安全系統(tǒng)工程-第五章故障模式影響及危害度分析

第五章故障類型、影響及危險(xiǎn)度分析

西安建筑科技大學(xué)安全研究所2內(nèi)容提要概述FMECA的定義、目的和作用FMECA的方法FMECA的步驟故障類型和影響分析危險(xiǎn)度分析應(yīng)用案例3概述元部件的故障對系統(tǒng)可造成重大影響災(zāi)難性的影響挑戰(zhàn)者升空爆炸——發(fā)動(dòng)機(jī)液體燃料管墊圈不密封致命性的影響起落架上位鎖打不開以往設(shè)計(jì)師依靠經(jīng)驗(yàn)判斷元部件故障對系統(tǒng)的影響依賴于人的知識和工作經(jīng)驗(yàn)系統(tǒng)的、全面的和標(biāo)準(zhǔn)化的方法—FMECA設(shè)計(jì)階段發(fā)現(xiàn)對系統(tǒng)造成重大影響的元部件故障設(shè)計(jì)更改、可靠性補(bǔ)償是可靠性、維修性、保障性和安全性設(shè)計(jì)分析的基礎(chǔ)4基本概念及格式故障：指系統(tǒng)或元素在運(yùn)行過程中，因?yàn)樾阅艿拖露荒軐?shí)現(xiàn)預(yù)定的功能的現(xiàn)象。故障類型指系統(tǒng)中相同的組成部分和元素所發(fā)生故障的不同形式。

——故障類型是故障的表現(xiàn)形式，如起落架撐桿斷裂、收放不到位等。一般可從五個(gè)方面來考慮：運(yùn)行過程中的故障；過早地啟動(dòng)；規(guī)定的時(shí)間內(nèi)不能起動(dòng)；規(guī)定的時(shí)間內(nèi)不能停車；運(yùn)行能力降級、超量或受阻。危險(xiǎn)度：危險(xiǎn)度分析是對系統(tǒng)中組成部分和元素的不同故障類型危險(xiǎn)程度（危險(xiǎn)度）的分析。5典型故障類型GJB1391《故障類型、影響及危險(xiǎn)度分析》序號故障類型序故障類型序號故障類型1結(jié)構(gòu)破損12超出允許下限23滯后運(yùn)行2機(jī)械性卡住13間斷運(yùn)行24輸入量過大3振動(dòng)14運(yùn)行不穩(wěn)定25輸入量過小4不能保持在制定位置上15意外運(yùn)行26輸出量過大5不能開啟16錯(cuò)誤指示27輸出量過小6不能關(guān)閉17流動(dòng)不暢28無輸入7誤開18假運(yùn)行29無輸出8誤關(guān)19不能開機(jī)30電短路9內(nèi)部漏泄20不能關(guān)機(jī)31電開路10外部漏泄21不能切換32漏電11超出允許上限22提前運(yùn)行33其他6機(jī)械產(chǎn)品典型故障類型

