第四章失效模式后果與嚴重度分析

第四章失效模式后果與嚴重度分析1第1頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月前面我們學(xué)習(xí)了可靠性方面的知識和理論，掌握了在產(chǎn)品設(shè)計階段進行可靠性預(yù)計和分配的基本方法，可以講大家能保證所設(shè)計的產(chǎn)品具有一定的可靠性（較高的可靠性）。但該產(chǎn)品的可靠性再高也不能杜絕該產(chǎn)品在使用中出現(xiàn)故障，其中還可能包括一些后果極其嚴重的故障。因此，為了保證產(chǎn)品的可靠性，還應(yīng)該學(xué)會在產(chǎn)品設(shè)計階段，用科學(xué)的方法去分析計算故障（失效）和故障的產(chǎn)生情況，即用科學(xué)的方法去預(yù)防和控制產(chǎn)品失效（故障），從而保證產(chǎn)品的可靠性。第2頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月

研究產(chǎn)品失效的方法，當前世界上主要使用兩種：

(1)故障（失效）模式、后果與嚴重度分析（FMECA）

失效模式與后果分析（FMEA）

FailureModeandEffectAnalysis

失效嚴重度分析（CA）CatastrophicAnalysis(2)故障樹分析(FTA)

FailureTreeAnalysis第3頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月§4-1概述1.失效（故障）：產(chǎn)品喪失規(guī)定的功能。例如，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(chǎn)品說明書整理，有以下故障模式

第4頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月電源線故障(1)電源線插頭與屋內(nèi)插座接觸不良；(2)電源線內(nèi)部斷開；(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(zhuǎn)換開關(guān)無彈性（斷路）；

電熱器故障(10)定時器機械裝置有病；——

定時故障(11)指示燈燈泡壞了；

(12)指示器接線壞了等。

顯示故障第5頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月3.失效（故障）模式的分類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(zhì)、表面防護脫落等3、松脫型故障模式：松動、脫開、脫焊等4、失調(diào)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(chǎn)品出現(xiàn)失效模式的百分比。進一步分析失效原因，采取預(yù)防措施的可靠依據(jù)第6頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月軸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：幾種機械零部件的失效模式及其比率第7頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月

失效后果是指一個部件失效時對整機所產(chǎn)生的影響。如上述電烤箱的失效模式產(chǎn)生以下后果：(讀產(chǎn)品說明書最后一頁)

⑴烤箱不發(fā)熱，指示燈不亮(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)。第8頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月6.嚴重度（危害度）：失效后果的嚴重程度

嚴重度與故障等級有較大的關(guān)系，故障等級分為四級:IV—次要的?？捎闷渌椒ǎɑ蛴媱澩饩S修）保證系統(tǒng)的性能不變。I—災(zāi)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、II、第9頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月失效等級：第10頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月汽車故障等級劃分美國空軍對飛行事故的等級劃分第11頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月§4-2失效模式與后果分析(FMEA和FMECA)一、FMEA及FMECA的概念

FMEA是用以找出產(chǎn)品設(shè)計、工藝設(shè)計和設(shè)備設(shè)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(jié)構(gòu)乃至系統(tǒng)產(chǎn)生故障影響的一種方法。第12頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月2.FMEA的特點(1)FMEA是一種自下而上（由元件到系統(tǒng)）的失效因果關(guān)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(xué)工具。第13頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月

簡單、易行、便于掌握和推廣，在沒有數(shù)據(jù)時，只要有關(guān)人員具有一定的工程經(jīng)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(shù)人員歡迎。

3.FMEA的局限性和優(yōu)點

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(dǎo)致的某種后果。(1)FMEA的局限性(2)FMEA的優(yōu)點第14頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月FMEA主要應(yīng)用于設(shè)計的每一個階段，另外也可用于預(yù)防維修和工藝監(jiān)督檢查等方面。4.FMEA的發(fā)展及主要應(yīng)用方面在FMEA的基礎(chǔ)上，再加一層判定被統(tǒng)計故障模式后果危害度的任務(wù)，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(yīng)用：FMEA的發(fā)展：第15頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月設(shè)計各階段的FMEA為：方案設(shè)計和中間設(shè)計階段：功能FMEA最終設(shè)計階段：可行性FMEA工藝設(shè)計階段：工藝FMEA設(shè)備設(shè)計階段：設(shè)備FMEA我們在這里僅研究產(chǎn)品功能的FMEA。

第16頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月二、建立FMEA（FMECA）的一般方法在完成設(shè)計方案草圖和試生產(chǎn)圖的情況下，用框圖或符號示意圖表示各組成元件的有關(guān)功能對產(chǎn)品設(shè)計功能的影響。1.畫出被研究產(chǎn)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。第17頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月圖2-6液壓系統(tǒng)可靠性框圖第18頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月2.明確產(chǎn)品FMEA的分析層次和基本過程(1)分析層次（見下圖）若干系統(tǒng)組成的產(chǎn)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FMEA第19頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)分析的基本過程（見下圖)故障模式的預(yù)測①故障模式的分級和評價②故障模式的改進措施(經(jīng)驗或試驗)③第20頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月②收集生產(chǎn)過程的有關(guān)試驗統(tǒng)計數(shù)據(jù)和用戶反饋意見為依據(jù)，確定出故障模式（即預(yù)測出故障模式）；(3)產(chǎn)品FMEA的分析方法①召集有關(guān)（包括設(shè)計、制造、試驗及供銷部門等）人員對以前生產(chǎn)過的最類似產(chǎn)品產(chǎn)生過的故障情況進行分析討論；③分析產(chǎn)生故障原因（即物理失效機理）；④制定生產(chǎn)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；第21頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月⑥對新設(shè)計產(chǎn)品與已生產(chǎn)的上述產(chǎn)品的主要不同之處進行分析，以進行必要的補充。

