系統(tǒng)可靠性課件：Failure Mode Effect Analysis

1、Failure Mode Effect Analysis(FMEA)1957年美國國防部成立電子設備可靠度顧問小組對可靠度下一定義 ，此定義如下： 可靠度為物品于即定的時間內，在特定的使用條 件，執(zhí)行特定的性能或功能，圓滿成功達成任務 的機率。從此一定義可以看出，可靠度基本上是由功能、使用條件、 時間和成功機率四個要素組成?？煽慷鹊幕径x自用轎車在一般市區(qū)的行駛條件時速在30-60 km/小時，10-12 km/每公升的燃料費輕踩就能安全地停止煞車維持購買時的水平如果將可靠度的定義對照到上圖，所謂的可靠度是指系統(tǒng)(汽車)在規(guī)定的使用條件(在一般市區(qū)行駛)在期望或即定的期間(時間)(10萬公里

2、)執(zhí)行的功能(可以行駛)達成任務的機率10萬公里可靠度定義說明(1)使用的條件(1)環(huán)境條件：包含溫度、濕度、壓力、風、雷電、 鹽霧、塵埃、加速、地震等情況。(2)操作條件：依使用的型式而造成的負荷、沖擊、 振動、加熱、加速度等操作情況。(2)規(guī)定的時間(1)依使用型式規(guī)定的時間：間歇性的使用次數(shù)、行 駛距離等。(2)若為連續(xù)使用的系統(tǒng)，則為總使用時數(shù)、或任務 時間、總行駛距離等。(3)對于限用一此的項目，如火箭、安全氣囊，則無 時間的規(guī)定。(3)要求的功能在無故障的情況下操作。(4)成功的機率使用信賴水平、壽命、失效率，與MTBF等表示。 FMEA的歷史演進美國1950年代初期葛魯曼公司應用

3、在海軍戰(zhàn)機的主操控系統(tǒng)的設計開發(fā)，得到很大的成果。1960年代初期航空太空總署(NASA)將FMEA成功地應用于航天計劃1965年應用在產業(yè)界，使FMEA有關安全性的一種設計工具1957 年波音(Boeing)與馬丁(Martin Marietta)公司在其工程手冊中正式列出FMEA之程序1974年同時美國軍方也開始應用FMEA技術，并于1974年出版軍用標準FMECA程序MIL-STD-1629 ，于1980年改版為MIL-STD-1629A，至今仍為全球重要之FMEA參考標準1985年由國際電工技術委員會所出版之國際標準IEC 812即為參考MIL-STD-1629A加以部份修改而成之FM

4、EA程序美國三大汽車廠完成潛在失效模式與效應分析(FMEA)參考手冊，確立了FMEA在汽車工業(yè)的必要性，并統(tǒng)一其分析程序與表格，在1995年完成修定二版，并成為SAE正式技術文件SAE J-17391993年 FMEA的歷史演進(續(xù))日本1973年于日本科學技術連盟機械工業(yè)信賴性部會中，發(fā)表FMEA/FMECA的解說1976年1973年活用在汽車零件工業(yè)的開發(fā)設計與工程設計于日本科學技術連盟舉辦地一屆的實務講座，持續(xù)到現(xiàn)在 失效模式與效應分析 (FMEA) 是評估設計過程中，使 用一種特定規(guī)則，列舉產品所有可能潛在的失效，以 決定每一個失效對整個系統(tǒng)操作之影響，以及認定單 一的失效對任務成功與

5、人員安全之關鍵性。 FMEA也可按失效影響之嚴重等級分類，列出失效關 鍵性之影響與可能發(fā)生之機率。 結合FMEA與關鍵性分析(Criticality Analysis, CA) 這兩 種分析方法的過程稱為失效模式效應與關鍵性分析 (Failure Mode Effect and Criticality Analysis, FMECA)。FMEA的基本概念 Blache and Shrivastava 在1994年的論文Defining Failure of Manufacturing Machinery &Equipment將失效的型式分類如 下：失效的基本定義失效間歇性的失效延伸性的失效完全