故障類型可分為以下七大類：損壞型：如斷裂、變形過大、塑性變形、裂紋等。退化型：如老化、腐蝕、磨損等。松脫性：松動(dòng)、脫焊等失調(diào)型：如間隙不當(dāng)、行程不當(dāng)、壓力不當(dāng)?shù)取６氯驖B漏型：如堵塞、漏油、漏氣等。功能型：如性能不穩(wěn)定、性能下降、功能不正常。其他：潤滑不良等。7基本概念及格式故障原因（FailureCause）是指導(dǎo)致系統(tǒng)、元件等形成故障類型的過程與機(jī)理，造成系統(tǒng)、元件發(fā)生故障的原因。常見的故障原因有：設(shè)計(jì)上的缺陷：由于設(shè)計(jì)采取的原則、技術(shù)路線等不當(dāng)，帶來先天性的缺陷，或由于圖紙不完善或由錯(cuò)誤制造上的缺陷：加工方法不當(dāng)或組裝方面的失誤質(zhì)量管理方面的缺陷：檢查不夠或失誤以及工程管理不當(dāng)?shù)仁褂蒙系娜毕荩赫`操作或未按設(shè)計(jì)規(guī)定條件操作維修方面的缺陷：維修操作失誤或檢修程序不當(dāng)?shù)裙收辖Y(jié)果（FailureEffect）：元件、組件的故障類型對元件、組件本身及系統(tǒng)操作、功能或狀態(tài)產(chǎn)生的后果。8基本概念及格式故障等級：是衡量故障對系統(tǒng)任務(wù)、人員和財(cái)務(wù)安全造成影響的尺度。故障等級評定從以下幾個(gè)方面考慮：故障影響大小對系統(tǒng)造成影響的范圍故障發(fā)生的頻率防止故障的難易是否需要重新設(shè)計(jì)9FMECA的概念FMECA的定義故障類型和影響、危險(xiǎn)度分析(FailureMode,EffectsandCriticalityanalysis,簡記為FMECA)是分析系統(tǒng)中每一產(chǎn)品所有可能產(chǎn)生的故障類型及其對系統(tǒng)造成的所有可能影響，并按每一個(gè)故障類型的嚴(yán)重程度及其發(fā)生概率予以分類的一種歸納分析方法。FMECA是一種自下而上的歸納分析方法；FMEA和CA。FMECA的目的從產(chǎn)品設(shè)計(jì)（功能設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)）、生產(chǎn)（生產(chǎn)可行性分析、工藝設(shè)計(jì)、生產(chǎn)設(shè)備設(shè)計(jì)與使用）和使用發(fā)現(xiàn)各種影響產(chǎn)品可靠性的缺陷和薄弱環(huán)節(jié)，為提高產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性水平提供改進(jìn)依據(jù)。10FMECA作用保證有組織地定性找出系統(tǒng)的所有可能的故障類型及其影響，進(jìn)而采取相應(yīng)的措施。為制定關(guān)鍵項(xiàng)目和單點(diǎn)故障等清單或可靠性控制計(jì)劃提供定性依據(jù)。為可靠性（R）、維修性（M）、安全性（S）、測試性（T）和保障性（S）工作提供一種定性依據(jù)。為制定試驗(yàn)大綱提供定性信息。為確定更換有壽件、元器件清單提供使用可靠性設(shè)計(jì)的定性信息。為確定需要重點(diǎn)控制質(zhì)量及工藝的薄弱環(huán)節(jié)清單提供定性信息?？杉霸绨l(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)、工藝中的各種缺陷。11FMECA的步驟12FMEA概括圖FMEA過程評估設(shè)計(jì)辨識潛在的故障類型評估已識別每個(gè)故障類型的影響建立文件

