《電子設備可靠性工程》課件第8章

第8章

電子設備失效分析技術8.1故障模式、影響及危害度分析8.2故障樹分析法8.3潛在通路分析8.4設備的故障診斷技術8.1故障模式、影響及危害度分析（FMEA、FMECA）

8.1.1概述

所謂故障模式影響分析FMEA（failuremodeeffectanalysis）就是在產(chǎn)品設計過程中，通過對產(chǎn)品各組成單元潛在的各種故障模式及其對產(chǎn)品功能的影響進行分析，并把每一個潛在故障模式按它的嚴酷程度予以分類，提出可以采取的預防改進措施，以提高產(chǎn)品可靠性的一種設計分析方法。而故障模式影響及危害度分析FMECA（failuremodeeffectandcriticalityanalysis）是在FMEA的基礎上再增加一層任務，即判斷這種故障模式影響的致命程度有多大，使分析量化，因此，F(xiàn)MECA可以看作是FMEA的一種擴展與深化。

以往，人們是根據(jù)自己的經(jīng)驗和知識來判斷元部件故障對系統(tǒng)所產(chǎn)生的影響，這種判斷依賴于人的知識水平和工作經(jīng)驗。為了擺脫對人為因素的過分依賴，需要找到一種系統(tǒng)的、全面的、標準化的分析方法來正確作出判斷，將導致嚴重后果的單點故障模式消除在設計階段。而以前，一般只有等到產(chǎn)品使用后，收集到故障信息后，才進行設計的改善。這樣做使反饋周期較長，不僅在經(jīng)濟上造成損失，而且還可能造成更為嚴重的人身傷亡。因此，人們力求在設計階段就進行可能的故障模式及其影響的分析，一旦發(fā)現(xiàn)某種設計方案有可能造成不能允許的后果，便立即進行研究，作出相應設計上的更改，這就是逐漸形成的FMEA技術。

在工業(yè)發(fā)達的國家里，F(xiàn)MEA方法已被廣泛地應用于宇航、核工業(yè)、電子設備、機械設備以及民品生產(chǎn)等領域內，并在工程實際中總結了一套科學而完善的分析方法。FMEA在許多重要領域被明確規(guī)定為設計人員必須掌握的技術，F(xiàn)MEA有關資料被規(guī)定為不可缺少的設計文件。例如：美國軍用標準（如MIL-STD-1543，MIL-STD-785）中規(guī)定：“合同承包商應提供詳細的失效模式及影響分析，這個分析應與設計工作一起安排與完成，以使設計能夠反映分析的結果和建議”，并要求“把失效模式及影響分析作為一項指導設計和每個設計審查提供資料的連續(xù)工作來安排”。

美國宇航局對于FMEA也極為重視，特別是對長壽命通信衛(wèi)星，幾乎無一例外地采用了這一手段，他們衛(wèi)星成功的關鍵之一就是采用了FMEA技術。在我國，隨著可靠性技術研究的深入和發(fā)展，對產(chǎn)品采用FMEA技術也逐漸被重視起來。我國于1987年頒發(fā)了GB7826-1987《失效模式和效應分析（FMEA）程序》,在1992年頒發(fā)了GJB1391-1992《故障模式影響及致命性分析程序》。FMEA是GJB450A-2004《裝備研制與生產(chǎn)的通用大綱》、QJ1408A-1998《航天產(chǎn)品可靠性保證要求》所規(guī)定的主要工作項目。

上述情況表明，F(xiàn)MECA技術是可靠性研究中的一個重要內容，也是提高產(chǎn)品可靠性的重要方法和措施之一。8.1.2FMECA方法中的一些基本概念

（1）故障模式

是指故障表現(xiàn)形式，例如：電容器開路與短路、晶體管各極間開路與短路、機械零件斷裂等。在這里只討論零件是怎樣失效的，并不討論零件是為什么失效。

（2）失效機理

是指導致零件失效的物理、機械或熱（化學）等內在原因，討論零件為什么會失效。如蠕變、腐蝕、磨損、沖擊斷裂、疲勞、熱等。

（3）危害度

是對失效的模式及其出現(xiàn)頻率的嚴重性的相對量度。

（4）故障模式分析（FMA）是指分析系統(tǒng)的各單元可能發(fā)生的失效或故障，將其分門別類，分析每一模式發(fā)生的概率大小，但不一定要分析發(fā)生的原因。要求盡可能列舉所有的故障模式，以便分析其影響和危害度。

（5）故障影響分析（FEA）是指分析系統(tǒng)的元器件、零件的故障模式對于組件、部件、設備、分系統(tǒng)和系統(tǒng)的影響，要特別注意分析那些后果嚴重的致命性影響的故障模式。

（6）危害度分析（CA）是指將失效所產(chǎn)生的影響按照其后果的危害程度加以分類，并計算造成每類危害的概率（即危害度），針對這些危害性的大小，采用各種相應的措施改進設計。8.1.3FMECA的列表分析法

列表分析法是根據(jù)可靠性框圖將有關的故障模式、相應的失效率、失效影響等列一明細表，以便分析計算。具體實施步驟如下：

（1）定義系統(tǒng)

對系統(tǒng)的完整定義，應包括系統(tǒng)的主要和次要功能、用途、預期性能、應用范圍以及系統(tǒng)的故障判據(jù)。由于系統(tǒng)可能有不同的工作方式和用途，因此還應明確指出系統(tǒng)所處的外界環(huán)境條件和內部環(huán)境條件（如電子設備機殼內的振動程度、溫度、電磁干擾等）。

（2）作可靠性框圖

弄清設備的硬件、軟件、操作人員與產(chǎn)品的關系，弄清設備的部件、元器件、分系統(tǒng)、系統(tǒng)之間的關系，根據(jù)設備的基本功能單元，作可靠性框圖。

（3）編號列表

將構成各功能單元的元件、部件編號列表，如表8-1所示。

（4）列舉故障模式

研究分析所有可能出現(xiàn)的故障模式，出現(xiàn)這種故障模式的條件和應力，將含元件、部件可能出現(xiàn)的故障模式填入表中，如果可能就將相應的失效率也一并填入?？赡馨l(fā)生的故障模式可參看表8-2。