6、的失效部份的失效瞬間性的失效逐漸性的失效崩潰性的失效瞬間性的失效逐漸性的失效退化性的失效 間歇性的失效(Intermittent failure)：失效僅持續(xù)很短的時間 延伸性的失效(Extended failure)：失效會一直持續(xù)，直到將 失效的零件更換或修理完后才停止完全的(Complete)失效：導致所有的功能喪失部份的(Partial)失效：導致部份的功能喪失瞬間性(Sudden)的失效：無法藉由先前的測試或檢查預 測失效的發(fā)生逐漸性(Gradual)的失效：可以藉由先前的測試或檢查 預測失效的發(fā)生 完全又瞬間性的失效稱為崩潰性(Catastrophic)的失效，而部份 又逐漸性的失

7、效稱為退化(Degradation)的失效性。失效的基本定義(續(xù)) 功能分析法(Function Approach)：根據(jù)硬品的輸出功能，分析 造成失效的可能原因，由于設計數(shù)據(jù)欠缺與硬件型態(tài)仍未固 定，因此適合在設計初期使用，屬于由上而下分析法。 硬品分析法(Hardware Approach)：當系統(tǒng)的組合層次定義相 當清楚，已經有完整的圖樣、工程設計規(guī)格等詳細數(shù)據(jù)可供 參考時，屬于由下向上分析法。FMEA分析的方式Radio本體耳機線圈蜂鳴器電源供應器天線喇叭麥克風 硬件分解范例Radio 功能分解范例RadioRadio發(fā)射電能線圈蜂鳴器電源供應器天線喇叭麥克風接收蜂鳴 MIL-STD-

8、1629A過去最被熟知的參考數(shù)據(jù)， 廣受國防工業(yè)與一般業(yè)界參考使用。內容涵蓋 Task 101-104，已被美國國防部取消。 SAE J1739 美國三大汽車廠共同制定，成為 QS 9000的執(zhí)行參考文件?，F(xiàn)已成為各界執(zhí)行 FMEA的標準。FMEA的參考數(shù)據(jù) 選擇適當?shù)腇MEA工作表格，為分析之首要工作。 表一系摘錄自美軍規(guī)范 MIL-STD-1629A 的表格，也是最 早使用的分析表格。 美國三大汽車廠則改用以評點的方式評估其嚴重等級（參 考SAE J1739）如表二所示。FMEA的分析表格系統(tǒng)名稱：層次：參考圖號頁次：分析者審核者：表一： Failure Mode and Effect A

9、nalysisProcess 1 Scheduled Production Release 6Primary Process Responsibility 2 Engineer 7Other Division/PEO Involved 3 Section Supervisor 8 Outside Suppliers Affected 4 FMEA Date Original Revised 9Model Year/Product(s) 5 表二：制程之FMEA 由于產品的發(fā)展階段特性，F(xiàn)MEA分成兩類型式：設計FMEA(DFMEA)制程FMEA(PFMEA) DFMEA 與 PFMEA主要的區(qū)

10、分是目的不同SAE J1739 FMEA的型式設計FMEA：一開始就針對所分析的系統(tǒng)、次系統(tǒng)，及 或 組件著手建立方塊圖，建立方塊圖(block diagram)的主要目 的是了解方塊的輸入量、在方塊內部的制程(功能) 、方塊 的輸出量，主要是表示如信息、能量、力與流體等的輸入 與輸出流程。制程FMEA：一開始就針對一般的制程建立流程圖 風險評 估，而流程圖應確認與每一項操作步驟有關的產品 制程的 特性，當確認某些步驟為高風險時，就要評估是否要執(zhí)行 FMEA。SAE J1739 FMEA的型式(續(xù))PFMEA：流程圖 風險評估的范例車門內部噴蠟的應用 制程的步驟 風險評估1)從支撐座取得噴蠟棒

