方法和可能采取的預(yù)防性措施； 針對(duì)后果特別嚴(yán)重的失效，進(jìn)一步考慮修改設(shè)計(jì)的

7、步驟； 計(jì)算相對(duì)故障概率及其故障危害等級(jí)； 根據(jù)失效模式、效應(yīng)及危害度分析結(jié)果提出相應(yīng)的改進(jìn)建議,FMECA的一般方法,嚴(yán)酷度分類,為了度量產(chǎn)品故障造成的最壞的潛在影響，應(yīng)對(duì)每一潛在的故障模式進(jìn)行嚴(yán)酷度分類，嚴(yán)酷度一般分為四級(jí)： 類（災(zāi)難的）這種故障會(huì)引起人員死亡或系統(tǒng)（如飛機(jī)、導(dǎo)彈）毀壞。 類（致命的）這種故障會(huì)引起人員嚴(yán)重傷害、重大的經(jīng)濟(jì)損失或?qū)е氯蝿?wù)失敗。 類（臨界的）這種故障會(huì)引起人員的輕度傷害，一定的經(jīng)濟(jì)損失或?qū)е氯蝿?wù)延誤或降級(jí)。 類（輕度的）這種故障不會(huì)造成人員的輕度傷害及一定程度的經(jīng)濟(jì)損失，但它會(huì)導(dǎo)致非計(jì)劃維修。,雷達(dá)系統(tǒng)的FMECA分析,第一步、 繪制分級(jí)功能框圖。這種框圖既不

8、是工作原理框圖，也不是可靠性框圖，而是將系統(tǒng)內(nèi)部分為子系統(tǒng)、分機(jī)、功能單元和元器件等若干功能等級(jí)的框圖。 它不但表明了構(gòu)成系統(tǒng)的各個(gè)子系統(tǒng)、分機(jī)、功能組件和元器件在功能上的相互依賴關(guān)系，而且便于看出失效模式、效應(yīng)及危害度分析應(yīng)在哪一級(jí)上進(jìn)行。 例 繪制雷達(dá)系統(tǒng)功能等級(jí)框圖（圖2.4），圖中的分析對(duì)象是接收機(jī)內(nèi)的前置放大器，故其它子系統(tǒng)的分機(jī)和接收機(jī)內(nèi)其它功能單元及其元器件均被略去了,FMECA的一般方法,圖2.4 某系統(tǒng)的功能等級(jí)框圖,FMECA的一般方法,雷n,第二步 確定被分析單元的（前置放大器內(nèi)每一個(gè)元器件）失效模式頻數(shù)比，即某一種失效模式出現(xiàn)的次數(shù)與單元出現(xiàn)的全部故障次數(shù)之比。 可依據(jù)

9、GJB299給出的典型電子設(shè)備用元器件的失效模式及其頻數(shù)比，這個(gè)比值應(yīng)根據(jù)具體元器件和使用人員的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)加以修正，也可以統(tǒng)計(jì)獲得。,FMECA的一般方法,GJB299給出的失效模式分布,第三步 對(duì)分級(jí)功能圖中的每一個(gè)方框圖自下而上逐級(jí)進(jìn)行失效模式、效應(yīng)及危害度分析，指出被分析方框?qū)^高一級(jí)的隸屬等級(jí)產(chǎn)生的效應(yīng)。 定性估計(jì)每個(gè)元器件內(nèi)每種失效模式引起的前置放大器的故障概率ij，當(dāng)無法得到這種確切數(shù)據(jù)時(shí)，可適當(dāng)?shù)亟y(tǒng)一劃分失效概率的等級(jí)，例如可采用以下等級(jí)：肯定上一級(jí)單元發(fā)生失效的等級(jí)為1.00，可能引起失效的等級(jí)為0.50；可能性較小的等效為0.10，不可能引起失效的等級(jí)為0.00。,FMECA的

10、一般方法,第四步 根據(jù)元器件在前置放大器內(nèi)承受的電應(yīng)力和熱應(yīng)力，確定各種元器件的使用失效率（表中的使用失效率系國(guó)外60年代的水平，目前可見GJB299B可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè)查得(可參見預(yù)計(jì)講義的P15表9）； b.E,FMECA的一般方法,FMECA的一般方法,第五步 計(jì)算每個(gè)元器件的每種失效模式的危害度Crij,ij為單元i以失效模式j(luò)發(fā)生失效的頻數(shù)比； ij為單元i以失效模式j(luò)發(fā)生失效時(shí)引起上一級(jí)發(fā)生失效的概率。 i為單元i的失效率。t為任務(wù)時(shí)間,第六步 填寫前置放大器所有元器件的失效模式、效應(yīng)及危害度分析一覽表,FMECA的一般方法,第七步 計(jì)算前置放大器的危害度：,FMECA的一般方法,第八

