最系統(tǒng)的故障樹分析方法介紹

關(guān)于最系統(tǒng)的故障樹分析方法介紹第一頁，共七十一頁，編輯于2023年，星期一內(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2FMECA的一般方法

FMECA分析方法

FMECA分析實例3FTA的方法基礎(chǔ)4FTA的一般方法

FT的建立和簡化、FT的定量分析、定性分析第二頁，共七十一頁，編輯于2023年，星期一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（可以是整個的也可以是局部的）完成后供檢查和分析設(shè)計圖紙（就電子設(shè)備來說，是對電路的設(shè)計圖紙）用。這種分析方法能對被研究對象具體指明單元可能發(fā)生的失效模式（例如，對電路來說，是發(fā)生開路失效或短路失效，飽和阻塞，還是參數(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。概述第三頁，共七十一頁，編輯于2023年，星期一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。失效模式、效應(yīng)與危害度分析又是維修性設(shè)計特別是故障安全設(shè)計的基礎(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：概述第四頁，共七十一頁，編輯于2023年，星期一NASA衛(wèi)星系統(tǒng)，在發(fā)射情況下，由于對旋轉(zhuǎn)天線匯流環(huán)進(jìn)行失效模式、效應(yīng)與危害分析時只考慮開路失效模式，忽略了短路失效效應(yīng)，結(jié)果因天線匯流環(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DC-10商用飛機(jī)，在變更發(fā)動機(jī)維修方法時，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，美國的三里島2號反應(yīng)堆發(fā)生的舉世矚目的重大安全事故，也是因未對控保系統(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。概述第五頁，共七十一頁，編輯于2023年，星期一失效樹分析失效樹分析法（FaultTreeAnalysis）簡稱FTA。1961年美國貝爾實驗室沃森（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FTA作了修改使其能用計算機(jī)進(jìn)行處理，推動了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)可靠性的重要方法之一。概述第六頁，共七十一頁，編輯于2023年，星期一失效樹分析，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)，直至追蹤到對被分析對象來說是一種基本原因為止。這種基本原因，失效樹分析中定義為“底事件”。概述第七頁，共七十一頁，編輯于2023年，星期一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，美國原子能委員會發(fā)表的WASH-1400核電站風(fēng)險評價分析報告指出，為了建造失效樹，60名專家用了將近三年時間，消耗了大量資金概述第八頁，共七十一頁，編輯于2023年，星期一FMECA同F(xiàn)TA的相互區(qū)別概述第九頁，共七十一頁，編輯于2023年，星期一第十頁，共七十一頁，編輯于2023年，星期一應(yīng)用注意事項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，在考慮時間序列與外部因素等共同原因方面，即動態(tài)分析方面并不完善。概述第十一頁，共七十一頁，編輯于2023年，星期一故障模式、效應(yīng)與危害度分析(FMECA)的一般方法

第十二頁，共七十一頁，編輯于2023年，星期一通過失效模式、效應(yīng)及危害度分析可以做到鑒別出被分析單元會導(dǎo)致的不可接受或非常嚴(yán)重的失效，確定可能會對預(yù)期或所需運行情況造成致命影響的失效模式，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；保證能識別各種檢測手段引起的失效模式；選擇預(yù)防或正確維護(hù)要點，制定故障檢修指南，配置測試設(shè)備以及為測試點提供資料。確定單元及子系統(tǒng)失效模式的危害度FMECA的一般方法第十三頁，共七十一頁，編輯于2023年，星期一故障模式、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；確定在哪一功能級上進(jìn)行分析，并根據(jù)實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；確定失效檢測方法和可能采取的預(yù)防性措施；針對后果特別嚴(yán)重的失效，進(jìn)一步考慮修改設(shè)計的步驟；計算相對故障概率及其故障危害等級；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的一般方法第十四頁，共七十一頁，編輯于2023年，星期一嚴(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：Ⅰ類（災(zāi)難的）——這種故障會引起人員死亡或系統(tǒng)（如飛機(jī)、導(dǎo)彈）毀壞。Ⅱ類（致命的）——這種故障會引起人員嚴(yán)重傷害、重大的經(jīng)濟(jì)損失或?qū)е氯蝿?wù)失敗。Ⅲ類（臨界的）——這種故障會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。Ⅳ類（輕度的）——這種故障不會造成人員的輕度傷害及一定程度的經(jīng)濟(jì)損失，但它會導(dǎo)致非計劃維修。第十五頁，共七十一頁，編輯于2023年，星期一雷達(dá)系統(tǒng)的FMECA分析第一步、繪制分級功能框圖。這種框圖既不是工作原理框圖，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的框圖。它不但表明了構(gòu)成系統(tǒng)的各個子系統(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)在哪一級上進(jìn)行。例繪制雷達(dá)系統(tǒng)功能等級框圖（圖2.4），圖中的分析對象是接收機(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的一般方法第十六頁，共七十一頁，編輯于2023年，星期一圖2.4某系統(tǒng)的功能等級框圖FMECA的一般方法雷n第十七頁，共七十一頁，編輯于2023年，星期一第二步