（5）分析故障模式發(fā)生的原因

在每種故障模式旁邊要列舉使其增加的原因，但有時不可能。因此，可以將其歸納為幾種類型。例如，在分析系統(tǒng)的故障原因時，將放大器輸出下降的各種電子電路的故障原因全部列舉出來很困難，這時可概括為“電路故障”，在以后分析放大器故障與其內部電路時，再一條一條列舉出來。

（6）分析故障模式的影響

分析時由完成基板功能的最低一級的故障模式開始逐級往上一級的故障模式進行，直到系統(tǒng)級為止，看有什么影響。如由元件的故障模式對部件的影響，再分析部件的故障模式對分系統(tǒng)的影響，最后分析分系統(tǒng)的故障模式對系統(tǒng)的影響。通常，將元器件故障模式對部件、分系統(tǒng)的影響叫做局部影響，而對系統(tǒng)的影響叫做最終影響。在分析中，最好把局部影響、最終影響列入表中，而不籠統(tǒng)地只列出故障影響。(8-1)

（9）確定故障模式的故障率或故障概率及概率等級

確定每種故障模式的故障率或故障概率時，可以查閱可靠性數(shù)據(jù)手冊，當數(shù)據(jù)不足時，可請有經(jīng)驗的分析者打分評級。

在可靠性標準中，將故障模式發(fā)生概率分為4級，如表8-6所示。

（10）計算故障模式對系統(tǒng)的危害度

通常有兩種方法，可根據(jù)所獲得的資料情況選用其一。

①

直接計算法(8-2)式中：

每當系統(tǒng)完成

次使用時，由零部件失效導致系統(tǒng)失效的危害度；n

導致系統(tǒng)發(fā)生故障的零部件的故障模式總數(shù)；i

故障模式序號，i=1,2,…,n；

零部件的基本失效率；t

系統(tǒng)在規(guī)定的時間內（如一次使命時）工作時，其零部件的工作時間或周期數(shù)（各元器件的工作時間不一定相等）；解

由式（8-2）得：則系統(tǒng)的危害度：(8-3)

兩種方法比較，直接計算法簡單，但不如逐級計算法能深刻地表示各單元故障模式對系統(tǒng)的危害情況。

（11）提出預防和消除故障模式的措施。

（12）提出貯存、運輸、維護、使用的注意事項。

（13）將故障模式按危害度等級、故障概率等級、危害度分別排隊。

（14）提交FMEACA報告，供工程技術管理者決策參考。圖8-1雷達系統(tǒng)功能等級框圖

(1)繪制雷達系統(tǒng)功能等級框圖（圖8-1），圖中的分析對象是接收機的前置放大器，故將其它分系統(tǒng)的分機和接收機的其它功能單元及其元器件均被略去了。

(2)確定前置放大器內每個元器件的所有故障模式及其頻數(shù)比

。

(3)定性估計每個元器件的每種故障模式引起前置放大器的故障概率

，例中取3個等級1.0,0.1和0。

(4)根據(jù)元器件在前置放大器中承受的電應力和熱應力，確定各種元器件的失效率。

(5)計算每個元器件的每種故障模式的危害度

。

(6)填寫前置放大器所有元器件的FMECA一纜表（表8-8）(7)根據(jù)（8-3）式計算前置放大器的危害度：應當指出，危害度的數(shù)值，只具有相對比較的意義，并不表示單元故障概率的絕對水平。

顯然，在前置放大器中，依危害度排列元器件的次序是：晶體管A2B11Q4、薄膜電阻器A2B11R1和A2B11R2，等等，在設計中要設法提高這幾種元器件的可靠性。8.1.4FMEA的矩陣分析法

1.矩陣格式及其符號

圖8-2(a)給出了矩陣格式及其符號，圖8-2(b)給出了各種符號的含義，矩陣的垂直線分別代表該功能級的輸入、輸出以及組成部分，矩陣的水平線表示它們的各種失效模式引起該功能級的各種失效效應。垂直線和水平線交點處的符號代表各種不同的失效模式。必須注意的是，前一級的失效效應就是下一級矩陣表的組成欄中的各項。圖8-2矩陣格式及其符號

2.矩陣分析法的主要步驟及實例

在列出矩陣之前，也是要定義系統(tǒng)的功能并作出可靠性框圖，確定各功能級別的故障模式，確定這些故障模式的影響，然后再列FMEA矩陣。

第一步，將整個民用產(chǎn)品分為五級（軍事裝備等級見國家軍用標準）：

第一級：回路級，由若干元部件組成。

第二級：單元級，由若干回路及包含于回路中的元部件組成。

第三級：組件級，由若干單元及不包含于單元中的回路和元部件組成。

第四級：子系統(tǒng)級，由若干組件及不包含于組件中單元、回路和元部件組成。

第五級：系統(tǒng)級，由若干子系統(tǒng)及不包含于子系統(tǒng)中的組件、單元、回路和元部件組成。

第二步，自下而上逐級構造矩陣。

1）構成第一級（回路級）矩陣

現(xiàn)以晶體管電路（圖8-3）為例，該放大電路由三個輸入（即+5V直流電源及其地線和驅動信號）、兩個輸出、六個部件（包括一個晶體管、一個反相放大器、四個電阻）組成，這個電路的FMEA矩陣見圖8-4所示。圖8-3晶體管放大電路圖8-4第一級FMEA矩陣

該矩陣說明：

：表示A和B同時無輸出，引起

的原因是散個輸入之一開路，或電阻

之一開路，或者晶體管Q1開路或短路。

E4：表示B沒有輸出，引起E3的原因是，B輸出開路，或電阻R4開路。

E3

：表示A沒有輸出，引起E3的原因是，A輸出開路，或反相器U1開路或短路。

E2：屬于一種非災難性的輕微影響，不在矩陣分析中仔細分析。

E1

：沒有影響。2）構成第二級（單元級）的矩陣

由多個放大電路組成之單元如圖8-5所示。單元的FMEA矩陣如圖8-6所示，它的垂直線項，除本功能級的輸入和輸出外，就是構成它的電路的失效效應以及不包括于電路的部件的失效模式，本功能級的失效效應有七種，它們分別表示的內容為：

