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第二章系统安全分析故障类型和影响分析

Preparedon22November2020

第二章系统安全分析故障类型和影响分析

故障类型和影响分析

故障类型和影响分析FMEA（FailureModelandEffectsAnalysis）是对系统各组成部分、元件进行分析的重要方法。

系统的子系统或元件在运行过程中会发生故障，而且往往可能发生不同类型的故障。

例如，电气开关可能发生接触不良或接点粘连等类型故障。

不同类型的故障对系统的影响是不同的。

这种分析方法首先找出系统中各子系统及元件可能发生的故障及其类型，查明各种类型故障对邻近子系统或元件的影响以及最终对系统的影响，以及提出消除或控制这些影响的措施。

故障类型和影响分析是一种系统安全分析归纳方法。

早期的故障类型和影响分析只能做定性分析，后来在分析中包括了故障发生难易程度的评价或发生的概率。

从而把它与致命度分析（CriticalAnalysis）结合起来，构成故障类型和影响、危险度分析（FMECA）。

这样，若确定了每个元件的故障发生概率，就可以确定设备、系统或装置的故障发生概率，从而定量地描述故障的影响。

故障类型

系统、子系统或元件在运行过程中，由于性能低劣，不能完成规定的功能时，则称为故障发生。

系统或元件发生故障的机理十分复杂，故障类型是由不同故障机理显现出来的各种故障现象的表现形式。

因此，一个系统或一个元件往往有多种故障类型。

表2-6为一般机电产品、设备常见故障类型。

表2-6常见故障类型

结构破损

机械性卡住

振动

不能保持在指定位置上

不能开启

不能关闭

误开

误关

内漏

外漏

超出允许上限

超出允许下限

间断运行

运行不稳定

意外运行

错误指示

流动不畅

假运行

不能开机

不能关机

不能切换

提前运行

滞后运行

输入量过大

输入量过小

输出量过大

输出量过小

无输入

无输出

电短路

电开路

漏电

其它

对产品、设备、元件的故障类型、产生原因及其影响应及时了解和掌握，才能正确地采取相应措施。

若忽略了某些故障类型，这些类型故障可能因为没有采取防止措施而发生事故。

例如，美国在研制NASA卫星系统时，仅考虑了旋转天线汇流环开路故障而忽略了短路故障，结果由于天线汇流环短路故障使发射失败，造成1亿多美元的损失。

掌握产品、设备、元件的故障类型需要积累大量的实际工作经验，特别是通过故障类型和影响分析来积累经验。

分析程序

故障类型和影响分析通常包括以下四方面：

（1）掌握和了解对象系统；

（2）对系统元件的故障类型和产生原因进行分析；

（3）故障类型对系统和元件的影响；

（4）汇总结果和提出改正措施。

1．掌握和了解对象系统

对故障类型和影响进行分析之前，必须掌握被分析对象系统的有关资料，以确定分析的详细程度。

确定对象系统的边界条件包括以下内容：

（1）了解作为分析对象的系统、装置或设备；

（2）确定分析系统的物理边界。

划清对象系统、装置、设备与子系统、设备的界线，圈定所属的元素（设备、元件）；

（3）确定系统分析的边界，应明确两方面的问题：

①分析时不需考虑的故障类型、运行结果、原因或防护装置等。

如分析故障原因时不考虑飞机坠落到系统外和地震、龙卷风等对系统的影响；

②最初的运行条件或元素状态等，例如对于初始运行条件，在正常情况下阀门是开启还是关闭的必须清楚；

（4）收集元素的最新资料，包括其功能、与其它元素之间的功能关系等。

分析的详细程度取决于被分析系统的规模和层次。

例如，选定一座化工厂作为对象系统时，故障类型和影响分析应着眼于组成工厂的各个生产系统，如供料系统、间歇混合系统、氧化系统、产品分离系统和其它辅助系统等，对这些系统的故障类型及其对工厂的影响进行分析。

