故障类型和影响分析WJL

故障类型及影响分析（FMEA ）

2016年10月8日 深圳南山

故障类型及影响分析（Falure Mode & Effect Anlysis,FMEA）是一种广泛使用的非常重要的系统安全分析方法。我国国家军用标准中明确指出：FMEA 是找出设计上潜在缺陷的手段，是设计审查中必须重视的资料之一。 1. 目的

故障类型及影响分析的目的是辨识设备或系统的故障及每种故障模式对系统或装置造成的影响。评价人员通常提出增加设备可靠性的建议，进而提出工艺安全对策。 2. 基本概念

2.1 故障：一般指元件、子系统或系统在规定的运行时间和条件内，达不到设计规定功能的情况。

2.2 故障类型：系统、子系统或元件的每一种故障的形式称为故障类型。例如，一个阀门故障可以有四种故障类型：内漏、外漏、打不开、关不严。表2-1列出了一般故障类型的分类，各种故障类型一般可按表中分类考虑。

表2-1 故障类型及原因

2.3 故障等级：根据故障类型对系统或子系统影响的程度不同而划分的等级称为故障等级。 3. 故障类型分级方法 3.1 定性分级方法

通常，定性分级方法按故障类型对子系统或系统影响的严重程度分为四级（见表2-2）。划分故障等级的目的主要是划分轻重缓急，以采取相应的对策，提高系统安全性。 3.2 半定量故障等级划分方法

半定量的等级划分是依据损失的严重程度、故障的影响范围、故障发生的概率、防止故障的难易程度和工艺设计情况确定的。

在难以取得可靠性数据的情况下，可以采用评点法，此法简单，划分精确。它从几个方面来考虑故障对系统的影响程度，用一定点数表示影响程度的大小，通过计算，求出故障等级。

评点数计算公式为：

C s =1∙C 2∙ ∙C i

式中 Ci ——因素系数，0＜C i ＜10； Cs ——总点数，0＜C s ＜10。

如何确定点数C i 呢？可采取专家座谈会法，即由3-5位有经验的专家座谈讨论，提出该给C i 什么数值，这种方法又称BS 法（Brain Storming ），意思是集中智慧。另一种方法是德菲尔法，就是函询调查法，即将提出的问题和必要的背景材料，用通信的方式向有经验的专家提出，然后把他们的答复意见进行综合，再反馈他们，如此反复多次，直到得到认为合适的意见为止。

另一种求点数的方法见表2-3，可根据评点数因素求出点数，相加后计算出总点数C s 。

由以上两种方法求出的总点数，均可按表2-4评选故障等级。

3.3 风险矩阵法

故障的发生可能性和故障发生后引起的后果，综合考虑后会得到比较准确的衡量标准，这个标准被称为风险（也称危险度），它代表故障概率和严重度的综合评价。

3.3.1 严重度。指故障类型对系统功能的影响程度，分为四个等级（见表2-5）。

表2-5 严重度的等级与内容

3.3.2 故障概率。指在一个特定时间内，故障类型所出现的次数。时间可规定为一定的期限，如一年、一个月等；或根据大修间隔期、完成一项任务的周期或其他被认为适当的期间来决定。

可以使用定性和定量方法确定单个故障类型的概率。具体分级如下：

1）故障率的定性方法分类

Ⅰ级：故障概率很低，元件操作期间出现的机会可以忽略。

Ⅱ级：故障概率低，元件操作期间不易出现。

Ⅲ级：故障概率中等，元件操作期间出现的机会为50%。 Ⅳ级：故障概率高，元件操作期间易于出现。 2）故障概率的定量方法分类

Ⅰ级：在元件工作期间，任何单个故障类型出现的概率，少于全部的故障概率的0.01。

Ⅱ级：在元件工作期间，任何单个故障类型出现的概率，多于全部故障概率的0.01而少于0.10。

Ⅲ级：在元件工作期间，任何单个故障类型出现的概率，多于全部故障概率的0.10而少于0.20。

Ⅳ级：在元件工作期间，任何单个故障类型出现的概率，大于全部的故障概率的0.20。

3.3.3 风险矩阵。有了严重度和故障概率的数据以后就可运用风险率矩阵评价法。有的故障类型虽有高的发生概率，但造成的危害严重度甚低；而有的即使危害的严重度很大，但发生概率很低，所以风险率也不高。

为了综合这两个特性，可以以故障概率为纵坐标，严重度为横坐标，画出风险矩阵（见图2-1）。沿矩阵原点到右上角画一对角线并将所有故障类型按其严重度和发生概率填入矩阵中，可以看出系统风险的密集情况。处于右上角方块中的故障类型风险率最高，依次左移，风险率逐渐降低。