E7

：沒有任何輸出；

E6：無信號輸出,同時TLM中有一個輸出，TLM表示遙測信息。

E5

：TLM-2無輸出；

E4：TLM-1無輸出；

E3：無信號輸出；

E2：輕微影響；

E1：沒有影響。圖8-5單元圖圖8-6第二級矩陣8.1.5FMEA和FMECA的評價

FMEA或FMECA是可靠性設計中被廣泛采用的一門技術，這是因為：

(1)理簡單，方法簡便，基本上是定性分析，也可以進行定量分析。

(2)適用于產(chǎn)品研制的全過程和各個階段，它對于電氣、機械、民用、宇航等專業(yè)均為適用。

(3)可以在一定程度上反映人的因素所引起的失誤，并可以幫助研究人員將失效及其影響減到最小，從而提高產(chǎn)品的可靠性水平。

(4)FMEA或FMECA的實際效果大，是其他失效分析的基礎之一，若和其它失效分析方法綜合使用，效果更佳。圖8-7各功能級FMEA矩陣FMEA或FMECA尚存在不足之處。

(1).在國家標準里指出“此方法用于分析導致整個系統(tǒng)失效非常有效”，但具有多功能和具有大量元件的復雜系統(tǒng)FMEA或FMECA實施起來就較為困難、繁瑣，借助于計算機用矩陣分析法可以彌補這方面的不足。

(2)它是一種單因素分析法，對于多因素同時起作用或相互作用而導致一種結果的情況就難以分析。

(3)在進行失效分析時，在環(huán)境效應事關重大的情況下，F(xiàn)MEA有局限性。 8.2故障樹分析法

8.2.1故障樹分析法的特點

故障樹分析法就是在系統(tǒng)設計過程中，通過對可能造成系統(tǒng)故障的各種因素（包括硬件、軟件、環(huán)境、人為因素等）進行分析，畫出邏輯框圖（即故障樹），

從而確定系統(tǒng)故障原因的各種可能組合方式及其發(fā)生概率，以計算系統(tǒng)故障概率，采取相應的糾正措施，以提高系統(tǒng)可靠性的一種設計分析方法。故障樹分析法具有以下特點：(1)它具有很大的靈活性，即不是局限于對系統(tǒng)可靠性作一般的分析，而是可以分析系統(tǒng)的各種故障狀態(tài)。不僅可以分析某些元部件故障對系統(tǒng)的影響，還可以對導致這些元部件故障的特殊原因（例如環(huán)境的，甚至人為的原因）進行分析，予以統(tǒng)一考慮。

(2)FTA法是一種圖形演繹法，是故障事件在一定條件下的邏輯推理方法。它可以圍繞某些特定的故障狀態(tài)作層層深入的分析，因而在清晰的故障樹圖形下，表達了系統(tǒng)內在聯(lián)系，并指出元部件故障與系統(tǒng)故障之間的邏輯關系，找出系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)。

(3)進行FTA的過程，也是一個對系統(tǒng)更深入認識的過程，它要求分析人員把握系統(tǒng)的內在聯(lián)系，弄清各種潛在因素對故障發(fā)生影響的途徑和程度，因而許多問題在分析的過程就被發(fā)現(xiàn)和解決了，從而提高了系統(tǒng)的可靠度。

(4)通過故障樹可以定量地計算復雜系統(tǒng)的故障概率及其它可靠性參數(shù)，為改善和評價系統(tǒng)可靠性提供定量數(shù)據(jù)。

(5)故障樹建成后，對不曾參與系統(tǒng)設計的管理和維修人員來說，相當于一個形象的管理、維修指南，因此對培訓使用系統(tǒng)的人員更有意義。8.2.2故障樹的應用

FTA法在系統(tǒng)壽命周期任何階段都可采用。然而在下面兩個階段采用時最為有效：

(1)早期設計階段。這時用FTA法的目的是判明故障模式，并在設計中進行改進。

(2)詳細設計和樣機生產(chǎn)后、批量生產(chǎn)前的階段。這時用FTA法的目的，是要證明所制造的系統(tǒng)是否滿足可靠性和安全性的要求。

FTA法用途很廣，一般可以用在以下幾個方面：

(1)系統(tǒng)的可靠性分析，可以作定性分析及定量分析。

(2)系統(tǒng)的事故分析及安全性分析。

(3)可以在產(chǎn)品的設計時，利用故障樹幫助判明系統(tǒng)潛在故障。

(4)在系統(tǒng)使用階段可以用來作故障診斷，預測系統(tǒng)故障時，最可能造成故障發(fā)生的原因，并可用來制訂檢修計劃等。8.2.3故障樹中使用的符號

1.事件及其符號

1)底事件

底事件是故障樹分析中僅導致其它事件發(fā)生的原因事件，它位于故障樹的底端，是邏輯門的輸入事件而不是輸出事件。底事件分為基本事件和未探明事件。

基本事件是在特定的故障樹分析中無須探明其發(fā)生原因的底事件。一般說它的故障分布是已知的。其圖形符號如圖8-8(a)所示。

未探明事件是原則上應進一步探明其原因，但暫時不必或暫時不能探明其原因的底事件，其圖形符號如圖8-8(b)所示。圖8-8事件符號

2)結果事件

結果事件是故障樹分析中由其它事件或事件組合所導致的事件，它總位于邏輯門的輸出端，其圖形符號如圖8-8(c)所示。結果事件分頂事件和中間事件。

頂事件是故障樹分析中所關心的事件，它總位于故障樹的頂端。因此頂事件總是邏輯門的輸出事件而不是輸入事件。

中間事件是位于底事件和頂事件之間的結果事件，它既是某個邏輯門的輸入事件，又是另一個邏輯門的輸出事件。

3)特殊事件

特殊事件指在故障樹分析中需用特殊符號表明其特殊性或引起注意的事件，它又分為開關事件和條件事件。

開關事件是在正常條件下必然發(fā)生或必然不發(fā)生的特殊事件，其圖形符號如圖8-8(d)所示的房形符號。

條件事件是描述邏輯門起作用的具體限制的特殊事件，其圖形符號如圖8-8(e)所示。

人為事件是由于人為差錯或疏忽而造成的原因事件，常用虛線畫出相應的圖形符號，如圖8-8(f)所示。

2.邏輯門及其符號

在故障樹中邏輯門只描述事件間的邏輯因果關系，分為與門、或門、非門和特殊門。

圖8-9或門、與門和非門示意圖（2）與門

與門表示僅當所有輸入事件發(fā)生時，輸出事件才發(fā)生，其圖形符號如圖8-9(b)所示。與門表示的輸出事件A與輸入的n個事件(i=1,2…,n)的邏輯關系為積事件的關系，即：(3)非門