確定被分析單元的（前置放大器內(nèi)每一個元器件）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。α可依據(jù)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，這個比值應(yīng)根據(jù)具體元器件和使用人員的實際經(jīng)驗加以修正，也可以統(tǒng)計獲得。FMECA的一般方法第十八頁，共七十一頁，編輯于2023年，星期一GJB299給出的失效模式分布第十九頁，共七十一頁，編輯于2023年，星期一第三步對分級功能圖中的每一個方框圖自下而上逐級進(jìn)行失效模式、效應(yīng)及危害度分析，指出被分析方框?qū)^高一級的隸屬等級產(chǎn)生的效應(yīng)。定性估計每個元器件內(nèi)每種失效模式引起的前置放大器的故障概率βij，當(dāng)無法得到這種確切數(shù)據(jù)時，可適當(dāng)?shù)亟y(tǒng)一劃分失效概率的等級，例如可采用以下等級：肯定上一級單元發(fā)生失效的等級為1.00，可能引起失效的等級為0.50；可能性較小的等效為0.10，不可能引起失效的等級為0.00。FMECA的一般方法第二十頁，共七十一頁，編輯于2023年，星期一第四步根據(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外60年代的水平，目前可見GJB299B可靠性預(yù)計手冊查得(可參見預(yù)計講義的P15表9）；λ＝λb.πEFMECA的一般方法第二十一頁，共七十一頁，編輯于2023年，星期一FMECA的一般方法第五步計算每個元器件的每種失效模式的危害度Crijαij為單元i以失效模式j(luò)發(fā)生失效的頻數(shù)比；βij為單元i以失效模式j(luò)發(fā)生失效時引起上一級發(fā)生失效的概率。λi為單元i的失效率。t為任務(wù)時間第二十二頁，共七十一頁，編輯于2023年，星期一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的一般方法第二十三頁，共七十一頁，編輯于2023年，星期一第七步

計算前置放大器的危害度：FMECA的一般方法第二十四頁，共七十一頁，編輯于2023年，星期一

第八步建立危害度（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，縱坐標(biāo)表示發(fā)生故障模式發(fā)生的概率等級（對上一級的影響）；在進(jìn)行定量分析時，縱坐標(biāo)表示產(chǎn)品或故障模式的危害度。如下圖所示，從元點開始，所記錄的故障模式分布點沿著對角線方向距離原點越遠(yuǎn)，其危害性越大，越需盡快采取措施改進(jìn)。第二十五頁，共七十一頁，編輯于2023年，星期一危害度矩陣圖第二十六頁，共七十一頁，編輯于2023年，星期一前置放大器元器件各故障模式的危害度矩陣第二十七頁，共七十一頁，編輯于2023年，星期一舉例第二十八頁，共七十一頁，編輯于2023年，星期一FMECA的標(biāo)準(zhǔn)方法及實例本部分用實例介紹了GJB1391-92《故障模式、影響及危害性分析程序》的工作項目101和工作項目102的表格和操作方法。第二十九頁，共七十一頁，編輯于2023年，星期一FMEA表格第三十頁，共七十一頁，編輯于2023年，星期一欄目說明11)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。原理同中的符號或設(shè)計圖紙的編號可作為產(chǎn)品或功能的標(biāo)志。3)第三欄（功能）：簡要填寫產(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。第三十一頁，共七十一頁，編輯于2023年，星期一欄目說明24)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)對每一故障模式和輸出功能進(jìn)行分忻研究；第三十二頁，共七十一頁，編輯于2023年，星期一欄目說明3a.提前運行；b．在規(guī)定的應(yīng)工作的時刻不工作；c.間斷地工作；d.在規(guī)定的不應(yīng)工作時刻工作；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)。第三十三頁，共七十一頁，編輯于2023年，星期一欄目說明45)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，應(yīng)考慮第三層次的故障原因。6)第六欄（任務(wù)階段與工作方式）：簡要說明發(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，則應(yīng)記錄更詳細(xì)的時間，作為故障發(fā)生的假設(shè)時間。第三十四頁，共七十一頁，編輯于2023年，星期一欄目說明57)第七欄（故障影響）；故障影響系指每個假設(shè)的故障模式對產(chǎn)品使用、功能或狀態(tài)所導(dǎo)致的后果。應(yīng)評價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約定層次。因此，應(yīng)該評價每一故障模式對局部的、高一層次的和最終的影響。同時還應(yīng)考慮任務(wù)目標(biāo)、維修要求、人員及系統(tǒng)的安全。第三十五頁，共七十一頁，編輯于2023年，星期一a.局部影響系指所假設(shè)的故障模式對當(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評價補(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。第三十六頁，共七十一頁，編輯于2023年，星期一欄目說明68)第八欄（故障檢測方法）：操作人員或維修人員用以檢測故障模式發(fā)生的方法應(yīng)記入分析表中。故障檢測方法應(yīng)指明是目視檢查或者音響報警裝置、自動傳感裝置、傳感儀器或其他獨特的顯示手段，還是無任何檢測方法。9)第九欄（補(bǔ)償措施）；分析人員應(yīng)指出并評價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)計上的補(bǔ)償措施，也可以是操作人員的應(yīng)急補(bǔ)救措施。第三十七頁，共七十一頁，編輯于2023年，星期一

