第四章失效模式后果與嚴重度分析

1、第四章 失效模式、后果(hugu)與嚴重度分析（FMECA） 4-1 概 述4-2 失效模式(msh)與后果分析 ( FMEA和FMECA )一、FMEA及FMECA的概念 二、建立FMEA（FMECA）的一般方法三、FMEA的應用實例4-3 失 效 嚴 重 度 分 析一、定性分析二、定量分析三、嚴重度矩陣四、嚴重度分析的用途1共五十四頁 前面我們學習了可靠性方面的知識和理論，掌握了在產品設計階段(jidun)進行可靠性預計和分配的基本方法，可以講大家能保證所設計的產品具有一定的可靠性（較高的可靠性）。 但該產品的可靠性再高也不能杜絕該產品在使用中出現(xiàn)故障，其中還可能包括一些后果(hugu)極

2、其嚴重的故障。 因此，為了保證產品的可靠性，還應該學會在產品設計階段，用科學的方法去分析計算故障（失效）和故障的產生情況，即用科學的方法去預防和控制產品失效（故障），從而保證產品的可靠性。2共五十四頁 研究產品失效的方法，當前世界(shji)上主要使用兩種： (1) 故障（失效）模式、后果與嚴重(ynzhng)度分析 （FMECA） 失效模式與后果分析（FMEA） Failure Mode and Effect Analysis 失 效 嚴 重 度 分 析（CA） Catastrophic Analysis(2) 故障樹分析 (FTA ) Failure Tree Analysis3共五十四頁

3、4-1 概 述 1. 失效（故障(gzhng)）： 產品喪失規(guī)定的功能。 例如(lr)，半球牌遠紅外線自動電烤箱（組成：電源線、控溫器、電熱器、定時器、指示燈等) 為例說明。 2.失效模式：失效或故障的形式。按產品說明書整理，有以下故障模式 4共五十四頁電源線故障 (1) 電源線插頭(chtu)與屋內插座接觸不良； (2) 電源線內部(nib)斷開； (3) 控溫器觸點燒壞（斷路）； (4) 控溫器觸點熔接一起（短路）； (5) 控溫器觸點接觸不良； (6)控溫器控溫旋鈕緊固螺釘松開； 控溫器故障(7) 電熱器燒斷（斷路）； (8) 電熱器接觸不良（斷路）； (9)電熱器轉換開關無彈性（斷路）

4、； 電熱器 故障(10) 定時器機械裝置有??； 定時故障(11) 指示燈燈泡壞了； (12) 指示器接線壞了等。 顯示故障5共五十四頁3. 失效（故障）模式(msh)的分類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、表面防護脫落等3、松脫型故障模式：松動(sngdng)、脫開、脫焊等4、失調型故障模式：間隙不適、流量不當、壓力不當?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、其它類型故障模式：潤滑不良等4. 失效（故障）模式的比率故障模式比率產品出現(xiàn)失效模式的百分比。進一步分析失效原因，采取預防措施的可靠依據(jù)6共五十四頁軸

5、承離合器連接器齒輪發(fā)電機電位器繼電器腐蝕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(lr)：幾種機械零部件的失效模式及其比率7共五十四頁 失效后果是指一個(y )部件失效時對整機所產生的影響。 如上述(shngsh)電烤箱的失效模式產生以下后果： (讀產品說明書最后一頁) 烤箱不發(fā)熱，指示燈不亮 (

6、 II ), (2) 烤箱不發(fā)熱，指示燈亮 ( II ),5. 失效后果 (3) 烤箱發(fā)熱，指示類不亮 (III) , (4) 烤箱發(fā)熱，控溫器失靈 (III) , (5) 烤箱發(fā)熱，定時器失靈 ( IV )。8共五十四頁6. 嚴重度（危害(wihi)度）：失效后果的嚴重程度 嚴重度與故障等級有較大的關系(gun x)，故障等級分為四級: IV 次要的。可用其他方法（或計劃外維修）保證系統(tǒng)的 性能不變。I 災難性的。造成機毀人亡后果；II 嚴重的。系統(tǒng)工作失效；III 一般的。系統(tǒng)性能下降；可見電烤箱失效后果的嚴重度為 :IV 用表計時代之可很好工作工作不好 III、III、 不能工作II、