非門表示輸出事件是輸入事件的對立事件。其圖形符號如圖8-9(c)所示，若輸出事件A，輸入事件B，則

。２）特殊門

特殊門表示輸出事件發(fā)生是具有一定條件的。特殊門包括順序與門、表決門、異或門或禁門。

異或門表示僅當單個輸入事件發(fā)生時，輸出事件才發(fā)生，其圖形符號如圖8-10(a)所示。

順序門表示僅當輸入事件按規(guī)定的順序發(fā)生時，輸出事件才發(fā)生，其圖形符號如圖8-10(b)所示。

表決門表示僅當n個輸入事件至少有r個事件發(fā)生時，輸出事件才發(fā)生，其圖形符號如圖8-10(c)所示。

禁門表示僅當條件事件發(fā)生時，輸入事件的發(fā)生導致輸出事件發(fā)生。其圖形符號如圖8-10(d)所示。圖8-10特殊門符號

3.轉移符號

轉移符號是為了避免畫圖時重復、轉頁和使圖形簡明而設置的符號，它分為相同轉移符號和相似轉移符號。

(1)相同轉移符號。圖8-11所示是一對相同轉移符號，用以指明子樹的位置，圖8-11(a)為相同轉移符號，表示“下面轉到符號內的字母或數(shù)字所指的子樹去”。圖8-11(b)為相同轉此符號，表示由具有相同字母或數(shù)字的轉向符號處轉到這里來。圖8-11相同轉移符號圖8-12相似轉移符號

(2)相似轉移符號。圖8-12所示是一對相似轉移符號，用以指明相似子樹的位置，圖8-12(a)為相似轉向符號，表示“下面轉到以字母或數(shù)字為代號所指的結構相似而事件標號不同的子樹去”。不同事件表號在三角形旁邊注明。圖8-12(b)為相似轉此符號，表示“相似轉向符號所指子樹與此處子樹相似，但事件標號不同”。8.2.4故障樹的建立

故障樹是實際系統(tǒng)故障組合和傳遞的邏輯關系的正確抽象的表達，在FTA分析過程中，建樹是第一個關鍵，是最基本、最實際、最艱苦，在一定意義上也是最有用的環(huán)節(jié)。建樹是否完善直接影響定性分析和定量分析計算結果的準確性。因此，建樹時首先應對系統(tǒng)及其組成部件產(chǎn)生故障的原因、后果以及各種影響因素和它們之間的因果關系有透徹的了解。一個復雜系統(tǒng)的建樹過程往往需要多次反復，逐步深入和逐步完善。在這一過程中應對發(fā)現(xiàn)的薄弱環(huán)節(jié)采取改進措施，以提高系統(tǒng)的可靠性，這比簡單算出可靠性的意義更大。

建樹的方法一般分為兩類，第一類是人工建樹，基本上是用演繹法，即選定系統(tǒng)失效的一個判據(jù)作為分析的目標（頂事件），第一步找出直接導致頂事件發(fā)生的各種可能因素或因素組合，這些因素可包括功能故障、部件不良、程序錯誤、人為錯誤、環(huán)境影響等。第二步再找出第一步中各因素的直接原因。循此格式逐級向下演繹。一般來說，直至找出各個基本事件為止，由于基本事件是故障分布已知的隨機故障事件單元，不需要再進一步查找其發(fā)生原因的事件。這樣就得到一顆故障樹。第二類是計算機輔助建樹，主要有合成法和判定表法等。

為了建樹，應該首先對系統(tǒng)進行全面而深入的了解。需要廣泛地收集有關系統(tǒng)的設計、制造工藝、安裝調整、使用運行、維修保養(yǎng)以及其它有關方面的數(shù)據(jù)、資料、技術文件及技術規(guī)范等。并進行深入、細致的分析研究。在分析故障事件的原因時，不僅要考慮電子設備系統(tǒng)本身的因素，而且應考慮人的因素及環(huán)境的影響，為了區(qū)別故障事件是由單元（零、部件）本身引起的還是由人或外界條件引起的，故障樹分析中規(guī)定：凡是由單元本身引起的事件稱為“一次事件”，而由人的因素或環(huán)境條件引起的事件稱為“二次事件”。

在故障樹分析中，首先要確定頂事件，然后才能進行故障樹的建立。

（1）頂事件的確定

任何需要分析的系統(tǒng)故障，只要它是可以分解且有明確定義的，則在該系統(tǒng)的故障樹分析中都可作為頂事件。因此，對一個系統(tǒng)來說，頂事件不是唯一的。但通常往往把該系統(tǒng)最不希望發(fā)生的故障作為該系統(tǒng)故障分析的頂事件。

（2）故障樹的建立過程

在頂事件確立以后，則將它作為故障樹分析的起始端，找出導致頂事件所有可能的直接原因，作為第一級中間事件。將這些事件用相應的事件符號表示，并用適合于它們之間邏輯關系的邏輯門符號與上一級事件（最上一級為頂事件）相連接。依次類推，逐級向下發(fā)展，直至找出引起系統(tǒng)故障的全部毋須再追究下去的原因，作為底事件。這樣就完成了故障樹的建立。