11、2)打開車門3)*插入噴蠟棒并拉開扳機12秒4)松開扳機等3秒5)移開噴蠟棒6)關車門7)將噴蠟棒放回支撐座低風險低風險高風險中度風險中度風險低風險低風險注：*因屬于高風險，表示需要執(zhí)行 FMEAD/P FMEA 的區(qū)分 執(zhí)行DFMEA時，分析小組成員會問？當某個設計失效時，會造成什么的效應？我們應該如何去預防這些潛在性的設計失效？ 執(zhí)行PFMEA時，分析小組成員會問？當某個制程失效時，會造成什么的效應？我們應該如何去預防這些潛在性的制程失效？ 確認要執(zhí)行實施FMEA的系統(tǒng)，輔助系統(tǒng)之任務明確設定系統(tǒng)之可靠度目標 設定系統(tǒng)的硬件分解結構制定系統(tǒng)的可靠度方塊圖列舉每一個方塊圖內的失效模式 設計F

12、MEA的實施程序依各選出的失效模式列舉其失效原因記錄在FMEA的工作表格參考設計條件、嚴重等級分類基準、歸納整理FMEA從嚴重等級高者優(yōu)先歸納出矯正措施，檢討是否要進行設計變更對矯正措施（包括設計變更）明確 5 W l H設計FMEA的實施程序(續(xù)) 產品設計邏輯的圖面 以長方形的方式圖示組件或次系統(tǒng)之間的接口關系 在建構FMEA時，方塊圖可做為分析的參考數(shù)據(jù)，以確保所有的功 能皆有納入考慮可靠度方塊圖(block diagram) 制作可靠度方塊圖的理由：于方塊圖內假設該項目的潛在失效， 完整地檢討在系統(tǒng)里發(fā)生的失效及其影響。 制作可靠度方塊圖的分析層次：多半使用在次系統(tǒng)、組合件層次 ，若分

13、析層次分的太細的話，則失效的檢討將窒礙難行，無法呈 現(xiàn)其效果?？煽慷确綁K圖(續(xù)) 可靠度方塊圖的制定程序 功能方塊圖最好是在同一分析層次 在同一個方塊圖里不要放其他功能的物品 達成同一任務的幾種功能方塊，若互相獨立時要以串聯(lián)方式接續(xù) 達成同一任務的幾種功能方塊，具有復連時要以并聯(lián)方式接續(xù) 可靠度功能方塊圖串聯(lián)系統(tǒng)并聯(lián)系統(tǒng)復雜系統(tǒng)復雜系統(tǒng)的可靠度方塊圖ABC系統(tǒng)方塊名稱方塊編號A11.11.02.03.0A21.2A31.3B12.1B22.2C13.1C2a3.2aC2b3.2bC33.3 FMEA 的分析流程系統(tǒng)功能模式 失效1.機制2.模式失效偵測方法 次系統(tǒng)1.組件2.界面危險優(yōu)先指數(shù)1

14、.嚴重等級2.發(fā)生機率3.偵測難檢度失效效應1.系統(tǒng)2.任務輸入至其他工作1.危害分析2.質量管理3.后勤支援分析數(shù)據(jù)源1. 現(xiàn)場報告2. 其他規(guī)格、藍圖制程矯正行動有效嗎?否是數(shù)據(jù)源1. 現(xiàn)場報告2. 其他FMEA的期待成效 具體的指出設計上的可靠度與安全性的缺陷，以便能提出對 策建議。 在所要求的操作、環(huán)境條件下，對于不適當?shù)脑O計可立即提 出改善。 透過實施有效的FMEA，可望縮短開發(fā)成本與時間。 FMEA是對產品責任(Product Liability)有幫助的工具規(guī)格：XXXXXX頁次：功能失效模式效應SEV原因OCCDETRPN改進建議狀況 FMEA分析表格 字段的說明效應(effe