7、II、 9共五十四頁失效(sh xio)等級：10共五十四頁汽車(qch)故障等級劃分美國空軍對飛行(fixng)事故的等級劃分11共五十四頁4 - 2 失效(sh xio)模式與后果分析 ( FMEA和FMECA )一、FMEA及FMECA的概念(ginin) FMEA是用以找出產品設計、工藝設計和設備設計等階段中的缺點或潛在的缺陷。 FMEA為失效模式與后果分析，CA為嚴重度分析，合起來為FMECA。1. FMEA的含義 進而分析各組成元素的故障模式及其對上一層次結構乃至系統(tǒng)產生故障影響的一種方法。12共五十四頁2. FMEA的特點(tdin) (1) FMEA 是一種(y zhn)自下而

8、上（由元件到系統(tǒng)）的失效因果關系的分析程序，旨在不漏掉一個后果嚴重的故障模式。 (2) FMEA 是一種定性分析手段。它使用統(tǒng)計表格來進行分析，可不使用數(shù)學工具。13共五十四頁 簡單、易行、便于掌握和推廣，在沒有數(shù)據(jù)時，只要有關人員(rnyun)具有一定的工程經驗均可進行該項工作，因此花錢不多，實際效果好，深受廣大工程技術人員歡迎。 3. FMEA的局限性和優(yōu)點(yudin) 是一種單因素分析法。即把影響系統(tǒng)失效的單個元件的失效看做是獨立的，而研究某一個失效模式對系統(tǒng)的影響時，是將其作為系統(tǒng)中唯一存在的失效來考慮的。這種方法難以分析幾種因素同時起作用才能導致的某種后果。(1) FMEA的局限性

9、(2) FMEA的優(yōu)點14共五十四頁 FMEA主要應用于設計的每一個階段，另外也可用于預防維修和工藝(gngy)監(jiān)督檢查等方面。4. FMEA的發(fā)展(fzhn)及主要應用方面 在FMEA的基礎上，再加一層判定被統(tǒng)計故障模式后果危害度的任務，就變成了FMECA，稱故障模式、后果與嚴重度分析或故障模式，后果與危害度分析。FMEA應用：FMEA的發(fā)展：15共五十四頁設計(shj)各階段的FMEA為：方案設計和中間(zhngjin)設計階段：功能FMEA最終設計階段：可行性FMEA工藝設計階段：工藝FMEA設備設計階段：設備FMEA我們在這里僅研究產品功能的FMEA。16共五十四頁二、建立(jinl)

10、FMEA（FMECA）的一般方法 在完成(wn chng)設計方案草圖和試生產圖的情況下，用框圖或符號示意圖表示各組成元件的有關功能對產品設計功能的影響。1. 畫出被研究產品的功能簡圖 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。 17共五十四頁圖2-6 液壓系統(tǒng)可靠性框圖18共五十四頁2. 明確(mngqu)產品FMEA的分析層次和基本過程(1) 分析(fnx)層次（見下圖）若干系統(tǒng)組成的產品零件分部件系統(tǒng)部件子系統(tǒng)影響影響系統(tǒng)功能級 的FMEA部件級的 FMEA組成零件級 的FMEA19共五十四頁(2) 分析(fnx)的基本過程（見下圖)故障模式的預測故障模式的分級和評價

11、故障模式的改進措施(經驗或試驗)20共五十四頁 收集生產過程的有關試驗統(tǒng)計數(shù)據(jù)和用戶反饋意見為依據(jù)(yj)，確定出故障模式（即預測出故障模式）；(3) 產品(chnpn)FMEA的分析方法 召集有關（包括設計、制造、試驗及供銷部門等）人員對以前生產過的最類似產品產生過的故障情況進行分析討論； 分析產生故障原因（即物理失效機理）； 制定生產中的消除辦法（即檢測方法），使用中的彌補方法（即補償措施）等；21共五十四頁 對新設計產品與已生產的上述產品的主要不同之處進行分析，以進行必要(byo)的補充。 對各故障模式(msh)的嚴重后果（即嚴酷度等級）進行評定，必要時可采用投票評分的方法；22共五十四

12、頁3. 建立一套系統(tǒng)的，全面(qunmin)的，標準化的表格 該表格應盡力(jn l)最系統(tǒng)、全面、正確地反映FMEA的分析層次和基本過程的內容，且應規(guī)格化以便統(tǒng)計分析。 (1) FMEA表格（見表4-1）備注(物理失效機理及后遺癥)23共五十四頁(2) FMECA表格(biog)（見下表)FMECA24共五十四頁上兩表中： 失效(sh xio)模式即故障模式； 故障等級(dngj)確定見前4-1； ：失效模式頻率比（查表得到） 見表4-5和表4-6： 損失概率（失效的后果概率） 取值如下：（設計經驗確定）必然損失 =1.0 可能損失0.1 1.0 很少損失0 0.1 危害度參數(shù)見本書4-3內