建立故障樹時，應注意以下幾點：

(1)選擇建樹流程時，通常以系統(tǒng)功能為主線來分析所有故障事件并按演繹邏輯貫穿始終。但一個復雜系統(tǒng)的主流程可能不是唯一的，因為各分支常有自己的主流程，建樹時要靈活掌握。

(2)合理地選擇和確定系統(tǒng)及單元的邊界條件，在建樹前對系統(tǒng)和單元（部件）的某些變動參數(shù)作出合理的假設，即為邊界條件。這些假設可使故障樹分析中抓住重點；同時也明確了建樹范圍，即故障樹建到何處為止。

(3)故障事件定義要明確，描述要具體，盡量做到唯一的解釋。

(4)系統(tǒng)中各事件間的邏輯關系和條件必須十分清晰，不允許邏輯混亂和條件矛盾。

(5)故障樹應盡量地簡化，去掉邏輯多余事件，以方便定性及定量分析。圖8-13硬磁盤驅動器結構示意圖

硬盤驅動器工作原理是利用特定的磁粒子的極性來記錄數(shù)據(jù)。磁頭在讀取數(shù)據(jù)時，將磁粒子的不同極性轉換成不同的電脈沖信號，再利用數(shù)據(jù)轉換器將這些原始信號變成電腦可以使用的數(shù)據(jù)，寫的操作正好與此相反。另外，硬盤中還有一個存儲緩沖區(qū)，這是為了協(xié)調硬盤與主機在數(shù)據(jù)處理速度上的差異而設的。

硬盤驅動器加電正常工作后，利用控制電路中的單片機初始化模塊進行初始化工作，此時磁頭置于盤片中心位置，初始化完成后主軸電機將啟動并以高速旋轉，裝載磁頭的小車機構移動，將浮動磁頭置于盤片表面的00道，處于等待指令的啟動狀態(tài)。當接口電路接收到微機系統(tǒng)傳來的指令信號，通過前置放大控制電路，驅動音圈電機發(fā)出磁信號，根據(jù)感應阻值變化的磁頭對盤片數(shù)據(jù)信息進行正確定位，并將接收后的數(shù)據(jù)信息解碼，通過放大控制電路傳輸?shù)浇涌陔娐?，反饋給主機系統(tǒng)完成指令操作。結束硬盤操作的斷電狀態(tài)，在反力矩彈簧的作用下浮動磁頭駐留到盤面中心。硬盤驅動器的結構示意圖見圖8-13。

研究硬盤驅動器的可靠性問題，我們選擇“硬磁盤驅動器”作為頂事件，它是由下列兩個事件之一引起的：“讀寫錯誤”、“主軸電機失效”。對于每一個次級中間事件還可以再進行分解，如“讀寫錯誤”是由下面三個事件之一引起的：“寫入電路失效”、“定位不準”、“讀出電路失效”。這里“定位不準”是一個中間事件，又可以進行分解，依次類推，按同樣的方法，進一步把各次級中間事件逐一分析下去，最終得到故障樹如圖8-14所示。其中“盤片定位不準”、“磁頭定位機構的執(zhí)行機構失效”用轉移符號表示，可以簡化故障樹的表示形式。圖8-14硬盤驅動器失效故障樹而“控制電路失效”、“定位控制電路失效”是在分析機械部分失效時暫不考慮的電路部分失效事件，所以用未探明事件表示。

由本例我們可以進一步體會到：故障樹建立后，它提供了失效事件間關系的形象描述。人們可以看出不同失效模式（事件）在造成頂事件發(fā)生時所起的作用。因此，故障樹無論對系統(tǒng)設計的工程師，或者對系統(tǒng)的使用、管理及維修人員都是很有價值的。8.2.5故障樹的定性分析

進行故障樹定性分析的目的在于尋找導致頂事件發(fā)生的原因和原因組合，識別導致頂事件發(fā)生的所有故障模式，它可以幫助判明潛在的故障，以便改進設計，也可以用于指導故障診斷，改進運行和維修方案。而故障樹的定性分析過程就是找出故障樹的全部最小割集或全部最小路集。

1.割集與路集

割集：設故障樹中有n個底事件

，C={}為某些事件的集合，當C中全部底事件都發(fā)生時，頂事件必然發(fā)生，則稱C為故障樹的一個割集，而任意去掉其中一個底事件后就不是割集了，這樣的割集稱為最小割集。

系統(tǒng)故障樹的一個割集，代表了該系統(tǒng)發(fā)生故障的一種可能性，即一種失效形式。由于最小割集發(fā)生時，頂事件必然發(fā)生，因此一棵故障樹的全部最小割集的完整集合代表了頂事件發(fā)生的所有可能性，即系統(tǒng)的全部故障。最小割集指出了處于故障狀態(tài)的系統(tǒng)所必須修理的基本故障，指出了系統(tǒng)的最薄弱環(huán)節(jié)。圖8-15割集與路集圖8-16系統(tǒng)故障樹

2.求最小割集的方法

1）Fussell—Vesely算法

該方法的特點是從頂事件開始往下逐級進行，故又稱為“下行法”。它是根據(jù)邏輯與門僅增加割集的容量，而邏輯或門才增加割集的個數(shù)這一性質，由上而下，遇到與門就把與門下面所有輸入事件均排列于同一行；遇到或門就把或門下面的所有輸入事件均排列于一列。依此類推，往下一直到不能分解為止。這樣得到的基本事件集合是割集，但不一定是最小割集。

要進一步找出最小割集可以采用如下方法，讓每一個底事件依次對應一個素數(shù)，例如讓底事件

對應第i個正素數(shù),把每個割集也對應一個數(shù)。它是割集中底事件對應的素數(shù)的乘積，經(jīng)排列后可得到一串由小到大的數(shù)列,k為割集總數(shù)。把這些數(shù)依次相除，例如若

能被

整除，它們對應的割集即為所求的最小割集。這種方法也易于在計算機上實現(xiàn)。

2)Semanderes算法

這種算法是由下而上進行，故稱為“上行法”。每進行一步，根據(jù)故障樹的邏輯關系，并用布爾代數(shù)運算規(guī)則進行運算并簡化，算到最后即得到最小割集?，F(xiàn)仍以例8-2的故障樹為例來說明，為簡化書寫，今用“+”代替“