15、ct)描述失效模式的結果嚴重度(SEVerity)描述發(fā)生該失效模式所導至效應的嚴重程度 (等級 110)原因(cause)描述引發(fā)該失效模式的條件或理由發(fā)生率(OCCurrence)分為兩種(等級110) ，第一種是描述該失效模式 發(fā)生的頻率，第二種是描述引發(fā)該失效模式的原因所發(fā)生的頻率難檢度(DETection)描述偵測出失效模式或失效原因的能力(等級110)風險優(yōu)先指數(shù)(Risk Priority Number, RPN) SEV * OCC * DET (等級 11000) 失效模式應以物理性或技術性的詞匯表示，而不是以顧客 所注意的征兆表示。典型的失效模式如破裂的、變形、松 開、泄漏

16、、短路、氧化、斷裂等。失效效應是以顧客所察覺或經驗表示。效應必須根據(jù)指定 的分析系統(tǒng)、次系統(tǒng)或零件之間的層次表示。例如某個零 件斷裂 ，可能引起組件振動，倒致系統(tǒng)間歇性的操作，因 此可能引起性能退化，最終引起顧客不滿。失效模式與失效效應現(xiàn)有的設計管制：有三種型式的設計管制可提供考慮預防失效原因機制或模式效應發(fā)生，或降低發(fā)生率偵測到失效原因機制后，并采取矯正行動 偵測到失效模式優(yōu)先級：假如可能的話是第一種型式為第一優(yōu)先考慮， 接著第二、三種型式分別為第二、三順位設計管制 失效原因確認原因的七個步驟如下：1. 記錄失效模式2. 審查對應的方塊圖3. 以腦力激蕩的方式探討所有可能的原因4. 使用魚骨

17、圖(或稱Ishikawa diagram)建構所有的原因5. 假如魚骨圖很明顯不夠完整的話，執(zhí)行失效樹分析6. 審查魚骨圖，篩選出真正的根本原因(root cause)7. 將根本原因轉成 FMEA 格式失效原因 機制盡可能愈簡潔與完整地列舉，如此才可針 對切題的原因采取對策解決。典型的失效原因如使用的材料錯誤、過應力、潤滑不夠、 維修指令錯誤等。典型的失效機制如彎曲疲勞、材料不穩(wěn)定、潛變、磨耗腐 蝕 等。失效原因(續(xù)) 依照國際電工委員會出版的IEC 50(191)針對失效原因的分類如下：失效原因(續(xù))失效原因設計設計上的失效脆弱性的失效制造使用制造性的失效壽限性的失效誤用上的失效處理不當?shù)?/p>

18、失效 設計上的失效(Design)：由于設計不當所造成 脆弱性的失效(Weakness)：由于系統(tǒng)本身的脆弱性，使得在一 般環(huán)境下無法抵擋外界應力 制造上的失效(Manufacturing)：由于制造上的不符合所造成 壽限上的失效(Aging)：由于壽限或使用年限的效應所造成 誤用上的失效(Misuse)：由于系統(tǒng)誤用(設計的系統(tǒng)與預期的操 作環(huán)境不一樣)處理不當?shù)氖?Mishandling)：由于不正確的處理、不小心、維 修所造成失效原因(續(xù))原因原因原因原因失效模式魚骨圖失效模式原因原因原因原因原因原因失效樹 改進的建議：應針對高的RPN與關鍵項目采取矯正行動， 主要的目的是降低S、O、

19、D其中之一或全部的評點。增加設計的驗證與確認行動僅降低難檢度的評點經由設計變更移除或管制某項或更多的失效原因 (或機制)可有效的降低發(fā)生率只有設計變更方可降低嚴重度等級采取的行動如實驗設計、更改測試計劃、更改設計、 更改材料規(guī)格等改進的建議嚴重度(Severity)等級顧客不會注意到效果影響很小，顧客雖注意到，但不會造成不便效果影響很小，雖已造成顧客的不便，但仍不至于尋求服務效果影響很小，顧客要求服務效果影響小，顧客要求立即的服務效果適度的影響，已造成顧客的不滿效果適度的影響，已造成顧客的抱怨效果影響大，引起系統(tǒng)中斷，屬于硬性的失效效果影響很嚴重，系統(tǒng)完全當機，有安全之虞效果影響很嚴重，生命受