13、容。25共五十四頁例4-1 進行零部件失效(sh xio)分析三、FMEA的應用(yngyng)實例26共五十四頁斷裂(dun li)原因：根據(jù)裂紋(li wn)發(fā)展過程沿晶斷裂穿晶斷裂根據(jù)受載性質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27共五十四頁疲勞(plo)斷裂原因：氫脆表面(biomin)因素：表面(biomin)粗糙度、劃痕、碰傷等材質因素：材料的成分、機械性能、冶金特性等幾何因素：圓角、倒角等環(huán)境因素：環(huán)境介質、環(huán)境溫度等內部氫脆外部氫脆載荷因素： 載荷性質、大小、變化速度等疲勞源裂紋擴展區(qū)瞬斷區(qū)28共五十四頁 例4-2 某一固體火箭發(fā)動機由推進劑藥柱、內

14、襯和發(fā)動機殼組成(z chn)。 請制作其失效模式后果分析表。項目失效模式失效原因可能后果發(fā)生概率嚴重性可能措施發(fā)動機殼破裂工藝質量差材料缺陷運輸中損壞搬運中損壞內壓過高導彈毀壞0.0006嚴重嚴格控制原材料質量，消除缺陷。進行耐壓試驗，采用合理包裝，在運輸中保護發(fā)動機推進劑藥柱斷裂孔穴粘接面分離固化殘余應力溫度過低老化燃燒速度過高；內壓過高；機殼在工作過程中破裂0.0001嚴重嚴格控制生產過程，確保工藝質量，嚴格控制在極限溫度之內存儲和使用。內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殼體成形后凈化不夠燃燒速度過高；內壓過高；機殼在工作過程中破裂0.0001嚴重嚴格執(zhí)行正常清洗程序

15、，機巧清洗后嚴格檢驗，確保清除一切沾染物29共五十四頁 例4-2 設計概述： 重新設計一個用于自動變速箱的手動臂。由鋼軸（熱處理并外圓磨）和模壓成型的塑料臂組成(z chn)。軸與臂靠花鍵壓裝配合。零件功用：手動臂總成把變速器外部的手動選檔桿和變速器內部的傳動(chundng)臂連接起來。由前者向操縱閥體內的手動閥和停車驅動機構傳遞運動。作用在臂孔處的最大切向拉力為30磅。30共五十四頁分系統(tǒng)過程 自動變速箱 分系統(tǒng)工程師 約翰.杜 年型/車型系列 1974年野馬牌 系統(tǒng)工程師 約翰.史密斯 制造與設計主管部門 T 產品(chnpn)交付日期 1973年9月14日有關制造與設計部門 FMECA

16、日期 首次 1972年1月27日 修改 有否外部供貨和承制單位 無 31共五十四頁FMECA分析(fnx)的用途1、在設計管理(gunl)上的用途 FMECA與產品和線路應力分析的結合是可靠性預測、 分配和評定時的一項原始資料。 FMECA 是評定設計方案的手段 FMECA 是設計評審、質量復查、事故預想的依據(jù)和證明2、在其他用途 安排測試點、制造和質量控制，制定試驗計劃的一種依據(jù)。 制定檢測程序、設計診斷裝置的基礎。 與試驗結果和失效分析報告一起進行定性評定。 可靠性維修，后勤保障分析的原始資料。 32共五十四頁4-3 失 效 嚴 重 度 分 析一、定性分析(dngxngfnx) 在缺乏失效

17、數(shù)據(jù)(shj)的情況下用定性分析，采用發(fā)生概率來評定。分五級：A級 常發(fā)生。單一失效模式概率整個裝 置總失效概率的20。B級 較常發(fā)生。單一失效模式概率總失 效概率的10，但20。33共五十四頁C級 偶爾發(fā)生(fshng)。單一失效模式概率總失 效概率的1，但10。D級 很少發(fā)生。單一(dny)失效模式概率總失 效概率的0.1，但1。E級 極少發(fā)生。單一失效模式概率總失 效概率的0.1。34共五十四頁二、定量分析(dnglingfnx)能提供(tgng)正確的失效概率數(shù)據(jù)時可用定量分析。1.失效后果概率(也稱損失概率)見表4-535共五十四頁2. 失效模式嚴重(ynzhng)度數(shù)字Cm (1)

18、 Cm：在一種嚴重性級別(jbi)下由失效模式之一所占嚴重數(shù)字的份額。(2) Cm 計算式：(4-1)式中 失效后果概率； p 元件失效率( )； t 某任務階段內的工作時間(h)； 失效模式相對頻率(其值見表4-6)。36共五十四頁37共五十四頁3. 產品(chnpn)嚴重度數(shù)字 Cr(4-2)式中 n 屬于某一嚴重度的失效模式數(shù)； j 產品(chnpn)在該嚴重度下的最后一個失 效模式。38共五十四頁例4-3 若某一產品失效率 ， 在某一任務階段，出現(xiàn)兩個級嚴重性的失效模式(msh)和一個級嚴重性的失效模式(msh)。這三個失效模式(msh)的相對頻率分別為1 = 0.3 , 2 = 0.