”，且省去“

”的符號。

如圖8-16所示，其故障樹的最下一級為：往上一級為：再往上一級為：利用集合運算規(guī)則，上式簡化得：最上一級為：故得到最小割集為：所得結果與Fussell-Vesely算法完全相同。

利用“上行法”且計算時把上面算法中的

調換，可得：

共得兩個最小路集。

在“上行法”中要注意對每一步計算結果按集合運算規(guī)則進行簡化，使得留下的是不相互包容的事件的集合。8.2.6故障樹的定量分析

故障樹定量計算的任務就是要計算或估計頂事件發(fā)生的概率等，復雜系統(tǒng)的故障樹定量計算一般是很繁雜的。特別是當故障不服從指數(shù)分布時，難以用解析法求得精確結果。這時可用蒙特卡洛仿真的方法進行估計。

在FTA的定量計算中，可通過最小割集求頂事件發(fā)生的概率，我們按最小割集之間不交與相交兩種情況處理。

(1)最小割集之間不相交的情況

假定已求出了故障樹的全部最小割集

，并且各最小割集中沒有重復出現(xiàn)的底事件，也就是最小割集之間不相交，可得：(8-4)式中：m——最小割集數(shù)；P(T)——頂端事件發(fā)生的概率。

(2)最小割集之間相交的情況

用式（8-4）精確計算任意一顆故障樹頂端事件發(fā)生的概率時，要求假設在各最小割集中沒有重復出現(xiàn)的底事件，也就是最小割集之間是完全不相交的。但在大多數(shù)情況下，底事件可以在幾個最小割集中重復出現(xiàn)，也就是說最小割集之間是相交的。這樣精確計算頂事件發(fā)生的概率就必須用相容事件的概率公式：(8-5)

由式（8-5)可看出它共有

項，當最小割集數(shù)m足夠大時，就會產(chǎn)生“組合爆炸”問題。如某故障樹有40個最小割集，則計算P(T)的式（8-5）共有

項，每一項又是許多數(shù)的連乘積，即使大型計算機也難以勝任。

解決的辦法，就是化相交和為不交和再求頂端事件發(fā)生的概率的精確解。這就是近似計算頂事件發(fā)生概率的方法，我們可以采用取式（8-5）中的代數(shù)和中起主要作用的是首項或首項及第二項，后面一些的數(shù)值極小，如果取首項，則近似計算式為：(8-6)

該式與（8-4）式相同，所以在估算頂事件發(fā)生概率時，不管最小割集是否相交，都可以用（8-4）式來計算。當頂事件發(fā)生概率求得后，也就是知道系統(tǒng)的不可靠度，而系統(tǒng)的可靠度為：(8-7)例8-3試估算圖8-16頂端事件發(fā)生的概率，已知：解系統(tǒng)的可靠度為：

8.3潛在通路分析8.3.1概述

系統(tǒng)發(fā)生故障，有時并非由于元器件和部件損壞、參數(shù)漂移、電磁干擾等原因所造成，而是由于系統(tǒng)的“潛在通路”作用造成的。所謂“潛在通路”指的是在某種條件下，電路中產(chǎn)生的不希望有的通路，它的存在會引起功能異常或抑制正常功能。例如圖8-17示出了一個導彈發(fā)動機點火和關機電路存在的潛在電路實例，初看起來這是一個簡單而明確的電路，但是當尾部脫落插頭比起飛脫落插頭先脫落時，就出現(xiàn)了如箭頭所示的潛在通路，使關機線圈流過反向電流，結果導彈剛從發(fā)射臺啟動由于發(fā)動機關機而失敗。當然，電路異常狀態(tài)不一定都是由潛在通路造成，也可能是由電路不正確定時或控制標志顯示不正確等原因所引起的。

潛在通路分析的目的是在假定所有組件均正常工作的情況下，分析哪些能引起功能異?；蛞种普９δ艿臐撛谕罚瑸楦倪M設計提供依據(jù)。本節(jié)所述潛在通路分析方法主要適用于常規(guī)電路。圖8-17固有的潛通電路實例8.3.2潛在通路的特點及產(chǎn)生原因

1.潛在通路的特點

(1)多數(shù)潛在通路并非在系統(tǒng)每次運行時都會起作用，而必須在某種特定條件下才能起作用。因此，在多數(shù)情況下，難以通過試驗來發(fā)現(xiàn)是否存在潛在通路。

(2)存在潛在通路并非一定是個不良狀況。比如，當其他通路出現(xiàn)故障時，某些潛在通路卻代替故障電路完成了任務。因此，在采取任何措施之前，必須對潛在通路內含本質加以仔細研究，并確定它對電路功能的影響。

2.產(chǎn)生潛在通路的原因

(1)各分系統(tǒng)設計人員對如何適當?shù)剡B接各分系統(tǒng)缺乏全面的考慮。

(2)沒有對設計評審完成后所做的更改會給系統(tǒng)帶來的影響進行充分的審查。

(3)操作人員差錯。8.3.3潛在通路的主要表現(xiàn)形式

一般可以歸納出潛在通路的四種表現(xiàn)形式：潛在電路、潛在時間、潛在標志和潛在指示。這些都可能使系統(tǒng)發(fā)生故障。圖8-18汽車上的潛在電路

（1）潛在電路

它是指在某種條件下，電路中產(chǎn)生不希望有的通路，它會引起功能異?；蛞种普５墓δ堋D8-17就是其中一例；圖8-18是汽車上的潛在電路。在點火開關斷開，收音機工作情況下，按照設計目的，當?shù)拍_剎車時，告警開關閉合尾燈才不斷閃爍，但由于有圖中箭頭所示的潛在電路，此時收音機也會發(fā)出不應有的雜音。