当把某个生产系统作为对象系统时，应对构成该系统的设备的故障类型及其影响进行分析。

当以某一台设备为分析对象时，则应对设备的各部件的故障类型及其对设备的影响进行分析。

当然，分析各层次故障类型和影响时最终都要考虑它们对整个工厂的影响。

2．对系统元素的故障类型进行分析

在对系统元素的故障类型进行分析时，要将其看作是故障原因产生的结果。

首先，找出所有可能的故障类型，同时尽可能找出每种故障类型的所有原因，然后确定系统元素的故障类型。

故障类型的确定，可依据以下两方面：

（1）若分析对象是已有元素，则可以根据以往运行经验或试验情况确定元素的故障类型；

（2）若分析对象是设计中的新元素，则可以参考其它类似元素的故障类型，或者对元素进行可靠性分析来确定元素的故障类型。

一般来说，一个元素至少有4种可能的故障类型：

①意外运行；

②运行不准时；

③停止不及时；

④运行期间故障。

为了区分故障类型和故障原因，必须明确元素的故障是故障原因对元素功能影响的结果。

故障原因可以从内部原因和外部原因两个方面来分析。

在分析时要把元素进一步分解为若干组成部分，如机械部分、电气部分等，然后研究这些部分的故障类型（内部原因）和这些部分与外界环境之间的功能关系，找出可能的外部原因。

一般来说，外部原因主要是元素运行的外部条件方面的问题，同时也包括邻近的其它元素的故障。

根据故障原因分析，最后确定元素的故障类型。

图2-1为确定元素故障类型的程序。

图2-1确定元素故障类型的程序

3．故障类型的影响

故障类型的影响是指系统正常运行的状态下，详细地分析一个元素各种故障类型对系统的影响。

分析故障类型的影响，通过研究系统主要的参数及其变化来确定故障类型对系统功能的影响，也可以根据故障后果的物理模型或经验来研究故障类型的影响。

故障类型的影响可以从下面三种情况来分析：

（1）元素故障类型对相邻元素的影响，该元素可能是其它元素故障的原因。

（2）元素故障类型对整个系统的影响。

该元素可能是导致重大故障或事故的原因。

（3）元素故障类型对子系统及周围环境的影响。

4．列出故障类型和影响分析表

根据故障类型和影响分析表，系统地、全面和有序地进行分析。

最后将分析结果汇总于表中，可以一目了然地显示全部分析内容。

根据研究对象和分析的目的，故障类型和影响分析表可设置成多种形式。

应用实例

1．电机运行系统故障类型和影响分析

一电机运行系统如图2-2所示，该系统是一种短时运行系统，如果运行时间过长则可能引起电线过热或者电机过热、短路。

对系统中主要元素进行故障类型和影响分析，结果列于表2-7。

图2-2电机运行系统示意图

表2-7电机运行系统故障类型和影响分析

元素

故障类型

可能的原因

对系统影响

按钮

卡住

接点断不开

机械故障

机械故障

人员没放开按钮

电机不转

电机运转时间过长

短路会烧毁保险丝

继电器

接点不闭合

接点不断开

机械故障

机械故障

经过接点电流过大

电机不转

电机运转时间过长

短路会烧毁保险丝

保险丝

不熔断

质量问题

保险丝过粗

短路时不能断开短路

电机

不转

短路

质量问题

按钮卡住

继电器接点不闭合

质量问题

运转时间过长

丧失系统功能

电路电流过大烧毁保险丝使继电器接点粘连

2．空气压缩机储罐的故障类型和影响分析

空气压缩机的储罐属于压力容器，其功能是储存空气压缩机产生的压缩空气。

这里仅考察储罐的罐体和安全阀两个元素的故障类型及其影响，分析结果列于表2-8。

表2-8储气罐的故障类型和影响分析

故障类型

故障的影响

故障原因

故障的识别

校正措施

轻微漏气

能耗增加

接口不严

漏气噪声，空压机频繁打压

加强维修保养

严重漏气

压力迅速下降

焊接裂隙

压力表读数下降，巡回检查

停机修理

破裂

压力迅速下降

损伤人员设备

材料缺陷、

受冲击等

压力表读数下降，巡回检查

停机修理

故障类型和影响、危险度分析

把故障类型和影响分析从定性分析发展到定量分析，则形成了故障类型和影响、危险度分析FMECA（FailureModesEffectsandCriticalityAnalysis）。