設(shè)計補(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指示采取的不正確動作而可能造成的后果，并記錄其影響。第三十八頁，共七十一頁，編輯于2023年，星期一欄目說明710)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，如對改進(jìn)設(shè)計的建議、異常狀態(tài)的說明及冗余設(shè)備的故障影響等。第三十九頁，共七十一頁，編輯于2023年，星期一3FTA的方法基礎(chǔ)第四十頁，共七十一頁，編輯于2023年，星期一

FTA分析中的標(biāo)準(zhǔn)符號FTA的方法基礎(chǔ)第四十一頁，共七十一頁，編輯于2023年，星期一FTA分析中的標(biāo)準(zhǔn)符號第四十二頁，共七十一頁，編輯于2023年，星期一FTA分析中的標(biāo)準(zhǔn)符號第四十三頁，共七十一頁，編輯于2023年，星期一布爾代數(shù)運算法則冪等律X+X=XX.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)+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第四十四頁，共七十一頁，編輯于2023年，星期一布爾代數(shù)運算法則乘法分配律(X+Y).(X+Z)=X+(Y.Z)常數(shù)運算定理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第四十五頁，共七十一頁，編輯于2023年，星期一可靠性框圖與FTA－－串聯(lián)模型可靠度:R=R1.R2不可靠度:F=F1+F2-F1F2FTA的方法基礎(chǔ)第四十六頁，共七十一頁，編輯于2023年，星期一可靠性框圖與FTA－－并聯(lián)模型可靠度R=R1+R2-R1.R2不可靠度

F=F1F2FTA的方法基礎(chǔ)第四十七頁，共七十一頁，編輯于2023年，星期一最小路集和最小割集最小路集定義：可靠性框圖中表示功能流的實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)）時引起系統(tǒng)故障的被切單元的最小集合。FTA的方法基礎(chǔ)第四十八頁，共七十一頁，編輯于2023年，星期一由圖可得：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)第四十九頁，共七十一頁，編輯于2023年，星期一4故障樹因果分析法（1）故障樹的建造（2）故障樹的劃簡（3）定性分析；（4）定量計算；（5）改進(jìn)措施。第五十頁，共七十一頁，編輯于2023年，星期一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，美國原子能委員會發(fā)表的WASH-1400核電站風(fēng)險評價分析報告指出，為了建造失效樹，60名專家用了將近三年時間，消耗了大量資金。然而，對于某種性能漸變失效分析來說，失效樹分析是易于實現(xiàn)的，且比其它方法更加有效。第五十一頁，共七十一頁，編輯于2023年，星期一長期生物實驗室的地下室照明系統(tǒng)

建樹之前首先要熟悉對象，確定頂事件，用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)符號表示樹結(jié)構(gòu)，對各事件進(jìn)行編碼。第五十二頁，共七十一頁，編輯于2023年，星期一通過分析，確定頂事件為：

室內(nèi)黑暗第五十三頁，共七十一頁，編輯于2023年，星期一故障樹的簡化

為了進(jìn)行定量計算和處理共因事件，需對已建好的故障樹進(jìn)行簡化化簡可依據(jù)上級事件發(fā)生的必要條件進(jìn)行，也可用布爾代數(shù)運算進(jìn)行。第五十四頁，共七十一頁，編輯于2023年，星期一全為AND門時運算：Z=A.E1=A.B.E2=A.B.C.D第五十五頁，共七十一頁，編輯于2023年，星期一全為OR門運算：Z=A＋E1=A＋B＋E2=A＋B＋C＋D第五十六頁，共七十一頁，編輯于2023年，星期一有共因事件時的簡化運算中應(yīng)用了加法吸收率Z=A+E=A+(A.B)=A運算中應(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第五十七頁，共七十一頁，編輯于2023年，星期一有共因事件時的簡化（2）Z=E1+E2=(A.B)+(A.C)=A.(B+C)Z=E1.E2=(A+B).(A+C)=A+(B.C)第五十八頁，共七十一頁，編輯于2023年，星期一用最小割集計算頂事件發(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，上述方法計算是可行的，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，計算比較復(fù)雜且易出錯。此時用最小割集進(jìn)行計算比較合適。

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。計算的條件是底事件是相互獨立的并且已知其發(fā)生的概率。若相當(dāng)多的底事件不能估計或給出其概率時，則不宜進(jìn)行定量分析。只可進(jìn)行定性分析。第五十九頁，共七十一頁，編輯于2023年，星期一

近似計算利用容斥定理可得上下限平均近似計算式是（證明略）式中：S1——是首項近似算式r――是最小割集數(shù)

kj――是第j個最小割集的集合Xi――第j個最小割集中第i個底事件，

n―――第j個最小割集中底事件的個數(shù)S2―――近似計算的第二項第六十頁，共七十一頁，編輯于2023年，星期一計算示例：設(shè)