（2）潛在時間

潛在時間指某種功能在一個不希望出現(xiàn)的時間內存在或發(fā)生。

圖8-19是一個保護控制電路中發(fā)生的“潛在時間”的實例。它是某測量雷達防止天線在俯仰時因超過角度界限而損壞的保護控制電路。圖中的

和

是微動開關。當天線轉到

時，微動開關

接通，使天線反向旋轉，一旦離開了

位置，微動開關

斷開，使天線俯仰方向不受保護控制電路影響。當天線轉到極限位置時，

接通，使天線改變轉向，從而保護了天線。但當天線俯仰齒輪箱的速比設計發(fā)生差錯時，微動開關

和

可能會在一個特定位置上同時接通，結果使負載短路而燒毀整個控制電路的直流電源。

圖8-19“潛在時間”例圖

（3）潛在標志

這是指開關或控制系統(tǒng)上的標志不得當，會引起操作失靈。

圖8-20就是“潛在標志”的一個實例。它取自一機載雷達，由于接通雷達與液體冷卻泵的電源開關僅標志為液體冷卻泵開關，因而當操作人員斷開液體冷卻泵時，無意中把雷達電源也切斷了。

（4）潛在指示

潛在指示是會引起混淆或不正確的指示，它會造成錯誤的操作。圖8-21所示的是聲納供電系統(tǒng)中的一個指示燈。圖中開關

的位置說明電機處于工作狀態(tài)，但馬達是否運轉還取決于開關

、

及繼電器

、

的狀態(tài)，因此該指示燈并不方映電機的實際工作情況。圖8-20“潛在標志”例圖圖8-21“潛在指示”例圖8.3.4潛在通路分析方法

為了查出潛在通路，顯然先要列出電路所存在的一切通路。通路是由元器件（包括電線、電纜）組成的。為了簡化通路起見，可略去不必要的部分。例如，對元器件來說，必須保留開關、負載、繼電器和晶體管等，而應略去只起電路連接作用的終端板和連接點等。對通路來說，必須保持連通電源和接地總線通路，略去無關路徑。

上述過程的工作量較大，一般要用計算機處理。計算機分析程序把有用的元器件作為編碼的節(jié)點，計算機輸出的節(jié)點組合就代表電路的所有通路。圖8-22為潛在通路分析工作流程圖。

在這個基礎上產(chǎn)生網(wǎng)絡樹。這種網(wǎng)絡樹規(guī)定把所有電源置于每一網(wǎng)絡樹的頂端，而底部是地，并使電路按電流自上而下的規(guī)則排列。網(wǎng)絡樹實際上代表化簡后的電路拓撲形式。任何電路的網(wǎng)絡樹，均可用圖8-23所示的五種基本拓撲圖形的某種組合表示。根據(jù)網(wǎng)絡樹中開關S位置的組合及其他標志，就可以判斷出在的潛在通路。圖8-22潛在通路分析工作流程圖

例如對最簡單的單線網(wǎng)絡樹（圖8-23(a)），就可以提供三條判斷潛在通路的線索：圖8-23網(wǎng)絡樹

(1)當需要負載L時，開關S是否處于斷開狀態(tài)；

(2)當不需要負載L時，開關S是否處于閉合狀態(tài)；

(3)S的標志是反映負載L的真實功能，即負載L接入或脫離電路時，S是否指示斷開或閉合。

若上述三條線索中有一條回答“是”，則在此情況下系統(tǒng)會因存在潛在通路而故障。

這是最簡單的例子，實際上這種簡單的拓撲樹及其所含的潛在通路是不常見的。圖中其它四種拓撲樹及其不同的組合就十分復雜。例如圖中8-23(e)所示的“H”形拓撲樹可能存在一百條以上的潛在通路，因為僅網(wǎng)絡中的六個開關所處不同位置的組合狀態(tài)就有64種之多。目前所識別出來的潛在通路，將近一半是由“H”形網(wǎng)絡得出的。8.3.5潛在通路分析方法的特點

與前面介紹的其他可靠性分析方法相比，潛在通路分析有其獨特的特點。表現(xiàn)為：

(1)在進行潛在通路分析時，一般不考慮環(huán)境變化的影響，也不去識別由于某些硬件故障、制造或對環(huán)境敏感所引起的潛在電路。

(2)潛在通路分析與可靠性大綱中通常進行的其他分析相比，側重面有所不同。潛在通路分析只注重系統(tǒng)各元、部件之間的相互連接、相互關系及相互影響，而不注重元、部件本身的可靠性。它更注重系統(tǒng)將發(fā)生什么故障，而不注重系統(tǒng)如何正常工作。例如FMECA是分析所有元、部件的故障模式及其對系統(tǒng)的影響。而潛在通路分析，則是在假定所有元、部件正常工作的情況下，系統(tǒng)會發(fā)生什么故障，而且考慮了人為差錯。因此潛在通路分析和其他可靠性分析是相輔相成，互為補充的。 (3)在確定潛在狀態(tài)時，必須滿足的首要條件是保證用于分析的電路能代表實際的系統(tǒng)電路。在識別系統(tǒng)潛在通路時，使用詳細的生產(chǎn)圖及安裝圖要比使用系統(tǒng)級或功能級圖紙更有效。因為較高一級圖紙通常代表設計目的和總體方案，在把該方案轉化為原理圖、布線圖和安裝圖的過程中，往往會引入潛在狀態(tài)。也就是說，潛在通路分析往往是在設計圖紙文件完全確定、要投產(chǎn)前進行的。而在這種時候進行分析，如果發(fā)現(xiàn)了問題，要作改進比較困難的，往往會“牽一發(fā)而動全身”。

(4)對于較復雜的系統(tǒng)，進行潛在通路分析的工作量極大，因此，一般宜用計算機處理。

8.4設備的故障診斷技術8.4.1故障診斷技術的內容

1.診斷對象

(1)機械零部件的技術診斷

機械零部件的技術診斷包括對工程結構的損傷診斷，例如齒輪、軸、軸承、梁、柱、板、殼等等的損傷診斷。 (2)機器的技術診斷

機器的技術診斷包括對它的性能和強度的診斷和評價。在性能評價方有功能的正常和異常、故障和劣化，要分析其產(chǎn)生的原因；在強度的評價方面要分析其主要零部件的可靠性，預測其壽命；在機械設備的性能和強度的檢測評價的基礎上確定出修復和改善的方法。圖8-24故障診斷過程框圖