輸入信息設(shè)計(jì)知識關(guān)于故障的知識故障類型故障率

輸出信息故障類型結(jié)果可靠性預(yù)測危險(xiǎn)與風(fēng)險(xiǎn)危險(xiǎn)度清單13明確系統(tǒng)的情況和目的確定分析的層次建立故障類型清單繪制功能框圖和可靠性框圖分析故障類型和影響評定故障等級研究故障檢測方法提出預(yù)防措施填寫FMEA表FMEA分析步驟14故障類型等級的劃分方法1）直接判斷法。這種方法是根據(jù)故障類型對系統(tǒng)功能、人員及財(cái)產(chǎn)損失影響的嚴(yán)重程度來劃分的。其劃分原則如表。級別危害程度危害后果一級可忽略不會造成人員傷害和系統(tǒng)損壞二級臨界的可能會造成人員傷害和系統(tǒng)損壞，但可排除和控制三級危險(xiǎn)的會造成人員傷害和系統(tǒng)損壞，需立即采取控制措施四級破壞性的的會造成人員傷害和系統(tǒng)嚴(yán)重?fù)p壞，必須設(shè)法消除15故障類型等級的劃分方法2)風(fēng)險(xiǎn)矩陣法是綜合考慮故障發(fā)生的可能性和發(fā)生后引起后果嚴(yán)重度兩個(gè)方面的因素來確定故障的等級。這種劃分標(biāo)準(zhǔn)稱風(fēng)險(xiǎn)率。其方法是將故障概率和嚴(yán)重度都分為四個(gè)等級，劃分原則如下：A.嚴(yán)重度：是指故障類型對系統(tǒng)功能的影響程度，分級如下表嚴(yán)重度等級內(nèi)容嚴(yán)重度等級內(nèi)容Ⅰ低的對系統(tǒng)任務(wù)無影響對子系統(tǒng)造成的影響可忽略不計(jì)通過調(diào)整故障易于消除Ⅲ關(guān)鍵的系統(tǒng)的功能有所下降子系統(tǒng)功能嚴(yán)重下降出現(xiàn)的故障不能立即通過檢修予以修復(fù)Ⅱ主要的對系統(tǒng)的任務(wù)雖有影響但可忽略導(dǎo)致子系統(tǒng)的功能下降出現(xiàn)的故障能夠立即修復(fù)Ⅳ災(zāi)難的系統(tǒng)功能嚴(yán)重下降子系統(tǒng)功能全部喪失出現(xiàn)的故障需經(jīng)徹底修理才能消除16故障類型等級的劃分方法B.故障概率：一般按統(tǒng)計(jì)時(shí)間內(nèi)的實(shí)際故障次數(shù)除以統(tǒng)計(jì)區(qū)間內(nèi)實(shí)際工作小時(shí)數(shù)進(jìn)行計(jì)算。級別故障出現(xiàn)可能性故障概率級別故障出現(xiàn)可能性故障概率A非常容易發(fā)生10-1D不容易發(fā)生10-4B容易發(fā)生10-2E難以發(fā)生10-5C較容易發(fā)生10-3F極難發(fā)生10-617風(fēng)險(xiǎn)率矩陣圖故障概率12341234嚴(yán)重度故障類型等級的劃分方法18故障概率和嚴(yán)重度等級確定后，以故障概率為縱坐標(biāo)，嚴(yán)重度為橫坐標(biāo)，畫出風(fēng)險(xiǎn)矩陣圖。沿矩陣原點(diǎn)到右上角畫一條對角線，以對角線為軸線，軸線兩邊是對稱的。如果知道了某一故障類型的概率和嚴(yán)重度等級，將其填入矩陣圖中，就可以確定故障類型風(fēng)險(xiǎn)率或等級大小。處在右上角方塊內(nèi)的故障類型風(fēng)險(xiǎn)率最大，這是因?yàn)樵摴收项愋桶l(fā)生的概率高且后果嚴(yán)重。依次左移，風(fēng)險(xiǎn)率逐漸降低，因?yàn)楣收项愋桶l(fā)生的概率雖然高，但造成的后果的嚴(yán)重度卻逐漸降低；同樣從右上方依次下移，風(fēng)險(xiǎn)率也逐漸降低，雖然故障類型造成的后果嚴(yán)重，但因?yàn)榘l(fā)生的概率很少，綜合兩方面因素風(fēng)險(xiǎn)率也就降低了。故障類型等級的劃分方法19FMEA應(yīng)用舉例電機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)故障類型和影響分析一電機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)如圖所示，該系統(tǒng)是一種短時(shí)運(yùn)行系統(tǒng)，如果運(yùn)行時(shí)間過長則可能引起電線過熱或者電機(jī)過熱、短路。對系統(tǒng)中主要元素進(jìn)行故障類型及影響分析。電機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)示意圖20電機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)故障類型和影響分析元素故障類型可能的原因?qū)ο到y(tǒng)的影響按鈕卡住機(jī)械故障電機(jī)不轉(zhuǎn)接點(diǎn)斷不開機(jī)械故障人員沒放開按鈕電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間過長短路會燒毀保險(xiǎn)絲繼電器接點(diǎn)不閉合機(jī)械故障電機(jī)不轉(zhuǎn)接點(diǎn)不斷開機(jī)械故障經(jīng)過接點(diǎn)電流過大電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間過長短路會燒毀保險(xiǎn)絲保險(xiǎn)絲不熔斷質(zhì)量問題保險(xiǎn)絲過粗短路是不能斷開短路電機(jī)不轉(zhuǎn)質(zhì)量問題按鈕卡住繼電器接點(diǎn)不閉合喪失系統(tǒng)功能短路質(zhì)量問題運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間不長電路電流過大，燒毀保險(xiǎn)絲，使繼電器接點(diǎn)粘連21空氣壓縮機(jī)儲罐的故障類型和影響分析空氣壓縮機(jī)的儲罐屬于壓力容器，其功能是儲存空氣壓縮機(jī)產(chǎn)生的壓縮空氣。這里僅考慮儲罐的罐體和安全閥兩個(gè)元素的故障類型及其影響。故障類型故障的影響故障原因故障的識別校正措施輕微漏氣能耗增加接口不嚴(yán)漏氣噪聲，空壓機(jī)頻繁打壓加強(qiáng)維修保養(yǎng)嚴(yán)重漏氣壓力迅速下降焊接裂隙壓力表讀數(shù)下降，巡回檢查停機(jī)修理破裂壓力迅速下降、損傷人員設(shè)備材料缺陷、受沖擊等壓力表讀數(shù)下降，巡回檢查停機(jī)修理儲氣罐的故障類型和影響分析22危險(xiǎn)度分析危險(xiǎn)度分析的目的在于評價(jià)每種故障類型的危險(xiǎn)度。一般采用概率—嚴(yán)重度來評價(jià)故障類型的危險(xiǎn)度。23起重機(jī)的故障類型和影響、危險(xiǎn)度分析（部分）項(xiàng)目構(gòu)成元素故障模式故障影響危險(xiǎn)程度故障發(fā)生概率檢查方法校正措施注意事項(xiàng)防止過卷裝置電氣零件機(jī)械部分安裝螺栓動(dòng)作不可靠變形、生銹松動(dòng)誤動(dòng)作破損誤、欠動(dòng)作大中小10-210-410-3通電檢查觀察觀察立即修理警惕立即修理鋼絲繩繩鋼絲變形、扭結(jié)15%切斷切斷切斷中大10-410-1觀察觀察立即更換立即更換注：危險(xiǎn)程度大（危險(xiǎn)）中（臨界）?。ò踩┬Ｕ胧┝⒓赐Ｖ棺鳂I(yè)看準(zhǔn)機(jī)會修理注意發(fā)生概率非常容易發(fā)生1×10-1