20、到威脅12345678910發(fā)生率(Occurrence)等級絕對不會發(fā)生幾乎不會發(fā)生發(fā)生的機會極小發(fā)生的機會很小偶爾會發(fā)生適度的發(fā)生經常的發(fā)生發(fā)生的機會很高發(fā)生的機會極高一定會發(fā)生12345678910 25%難檢度(Detection)等級不可能偵測到很困難偵測到偵測到的機會極小偵測到的機會很小偵測到的機會小偵測到的機會中等偵測到的機會有點高偵測到的機會高偵測到的機會很高一定可以偵測的到10987654321規(guī)格：XXXXXX頁次：功能失效模式效應SEV原因OCCDETRPN改進建議狀況要采取什么建議呢？預防該失效模式降低嚴重度等級減少發(fā)生的機率改進偵測的能力投影機 的可靠度功能方塊圖電線

21、馬達開關燈泡面板支撐臂鏡頭FMEA小組的功能的描述：提供燈光影像的投射影像的擴大能夠支持投影片可攜式放大功能聚焦運轉安靜操作溫度的維持物料與溫度的隔離使操作人員與熱隔離承受110/220電壓的操作提供電力自我冷卻必須能夠對準影像討論與審查后FMEA小組的功能的描述：提供燈光影像的投射影像的擴大能夠支持投影片可攜式放大功能聚焦運轉安靜操作溫度的維持物料與溫度的隔離使操作人員與熱隔離承受110/220電壓的操作提供電力自我冷卻必須能夠對準影像 功能的描述：提供燈光操作溫度的維持聚焦影像的投射影像的擴大 失效模式：無法工作無法工作不能使用不能使用無法工作 效應：？ 功能的描述：提供燈光操作溫度的維持

22、聚焦影像的投射影像的擴大 失效模式：無法提供燈光超出操作溫度不能聚焦影像無法投射影像無法擴大FMEA小組針對失效模式的敘述改以負面功能的方式表示規(guī)格：XXXXXX頁次：1功能失效模式效應SEV原因OCCDETRPN改進建議狀況提供光線支持投影片對準影像操作溫度的維持110/220的電壓操作沒有光線無法支持無法對準溫度過高只有110的電壓規(guī)格：XXXXXX頁次：2功能失效模式效應SEV原因OCCDETRPN改進建議狀況聚焦投射影象影像的擴大運轉安靜絕緣熱不能調焦距無法投射無法擴大影像噪音絕緣效果差規(guī)格：XXXXXX頁次：1功能失效模式效應SEV原因OCCDETRPN改進建議狀況提供光線支持投影片

23、對準影像操作溫度的維持110/220的電壓操作沒有光線無法支持無法對準溫度過高只有110的電壓不能看使用困難無法看清處喇叭投影機燒掉82396規(guī)格：XXXXXX頁次：2功能失效模式效應SEV原因OCCDETRPN改進建議狀況聚焦投射影象影像的擴大運轉安靜絕緣熱不能調焦距無法投射無法擴大影像噪音絕緣效果差閱讀困難不能看無法看遠處聽不清處5827喇叭投影機燒掉96規(guī)格：XXXXXX頁次：1功能失效模式效應SEV原因OCCDETRPN改進建議狀況提供光線支持投影片對準影像操作溫度的維持110/220的電壓操作沒有光線無法支持無法對準溫度過高只有110的電壓不能看使用困難無法看清處喇叭投影機燒掉823