11、步 建立危害度（性）矩陣,危害性矩陣用來確定和比較每一故障模式的危害程度，進(jìn)而為確定改進(jìn)措施的先后次序提供依據(jù)。 矩陣的橫坐標(biāo)用故障模式的嚴(yán)酷度表示。在進(jìn)行定性分析時(shí)，縱坐標(biāo)表示發(fā)生故障模式發(fā)生的概率等級(jí)（對(duì)上一級(jí)的影響）；在進(jìn)行定量分析時(shí)，縱坐標(biāo)表示產(chǎn)品或故障模式的危害度。 如下圖所示，從元點(diǎn)開始，所記錄的故障模式分布點(diǎn)沿著對(duì)角線方向距離原點(diǎn)越遠(yuǎn)，其危害性越大，越需盡快采取措施改進(jìn)。,危害度矩陣圖,前置放大器元器件各故障模式的危害度矩陣,舉 例,FMECA的標(biāo)準(zhǔn)方法及實(shí)例,本部分用實(shí)例介紹了GJB 1391-92故障模式、影響及危害性分析程序的工作項(xiàng)目101和工作項(xiàng)目102的表格和操作方法。

12、,FMEA 表格,欄目說明 1,1) 第一欄（代碼）：為了使每一故障模式及其與相應(yīng)的方框圖內(nèi)標(biāo)志的系統(tǒng)功能關(guān)系一目了然，在FMEA表的第一欄填寫被分析產(chǎn)品的代碼。 2) 第二欄（產(chǎn)品或功能標(biāo)志）：在分析表中記入被分析產(chǎn)品或系統(tǒng)功能的名稱。原理同中的符號(hào)或設(shè)計(jì)圖紙的編號(hào)可作為產(chǎn)品或功能的標(biāo)志。 3) 第三欄（功能）：簡(jiǎn)要填寫產(chǎn)品所需完成的功能，包括零部件的功能及其與接口設(shè)備的相互關(guān)系。,欄目說明 2,4) 第四欄（故障模式）：分析人員應(yīng)確定并說明各產(chǎn)品約定層次中所有可預(yù)測(cè)的故障模式，并通過分析相應(yīng)方框圖中給定的功能輸出來確定潛在的故障模式、應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)定義中的功能描述及故障判據(jù)中規(guī)定的要求，假設(shè)出

13、各產(chǎn)品功能的故障模式。為了確保進(jìn)行全面的分析，至少應(yīng)就下述典型的故障狀態(tài)對(duì)每一故障模式和輸出功能進(jìn)行分忻研究；,欄目說明 3,a. 提前運(yùn)行； b在規(guī)定的應(yīng)工作的時(shí)刻不工作； c. 間斷地工作； d. 在規(guī)定的不應(yīng)工作時(shí)刻工作； e. 工作中輸出消失或故障； f. 輸出或工作能力下降； g. 在系統(tǒng)特性及工作要求或限制條件方面的其它故障狀態(tài)。,欄目說明 4,5) 第五欄（故障原因）；確定并說明與假設(shè)的故障模式有關(guān)的各種原因，包括直接導(dǎo)致故障或引起使品質(zhì)降低進(jìn)一步發(fā)展為故障的那些物理或化學(xué)過程、設(shè)計(jì)缺陷、零件使用不當(dāng)或其它過程。還應(yīng)考慮相鄰約定層次的故障原因。例如，在進(jìn)行第二層次的分析時(shí)，應(yīng)考慮