图2-1 风险矩阵

4. FMEA的特点及优缺点

4.1 故障类型影响分析的特点及优缺点：

① 能够明确地表示出局部的故障讲给系统整体的影响，确定对系统安全性给予致命影响的故障部位。因此，对组成单元或子系统可靠性的要求更加明确，并且能够提出它们的重要度。利用FMEA 也很容易从逻辑上发现设计方面遗漏和疏忽的问题。⑥⑦

② 能用定性分析法来判断可靠性和安全性的大小或优劣，并能提出问题和评价其重要度。

③ FMEA法不仅用于产品设计、制造、可靠性设计等方面，而且还可以把设计和质量管理、可靠性管理等活动有机连接起来。因此，对系统规定评价是非常有利的。

④ 应用时，若把重要的故障类型忽略了，则所进行的分析，特别是所进行的预测将是徒劳无用的。所以，对重要故障类型不能忽略。 ⑤ 为定量地进行系统安全性预测、评价和其他安全性研究提供

一定的数据资料。

⑥ 故障类型和影响分析是从系统的末一级向上一级分析，及从小的、局部的至整个系统进行分析，其优点是书写格式简单，可用较少的人力、且无需经过特别的训练就可以进行分析。它的缺点是缺乏逻辑性，难以分析各个元素之间的影响，若两个以上元素同时发生故障，分析比较困难。通常情况下，FMEA 方法中的元素局限于“物”的因素，这就难以查处人的原因。对某一元素而言，也可以包括人的误操作。

4.2 FMEA基本原理：

1）故障类型：运行过程中的故障；过早地启动；规定的时间内不能启动；规定的时间内不能停车；运行能力降低、超量或受阻。 2）造成原件发生故障的原因：设计上的缺点；制造上的确定；质量管理方面的缺点；使用上的缺点；维修方面的缺点。 3）故障等级：

① 简单划分时利用下表

故障类型分级表

② 评点法

上述方法中的每一项有经验来判断，也可用公式来算： ③ 风险矩阵法

4）可靠性框图，也叫做逻辑图，以下图举例说明：

● 主系统分成三个子系统，即10,20,30，当然每一个子系统发生故障，都会对主系统产生影响。 ● 子系统10又包括组件11,12,13。

● 组件11受元件01A 的，01B ，02，03，04，05与06的影响，它们在串联的情况下进行工作。 ● 元件01A ，01B 是冗余系统。 ● 元件02由两个零件a 和b 组成。

● 从功能上看，元件03同时受到07和来自其他系统的影响。 ● 虚线所包含的零件04咋特定的情况下发生作用。 ● 正常运行时，元件07不工作。

● 元件05和06是备件，在某些特定的情况下，06发生故障时，05起作用。 5. 资料文件的要求

使用FMEA 方法需要如下资料：

● 系统或装置的PID 图（工艺管理仪表流程图） ● 设备、配件一览表

● 设备功能和故障模式方面的知识

● 系统或装置功能及对设备故障处理方法的知识

FMEA 方法可由单个分析人员完成，但需要其他人进行审查，以保证完整性。对评价人员的要求随着评价的设备项目大小、复杂程度等因素有所不同。所有的FMEA 评价人员都应对设备功能及故障模式熟悉，并了解这些故障模式如何影响系统或装置的其他部分。 6. 制表

使用FMEA 方法的特点之一就是制表。由于表格便于编码、分类、查阅、保存，所以很多部门根据自己的情况拟出不同表格（见表2-6、表2-7、表2-8），但基本内容相似。

7.FMEA 分析步骤及内容： ● 明确系统本身的情况和目的。 ● 确定分析深度。

● 绘制系统该系统图（功能框图）或可靠性框图。（所谓的可靠性框图，即，它表示各元件是串联的或并联的以及输入、输出情况） ● 按照可靠性框图，列出所有故障模式并选出对系统有影响的故障类型。

● 分析构成故障模式的原因及其检测方法，并制成故障模式和影响分析表。

● 对危险性特别大的故障类型，如故障等级为Ⅰ级，可进行进一步的分析。

内容：对象（设备、组件、零件等）；功能；故障模式；设想原因；故障影响；检测方法；补偿方法；危险度；备注。

以手电筒为例，说明FMEA 的过程：（根据框图分析各部分的故障类型，进而进行FMEA ）

手电筒FMEA 一览表（部分）

8. 致命度分析

对于特殊危险的故障类型，如故障等级为I 级的故障类型，有可

能导致人员伤亡或系统损坏，因此，对这类元件要特别注意，可采用致命度的分析方法（CA ）进一步分析。

n

c r =∑(α⋅β⋅K A ⋅K E ⋅λG ⋅t ⋅106)

i =1

美国汽车工程师学会（SAE ）把故障致命度分成表2-9中的四个等级。