容易發(fā)生1×10-2

偶爾發(fā)生1×10-3

不常發(fā)生1×10-4

幾乎不發(fā)生1×10-5

很難發(fā)生1×10-624實(shí)施FMECA應(yīng)注意的問題強(qiáng)調(diào)“誰設(shè)計(jì)、誰分析”的原則“誰設(shè)計(jì)、誰分析”的原則，也就是產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員應(yīng)負(fù)責(zé)完成該產(chǎn)品的FMECA工作，可靠性專業(yè)人員應(yīng)提供分析必須的技術(shù)支持。實(shí)踐表明，F(xiàn)MECA工作是設(shè)計(jì)工作的一部分?！罢l設(shè)計(jì)、誰分析”、及時(shí)改進(jìn)是進(jìn)行FMECA的宗旨，是確保FMECA有效性的基礎(chǔ)，也是國內(nèi)外開展FMECA工作經(jīng)驗(yàn)的結(jié)晶。如果不由產(chǎn)品設(shè)計(jì)者實(shí)施FMECA，必然造成分析與設(shè)計(jì)的分離，也就背離了FMECA的初衷。25實(shí)施FMECA應(yīng)注意的問題重視FMECA的策劃實(shí)施FMECA前，應(yīng)對所需進(jìn)行的FMECA活動(dòng)進(jìn)行完整、全面、系統(tǒng)地策劃，尤其是對復(fù)雜大系統(tǒng)，更應(yīng)強(qiáng)調(diào)FMECA的重要性。其必要性體現(xiàn)在以下幾方面：結(jié)合產(chǎn)品研制工作，運(yùn)用并行工程的原理，對所需的FMECA進(jìn)行完整、全面、系統(tǒng)地策劃，將有助于保證FMECA分析的目的性、有效性，以確保FMECA工作與研制工作同步協(xié)調(diào)，避免事后補(bǔ)做的現(xiàn)象。對復(fù)雜大系統(tǒng)，總體級的FMECA往往需要低層次的分析結(jié)果作為輸入，對相關(guān)分析活動(dòng)的策劃將有助于確保高層次產(chǎn)品FMECA的實(shí)施。FMECA計(jì)劃階段事先規(guī)定的基本前提、假設(shè)、分析方法和數(shù)據(jù)，將有助于在不同產(chǎn)品等級和承制方之間交流和共享，確保分析結(jié)果的一致性、有效性和可比性。26實(shí)施FMECA應(yīng)注意的問題保證FMECA的實(shí)時(shí)性、規(guī)范性、有效性實(shí)時(shí)性。FMECA工作應(yīng)納入研制工作計(jì)劃、做到目的明確、管理務(wù)實(shí)；FMECA工作與設(shè)計(jì)工作應(yīng)同步進(jìn)行，將FMECA結(jié)果及時(shí)反饋給設(shè)計(jì)過程。規(guī)范性。分析工作應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行FMECA計(jì)劃、有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)/文件的要求。分析中應(yīng)明確某些關(guān)鍵概念，比如：故障檢測方法是系統(tǒng)運(yùn)行或維修時(shí)發(fā)現(xiàn)故障的方法；嚴(yán)酷度是對故障模式最終影響嚴(yán)重程度的度量，危害度是對故障模式后果嚴(yán)重程度的發(fā)生可能性的綜合度量，兩者是不同的概念，不能混淆。有效性。對分析提出的改進(jìn)、補(bǔ)償措施的實(shí)現(xiàn)予以跟蹤和分析，以驗(yàn)證其有效性。這種過程也是積累FMECA工程經(jīng)驗(yàn)的過程。27實(shí)施FMECA應(yīng)注意的問題FMECA的剪裁和評審FMECA作為常用的分析工具，可為可靠性、安全性、維修性、測試性和保障性等工作提供信息，不同的應(yīng)用目的可能得到不同的分析結(jié)果。各單位可根據(jù)具體的產(chǎn)品特點(diǎn)和任務(wù)對FMECA的分析步驟、內(nèi)容進(jìn)行補(bǔ)充，剪裁，并在相應(yīng)文件中予以明確。28實(shí)施FMECA