14、第三層次的故障原因。 6) 第六欄（任務(wù)階段與工作方式）：簡(jiǎn)要說明發(fā)生故障的任務(wù)階段與工作方式。當(dāng)任務(wù)階段可以進(jìn)一步劃分為分階段時(shí)，則應(yīng)記錄更詳細(xì)的時(shí)間，作為故障發(fā)生的假設(shè)時(shí)間。,欄目說明 5,7) 第七欄（故障影響）；故障影響系指每個(gè)假設(shè)的故障模式對(duì)產(chǎn)品使用、功能或狀態(tài)所導(dǎo)致的后果。應(yīng)評(píng)價(jià)這些后果并將其記入分析表中。除被分析的產(chǎn)品層次外，所分析的故障還可能影響到幾個(gè)約定層次。因此，應(yīng)該評(píng)價(jià)每一故障模式對(duì)局部的、高一層次的和最終的影響。同時(shí)還應(yīng)考慮任務(wù)目標(biāo)、維修要求、人員及系統(tǒng)的安全。,a. 局部影響系指所假設(shè)的故障模式對(duì)當(dāng)前所分析約定層次產(chǎn)品的使用、功能或狀態(tài)的影響、確定局部影響的目的在于為

15、評(píng)價(jià)補(bǔ)償措施及提出改進(jìn)措施建議提供依據(jù)。局部影響有可能就是所分析的故障模式本身。 b. 高一層次影響系指所假設(shè)的故障模式對(duì)當(dāng)前所分析約定層次高一層次產(chǎn)品使用、功能或狀態(tài)的影響。 c. 最終影響系指所假設(shè)的故障模式對(duì)最高約定層次產(chǎn)品的使用、功能或狀態(tài)的總的影響。最終影響可能是雙重故障導(dǎo)致的后果。例如，只有在由一個(gè)安全裝置所控制的主要功能超出了極限值，而且該安全裝置也發(fā)生了故障的情況下，該安全裝置的故障才會(huì)造成災(zāi)難的最終影響。這些由歡重故障造成的最終影響應(yīng)該記入FMEA表格中。,欄目說明 6,8) 第八欄（故障檢測(cè)方法）：操作人員或維修人員用以檢測(cè)故障模式發(fā)生的方法應(yīng)記入分析表中。故障檢測(cè)方法應(yīng)指

16、明是目視檢查或者音響報(bào)警裝置、自動(dòng)傳感裝置、傳感儀器或其他獨(dú)特的顯示手段，還是無任何檢測(cè)方法。 9) 第九欄（補(bǔ)償措施）；分析人員應(yīng)指出并評(píng)價(jià)那些能夠用來消除或減輕故障影響的補(bǔ)償措施。它們可以是設(shè)計(jì)上的補(bǔ)償措施，也可以是操作人員的應(yīng)急補(bǔ)救措施。,設(shè)計(jì)補(bǔ)償措施包括：,a. 在發(fā)生故障的情況下能繼續(xù)安全工作的冗余設(shè)備； b. 比安全或保險(xiǎn)裝置，如能有效工作或控制系統(tǒng)不致發(fā)生損壞的監(jiān)控及報(bào)警裝置； c. 可替換的工作方式，如備用或輔助設(shè)備。 應(yīng)說明為消除或減輕故障影響而需操作人員采取的補(bǔ)救措施。為此，也許有必要對(duì)接口設(shè)備進(jìn)行分析，以確定操作人員應(yīng)采取的最恰當(dāng)?shù)难a(bǔ)救措施。此外，還要考慮操作人員按照異常

17、指示采取的不正確動(dòng)作而可能造成的后果，并記錄其影響。,欄目說明 7,10) 第十欄（嚴(yán)酷度類別）；根據(jù)故障影響確定每一故障模式及產(chǎn)品的嚴(yán)酷度類別： 11) 第十一欄（備注）。這一欄上要記錄與其它欄有關(guān)的注釋及說明，如對(duì)改進(jìn)設(shè)計(jì)的建議、異常狀態(tài)的說明及冗余設(shè)備的故障影響等。,3 FTA的方法基礎(chǔ),FTA分析中的標(biāo)準(zhǔn)符號(hào),FTA的方法基礎(chǔ),FTA分析中的標(biāo)準(zhǔn)符號(hào),FTA分析中的標(biāo)準(zhǔn)符號(hào),布爾代數(shù)運(yùn)算法則,冪 等 律 X+X=X X.X=X 加法交換律 X+Y=Y+X 乘法交換律 X.Y=Y.X 加法吸收律 X+(X.Y)=X 乘法吸收律 X.(X+Y)=X 加法結(jié)合律 X+(Y+Z)=(X+Y)+