(3)系統(tǒng)的技術診斷

工廠或企業(yè)對于其機組和生產(chǎn)系統(tǒng)的正常運行是最重視的，系統(tǒng)的技術診斷也就顯示出其特殊的重要性，系統(tǒng)的故障與部件互相有關但也有差別，而部件故障與系統(tǒng)故障的關系，對于不同的系統(tǒng)也不相同，所以進行系統(tǒng)的技術診斷要必須具體分析各部件故障和系統(tǒng)故障的關系，從而確定系統(tǒng)故障的原因。

2.診斷過程

故障診斷的內容包括狀態(tài)監(jiān)測、識別診斷和預測三個方面，在預測系統(tǒng)的可靠性和性能時，如果識別出異常狀態(tài)，就要對其原因、部位和危險程度進行診斷和評價，研究決定其修正和預防的方法，整個診斷過程表示在圖8-24的框圖中。一個系統(tǒng)或一臺機器在運行過程中必然有能量、介質、力、熱及摩擦等各種物理和化學參數(shù)的傳遞和變化，必然會由此而產(chǎn)生各種各樣的信息，這些信息的變化直接和間接地反映出系統(tǒng)的運行狀態(tài)，也就是說正常運行和異常運行時的信息變化規(guī)律是不一樣的，故障診斷就是根據(jù)機器運行時產(chǎn)生的不同的信息變化規(guī)律，即信息特征，來識別機器是處在正常運行狀態(tài)還是異常運行狀態(tài)的。

3.診斷的分類

工程中系統(tǒng)（機器）運行的狀態(tài)多種多樣，其環(huán)境條件各不相同，由此就產(chǎn)生了不同類型的故障診斷的方法，現(xiàn)分類如下：

(1)功能診斷和運行診斷

對于新安裝或剛維修好的機器或系統(tǒng)需要診斷它的功能是否正常，并根據(jù)檢查和診斷的結果對它進行調整，這就是功能診斷；而對正常服役的機器或系統(tǒng)則進行運行狀態(tài)的診斷，監(jiān)視其故障的發(fā)生和發(fā)展。

(2)定期診斷和在線監(jiān)控

定期診斷是隔一定時間對服役的機器進行一次檢查和診斷，也叫做巡回檢查和診斷，簡稱巡檢；在線監(jiān)控是采用現(xiàn)代化儀表和計算機信號處理系統(tǒng)對機器或系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行連續(xù)監(jiān)視和控制。對于哪些設備采用哪種診斷形式，需要根據(jù)設備的關鍵程度，設備故障影響的嚴重程度，運行中機器性能下降的速度和設備故障發(fā)生和發(fā)展的可預測性，按照設備綜合工程學的原則來確定。

(3)直接診斷和間接診斷

直接診斷是指直接根據(jù)關鍵零部件的信息確定這些零部件的狀態(tài)，例如對軸承間隙、齒面磨損、軸或葉片的裂紋以及在腐蝕條件下的管道的壁厚等進行直接觀察和診斷；由于受到機器結構和運行條件的限制無法進行直接診斷時，只好采用間接診斷，它是通過二次診斷信息來間接地判別關鍵零部件的狀態(tài)變化，由于多數(shù)二次信息轉化成的輸出信號中攜帶的是綜合信息，因此會發(fā)生誤診斷，也就是出現(xiàn)偽警和漏檢的可能性會增大。

(4)常規(guī)診斷和特殊診斷

在常規(guī)工況，也就是機器正常運行條件下進行的診斷叫常規(guī)診斷，大多數(shù)診斷都屬于這一類；但在個別情況下需要創(chuàng)造特殊的條件來采集信息，例如動力機組的起動和停車過程要通過轉子的幾個臨界轉速，就需要采集起動和停車過程中的振動信號，而這些信號在常規(guī)診斷中是得不到的。

(5)簡易診斷和精密診斷

簡易診斷相當于人的初級健康診斷，一般由現(xiàn)場作業(yè)人員實施，能對機械設備的狀態(tài)迅速有效地做出概括性的評價。精密診斷的目的是對由簡易診斷判定的“大概有點異常”的機械設備進行專門的精確診斷，由精密診斷的專家來進行，其功能應包括應力定量技術、故障檢測分析技術和強度性能定量技術。8.4.2診斷信息的采集和處理技術

1.診斷信息的采集

對一臺機器或一個系統(tǒng)進行診斷時，第一步工作就是要探測出它的故障信息，也可叫做故障探測，就是要收集到反映機器或系統(tǒng)故障的信息。設備在運行過程中，獲取診斷信息的方法有：直接觀察法、振動噪聲檢測法、磨損殘留物檢測法，運轉性能檢測法等。

大多數(shù)情況無法直接測量設備元部件的各種參量，一般多采用以上的間接信息作診斷，宜用幾種方法綜合分析作出判斷，避免誤診。

(1)直接觀察法

由操作人員或設備檢查人員，隨時聽聲、目估或用簡單儀器觀察設備的運行情況，這種方法是定性的、粗略的。

(2)振動和噪聲檢測法

設備在運行中不斷發(fā)生振動和噪聲，這是診斷的重要信息，它反映了設備的狀態(tài)。振動和噪聲的測量和分析可以分為三個步驟：

①測總的振動和噪聲的強度，可以初步判斷設備運行是否正常；

②進行頻譜分析，確定什么環(huán)節(jié)上出問題；

③采用其它測定手段，以便于更進一步的分析。

(3)磨損殘余物檢測法

機電產(chǎn)品的機械零件，在運行過程中，它們的磨損殘余物混入潤滑油中，定期對它們進行測定，可以間接地推測哪些機件在磨損，它的磨損情況如何。測定的方法有三種一是直接檢查殘余物，二是磁性探頭收集殘余物，三是油樣分析。

(4)整機性能測定

機電產(chǎn)品的總的功能指標，是監(jiān)測的重要項目，可以用它來判斷運行是否正常，例如：測量精密機床的加工精度，測量光劃機的套刻精度等。

2.診斷故障