19、2 , 3= 0.5 ,失效后果概率均為0.5，在該階段工作1h。 解 ： (1) 求 Cm 根據(jù)式(4-1) 級嚴重性的第一個失效模式(msh)的嚴重度數(shù)字為： 求該產品在此任務段、嚴重性級別為級的 Cm 和Cr。39共五十四頁級嚴重性的第二個失效(sh xio)模式的嚴重度 數(shù)字為：40共五十四頁(2) 求 Cr根據(jù)(gnj)式(4-2) 級嚴重性的產品嚴重度數(shù)字為：41共五十四頁三、嚴重(ynzhng)度矩陣 嚴重(ynzhng)度矩陣是將產品項目或失效模式的標號按嚴重性級別與失效模式的發(fā)生概或嚴重度數(shù)字Cr進行排列。嚴重度矩陣是FMECA中的一部分。 即以嚴重性級別為橫坐標，以發(fā)生概或

20、嚴重度數(shù)字Cr為縱坐標畫一嚴重度的分布圖，如圖4-5所示。42共五十四頁圖4-5 嚴重度矩陣 由圖可見，某一失效模式(msh)在圖中沿對角上線離開原點愈遠，則愈嚴重，而愈迫切要采取補救措施。43共五十四頁四、嚴重度分析(fnx)的用途 若某種失效(sh xio)模式發(fā)生概率很高，則有必要采取措施降低對維修和后勤的要求。嚴重度分析的用途:主要用手維修和后勤保障方面的分析。44共五十四頁機車車輛 FMEA分析(fnx)實例國際鐵路聯(lián)盟的研究與試驗(shyn)機構的B176委員會（UIC ORE B176）對機車車輛轉向架進行了深入的研究，進行了大量的實驗和評估，并為選擇高速機車車輛的樣機轉向架進行

21、了費用效能分析。 決策基礎的重要部分45共五十四頁方法(fngf)描述：1、部件描述2、與安全有關的各種部件的描述3、可能(knng)的故障4、損壞特征、可能的原因及其影響的評估5、故障檢測6、目前的改進措施7、對系統(tǒng)的影響46共五十四頁轉向架系 統(tǒng)鋼軌使用區(qū)域100鋼軌與軸箱間的部件200軸箱300軸箱與轉向架間部件400轉向架構架500轉向架構架與車體間部件600車體700輪/軌210輪對220軸承230一系懸掛410輪對導向裝置420輪對轉向架421軸箱定位裝置421二系懸掛610轉向架-車體的連接620抗側滾裝置630限位止擋621彈簧裝置611減振器61247共五十四頁故障(gzhn

22、g)類型：1、A型故障：由于生產或裝配造成的功能喪失 通過工廠和檢修保證狀態(tài)(zhungti)良好2、B型故障：產品功能的逐漸退化 引入一個正常的檢測系統(tǒng)3、C型故障：產品功能的突然喪失 48共五十四頁代碼與零部件名 稱110鋼軌（使用區(qū)域）故障類型橫向位移阻力降低，鋼軌型面不符合設計規(guī)范橫向加速度過高速度過高故障影響影響低，對所有轉向架影響皆相同影響小，對所有轉向架影響皆相同影響小，對所有轉向架影響皆相同故障危害在最大運行速度時測得的鋼軌力是安全的加速度超過正常值，橫向鋼軌力增加速度超過正常值，橫向鋼軌力增加危險性被評估與參考轉向架相比危險性可以接受機車車輛轉向架EFMA表格(biog)49共五十四頁機車車輛轉向架EFMA表格(biog)（續(xù)）代碼與零部件名 稱210車輪/鋼軌230輪對軸承300軸箱故障類型車輪與鋼軌的接觸尺寸不當軸箱過熱軸箱破損故障影響由于磨損車輪型面快速形成大錐度影響不可避免一般不會發(fā)生故障危害不良的接觸影響轉向架穩(wěn)定性的靈敏度如果不及時報告，運行危