18、Z 乘法結(jié)合律 X.(Y.Z)=(X.Y).Z 加法分配律 X.Y+X.Z=X.(Y+Z),FTA的方法基礎(chǔ),用 + 表示 OR 用 表示 AND,布爾代數(shù)運(yùn)算法則,乘法分配律 (X+Y).(X+Z)=X+(Y.Z) 常數(shù)運(yùn)算定理 X+0=X;X+I=I; X.0=0; X.I=X 德.摩根定理 德.摩根定理,FTA的方法基礎(chǔ),用 + 表示 OR 用 表示 AND,可靠性框圖與FTA串聯(lián)模型,可靠度: R=R1.R2 不可靠度: F=F1+F2-F1F2,FTA的方法基礎(chǔ),可靠性框圖與FTA并聯(lián)模型,可靠度 R=R1+R2-R1.R2 不可靠度 F= F1F2,FTA的方法基礎(chǔ),最小路集和最小

19、割集,最小路集定義：可靠性框圖中表示功能流的實(shí)線從輸入端致輸出端所經(jīng)過的單元的最小集合。 只要各單元皆無故障，則系統(tǒng)可靠。（串聯(lián)） 最小割集定義：從垂直于可靠性框圖中連接實(shí)線的方向?qū)⑾到y(tǒng)單元的功能切斷（使之處于故障狀態(tài)）時(shí)引起系統(tǒng)故障的被切單元的最小集合。,FTA的方法基礎(chǔ),由圖可得： 路集：(B,B)=B; (B,C) 所以，最小路集為（B） 割集：(B,C) ,(B) 所以，最小割集為(B),FTA的方法基礎(chǔ),4 故障樹因果分析法,（1） 故障樹的建造 （2）故障樹的劃簡(jiǎn) （3） 定性分析； （4） 定量計(jì)算； （5） 改進(jìn)措施。,失效樹建造,失效樹建造是失效樹分析的關(guān)鍵，也是工作量最大的

20、部分。由于建樹工作量大，因而這種方法在新的復(fù)雜系統(tǒng)上使用受到局限。例如，美國(guó)原子能委員會(huì)發(fā)表的WASH-1400核電站風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)分析報(bào)告指出，為了建造失效樹，60名專家用了將近三年時(shí)間，消耗了大量資金。然而，對(duì)于某種性能漸變失效分析來說，失效樹分析是易于實(shí)現(xiàn)的，且比其它方法更加有效。,長(zhǎng)期生物實(shí)驗(yàn)室的地下室照明系統(tǒng),建樹之前首先要熟悉對(duì)象，確定頂事件，用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)符號(hào)表示樹結(jié)構(gòu)，對(duì)各事件進(jìn)行編碼。,通過分析，確定頂事件為：室內(nèi)黑暗,故障樹的簡(jiǎn)化,為了進(jìn)行定量計(jì)算和處理共因事件，需對(duì)已建好的故障樹進(jìn)行簡(jiǎn)化 化簡(jiǎn)可依據(jù)上級(jí)事件發(fā)生的必要條件進(jìn)行，也可用布爾代數(shù)運(yùn)算進(jìn)行。,全為AND門時(shí),運(yùn)算： Z=

21、A.E1=A.B.E2=A.B.C.D,全為OR門,運(yùn)算： Z=AE1=ABE2=ABCD,有共因事件時(shí)的簡(jiǎn)化,運(yùn)算中應(yīng)用了加法吸收率 Z=A+E=A+(A.B)=A 運(yùn)算中應(yīng)用了乘法吸收率 Z=A.E=A.(A+B)=A 結(jié)果消除了重復(fù)的A,有共因事件時(shí)的簡(jiǎn)化（2）,Z=E1+E2=(A.B)+(A.C) =A.(B+C),Z=E1.E2=(A+B).(A+C)=A+(B.C),用最小割集計(jì)算頂事件發(fā)生概率,當(dāng)故障樹中，最小割集中無相同的底事件（稱為各最小割集不相交），或底事件數(shù)量少時(shí)，上述方法計(jì)算是可行的，也是可以理解的。當(dāng)故障樹復(fù)雜或最小割集中有相同底事件且其概率不可忽略時(shí)，計(jì)算比較復(fù)雜且易出錯(cuò)。此時(shí)用最小割集進(jìn)行計(jì)算比較合適。 方法是在求出最小割集的基礎(chǔ)上，把故障樹頂事件表示為最小割集中底事件積之合的布爾表達(dá)式。計(jì)算的條件是底事件是相互獨(dú)立的并且已知其發(fā)生的概率。若相當(dāng)多的底事件不能估計(jì)或給出其概率時(shí)，則不宜進(jìn)行定量