24、96燈泡燒調或損毀面板損壞絞鏈損壞風扇或傳感器故障7314規(guī)格：XXXXXX頁次：2功能失效模式效應SEV原因OCCDETRPN改進建議狀況聚焦投射影象影像的擴大運轉安靜絕緣熱不能調焦距無法投射無法擴大影像噪音絕緣效果差閱讀困難不能看無法看遠處聽不清處5827喇叭投影機燒掉96旋鈕損壞燈泡燒掉或故障風扇松動6429鏡頭或旋鈕損壞風扇或傳感器故障2規(guī)格：XXXXXX頁次：1功能失效模式效應SEV原因OCCDETRPN改進建議狀況提供光線支持投影片對準影像操作溫度的維持110/220的電壓操作沒有光線無法支持無法對準溫度過高只有110的電壓不能看使用困難無法看清處喇叭投影機燒掉82396燈泡燒調或

25、損毀面板損壞絞鏈損壞風扇或傳感器故障73144639224369324216規(guī)格：XXXXXX頁次：2功能失效模式效應SEV原因OCCDETRPN改進建議狀況聚焦投射影象影像的擴大運轉安靜絕緣熱不能調焦距無法投射無法擴大影像噪音絕緣效果差閱讀困難不能看無法看遠處聽不清處5827喇叭投影機燒掉96旋鈕損壞燈泡燒掉或故障風扇松動6429鏡頭或旋鈕損壞風扇或傳感器故障26469180128241621087441規(guī)格：XXXXXX頁次：1功能失效模式效應SEV原因OCCDETRPN改進建議狀況提供光線支持投影片對準影像操作溫度的維持110/220的電壓操作沒有光線無法支持無法對準溫度過高只有110的

26、電壓不能看使用困難無法看清處喇叭投影機燒掉82396燈泡燒調或損毀面板損壞絞鏈損壞風扇或傳感器故障73144639224369324216增加一個備份燈泡提升熱傳感器的等級待成本研討后再決定同意規(guī)格：XXXXXX頁次：2功能失效模式效應SEV原因OCCDETRPN改進建議狀況聚焦投射影象影像的擴大運轉安靜絕緣熱不能調焦距無法投射無法擴大影像噪音絕緣效果差閱讀困難不能看無法看遠處聽不清處5827喇叭投影機燒掉96旋鈕損壞燈泡燒掉或故障風扇松動6429鏡頭或旋鈕損壞風扇或傳感器故障26469180128241621087441增加一個備份燈泡待成本研討后再決定提升絕緣材料同意電線馬達開關面板支撐臂

27、鏡頭沒有燈光OR電力次系統(tǒng)燈光次系統(tǒng)機械次系統(tǒng)OROR電線馬達燈泡開關接觸0.020.010.02980.10.02980.010.020.15280.1現(xiàn)有的設計 組件：電線馬達燈泡開關接觸 發(fā)生之機率：0.020.010.10.010.02使用失效樹分析(Fault Tree Analysis)的Logic Gate 觀念計算失效模式的發(fā)生機率Logic Gate計算公式ANDORP(a) x P(b) x P(n)P(a + b) -P(a x b) = P(a) + P(b) - P(a x b)范例：電力次系統(tǒng) = (0.02 + 0.01) - (0.02 x 0.01) = 0.

28、0298 燈光次系統(tǒng) = 0.1 機械次系統(tǒng) = (0.02 + 0.01) - (0.02 x 0.01) = 0.0298電線馬達開關面板支撐臂鏡頭沒有燈光OR電力次系統(tǒng)燈光次系統(tǒng)機械次系統(tǒng)OROR電線馬達燈泡開關接觸0.020.010.02980.010.02980.010.020.06810.1新的設計燈泡0.1AND檢查 傳統(tǒng)的分析方法 RPN = 嚴重度(Severity)發(fā)生率(Occurrence)難檢度(Detection)XX RPN 高風險 中風險 低風險傳統(tǒng)的RPN是主動式(SEV, OCC)與被動式(DET)設計的組合 新的分析方法 面積圖(Area Chart)嚴重度(Severity)發(fā)生率(Occurrence)XX=8234567191012345678910高風險中風險低風險發(fā)生率嚴重度 范例