⑤對各故障模式的嚴重后果（即嚴酷度等級）進行評定，必要時可采用投票評分的方法；第22頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月3.建立一套系統(tǒng)的，全面的，標準化的表格該表格應(yīng)盡力最系統(tǒng)、全面、正確地反映FMEA的分析層次和基本過程的內(nèi)容，且應(yīng)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)第23頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)FMECA表格（見下表)FMECA第24頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月上兩表中：①失效模式即故障模式；②

故障等級確定見前§4-1；α

：失效模式頻率比（查表得到）見表4-5和表4-6β：損失概率（失效的后果概率）取值如下：（設(shè)計經(jīng)驗確定）必然損失 β=1.0

可能損失 0.1<β<1.0

很少損失 0<β<0.1③危害度參數(shù)見本書§4-3內(nèi)容。第25頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月例4-1進行零部件失效分析三、FMEA的應(yīng)用實例第26頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月斷裂原因：根據(jù)裂紋發(fā)展過程沿晶斷裂穿晶斷裂根據(jù)受載性質(zhì)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第27頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月疲勞斷裂原因：氫脆表面因素：表面粗糙度、劃痕、碰傷等材質(zhì)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(zhì)、環(huán)境溫度等內(nèi)部氫脆外部氫脆載荷因素：載荷性質(zhì)、大小、變化速度等疲勞源裂紋擴展區(qū)瞬斷區(qū)第28頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月例4-2某一固體火箭發(fā)動機由推進劑藥柱、內(nèi)襯和發(fā)動機殼組成。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(zhì)量差材料缺陷運輸中損壞搬運中損壞內(nèi)壓過高導(dǎo)彈毀壞0.0006嚴重嚴格控制原材料質(zhì)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(yīng)力溫度過低老化燃燒速度過高；內(nèi)壓過高；機殼在工作過程中破裂0.0001嚴重嚴格控制生產(chǎn)過程，確保工藝質(zhì)量，嚴格控制在極限溫度之內(nèi)存儲和使用。內(nèi)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(nèi)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，機巧清洗后嚴格檢驗，確保清除一切沾染物第29頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月

例4-2設(shè)計概述：重新設(shè)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。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(nèi)部的傳動臂連接起來。由前者向操縱閥體內(nèi)的手動閥和停車驅(qū)動機構(gòu)傳遞運動。作用在臂孔處的最大切向拉力為30磅。第30頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月分系統(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(shè)計主管部門

T

產(chǎn)品交付日期1973年9月14日有關(guān)制造與設(shè)計部門

FMECA日期首次1972年1月27日修改

有否外部供貨和承制單位無第31頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月FMECA分析的用途1、在設(shè)計管理上的用途

FMECA與產(chǎn)品和線路應(yīng)力分析的結(jié)合是可靠性預(yù)測、分配和評定時的一項原始資料。

FMECA是評定設(shè)計方案的手段

FMECA是設(shè)計評審、質(zhì)量復(fù)查、事故預(yù)想的依據(jù)和證明2、在其他用途

安排測試點、制造和質(zhì)量控制，制定試驗計劃的一種依據(jù)。

制定檢測程序、設(shè)計診斷裝置的基礎(chǔ)。

與試驗結(jié)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。第32頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月§4-3失效嚴重度分析一、定性分析在缺乏失效數(shù)據(jù)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％。第33頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月C級—偶爾發(fā)生。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％。第34頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月二、定量分析能提供正確的失效概率數(shù)據(jù)時可用定量分析。1.失效后果概率(也稱損失概率)β見表4-5第35頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月2.失效模式嚴重度數(shù)字Cm

(1)

Cm：在一種嚴重性級別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β—失效后果概率；

λp—元件失效率()；

t—某任務(wù)階段內(nèi)的工作時間(h)；α—失效模式相對頻率(其值見表4-6)。第36頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月第37頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月3.產(chǎn)品嚴重度數(shù)字Cr(4-2)式中n—屬于某一嚴重度的失效模式數(shù)；

j—產(chǎn)品在該嚴重度下的最后一個失效模式。第38頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月例4-3若某一產(chǎn)品失效率，在某一任務(wù)階段，出現(xiàn)兩個Ⅱ級嚴重性的失效模式和一個Ⅳ級嚴重性的失效模式。這三個失效模式的相對頻率分別為α1=0.3,α2=0.2,α3=0.5,失效后果概率β均為0.5，在該階段工作1h。

解：(1)求Cm根據(jù)式(4-1)Ⅱ級嚴重性的第一個失效模式的嚴重度數(shù)字為：求該產(chǎn)品在此任務(wù)段、嚴重性級別為Ⅱ級的Cm和Cr。第39頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月Ⅱ級嚴重性的第二個失效模式的嚴重度數(shù)字為：第40頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)求Cr根據(jù)式(4-2)Ⅱ級嚴重性的產(chǎn)品嚴重度數(shù)字為：第41頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月三、嚴重度矩陣

嚴重度矩陣是將產(chǎn)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。第42頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月圖4-5嚴重度矩陣由圖可見，某一失效模式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。第43頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月四、嚴重度分析的用途若某種失效模式發(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。第44頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月機車車輛

FMEA分析實例國際鐵路聯(lián)盟的研究與試驗機構(gòu)的B176委員會（UICOREB176）對機車車輛轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向架進行了費用——效能分析。——決策基礎(chǔ)的重要部分第45頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月方法描述：1、部件描述2、與安全有關(guān)的各種部件的描述3、可能的故障