故障类型和影响、危险度分析包括两个方面的分析：

（1）故障类型和影响分析；

（2）危险度分析。

例如，起重机制动装置和钢丝绳的部分故障类型和影响、危险度分析见表2-9。

危险度分析的目的在于评价每种故障类型的危险程度。

通常，采用概率－严重度来评价故障类型的危险度。

概率是指故障类型发生的概率。

严重度是指故障后果的严重程度。

采用该方法进行危险度分析时，通常把概率和严重度分别划分为若干等级。

例如，美国的杜邦公司把概率划分为6等级，危险程度划分为3个等级（见表2-9中注）。

表2-9起重机的故障类型和影响、危险度分析（部分）

项目

构成元素

故障模式

故障影响

危险

程度

故障

发生概率

处理方法

应急措施

制动

装置

电气元件

机械部件

制动瓦块

动作失灵

变形、摩擦间隙过大

过卷、坠落

破裂

摩擦力小

大

中

大

10-2

10-4

10-3

仪表检查

观察

检查

立即检修

及时检修

调整

钢丝绳

股

钢丝

变形、磨损

断超标

断绳

断绳

中

大

10-4

10-1

观察

检查

更换

更换

注：

①危险程度分为：

大：

危险；中：

临界；小：

安全。

②应急措施：

立即停止作业；及时检修；注意。

③发生概率：

非常容易发生：

1Х10-1

容易发生：

1Х10-2

偶尔发生：

1Х10-3

不常发生：

1Х10-4

几乎不发生：

1Х10-5

很难发生：

1Х10-6

当用危险度一个指标来评价时，可按下式计算危险度：

（2-1）

式中，C—系统的危险度；

n—导致系统重大故障或事故的故障类型数目；

λ—元素的基本故障率；

t—元素的运行时间；

a—导致系统重大故障或事故的故障类型数目占全部故障类型数目的比例；

β—导致系统重大故障或事故的故障类型出现时，系统发生重大故障或事故的概率；

k1—实际运行状态的修正系数；

k2—实际运行环境条件的修正系数。

表2-10列出了供参考的β值。

表2-10参考的β值

影响

发生概率（β）

实际损失

可以预计的损失

可能出现的损失

没有影响

β=

≤β＜

0＜β＜

β=0

FMEA过程详解

故障模式分析

1、故障：

故障是产品或产品的一部分不能或将不能完成预定功能的事件或状态（对某些产品如电子元器件、弹药等称为失效）。

2、故障模式：

故障模式是故障的表现形式，如短路、开路、断裂、过度耗损等。

故障模式是FMECA分析的基础，同时也是进行其它故障分析（如故障树分析、事件树分析等）的基础之一。

在进行故障模式分析时，应注意区分两类不同性质的故障，即功能故障和潜在故障。

3、功能故障：

功能故障是指产品或产品的一部分不能完成预定功能的事件或状态。

即产品或产品的一部分突然、彻底地丧失了规定的功能。

4、潜在故障是指产品或产品的一部分将不能完成预定功能的事件或状态。

潜在故障是一种指示功能故障将要发生的一种可鉴别（人工观察或仪器检测）的状态。

例如，轮胎磨损到一定程度（可鉴别的状态），即发生爆胎故障（功能故障）。

图1-2中给出了某金属材料的功能故障与潜在故障的示例。

图1-2功能故障与潜在故障的关系

需要指出的是并不是所有的故障都经历潜在故障再到功能故障这一变化过程。

在进行故障模式分析时，区分潜在故障模式与功能故障模式是十分必要的（如潜在故障模式可用于产品的故障监控与检测）。

在进行故障模式分析时还应注意，应确定和描述产品在每一种功能下的可能的故障模式。

一个产品可能具有多种功能，而每一种功能又可能具有多种故障模式，分析人员的任务就是找出产品每一种功能的全部可能的故障模式。

从表1-1中可知，在系统的寿命周期内，分析人员经过各种目的FMECA即可掌握系统的全部故障模式，但首先遇到的问题是在系统研制初期如何分析各产品可能的故障模式。

一般来说，可通过统计、试验或分析预测来解决，即可遵循如下原则：

◆对系统中直接采用的现有产品，可以以该产品在过去的使用中所发生的故障模式为基础，再根据该产品使用环境条件的异同进行分析修正，得到该产品的故障模式；

◆对系统中的新产品，可根据该产品的功能原理进行分析预测，得到该产品的故障模式，或以与该产品具有相似功能的产品所发生的故障模式作为基础，分析判断该产品的故障模式。

表1-1产品寿命周期各阶段的FMEA方法

阶段

方案阶段

研制阶段

生产阶段

使用阶段

方法

功能FMECA

硬件FMECA

软件FMECA

工艺FMECA

设备FMECA

统计FMECA

目的

分析研究系统功能设计的缺陷与薄弱环节，为系统功能设计的改进和方案的权衡提供依据

分析研究系统硬件、软件设计的缺陷与薄弱环节，为系统的硬件、软件设计改进和方案权衡提供依据

分析研究所设计的生产工艺过程的缺陷和薄弱环节及其对产品的影响，为生产工艺的设计改进提供依据。

分析研究生产设备的故障对产品的影响，为生产设备的改进提供依据

分析研究产品使用过程中实际发生的故障、原因及其影响，为评估论证、研制、生产各阶段的FMECA的有效性和进行产品的改进、改型或新产品的研制提供依据

故障原因分析

故障模式分析只说明了产品将以什么模式发生故障，并未说明产品为何发生故障的问题。

因此，为了提高产品的可靠性，还必须分析产生每一故障模式的所有可能原因。

分析故障原因一般从两个方面着手，一方面是导致产品功能故障或潜在故障的产品自身的那些物理、化学或生物变化过程等直接原因；另一方面是由于其他产品的故障、环境因素和人为因素等引起的间接故障原因。

直接故障原因又称为故障机理。

正确区分故障模式与故障原因是非常重要的。

故障模式是可观察到的故障表现形式，而直接故障原因描述的是由于设计缺陷、质量缺陷、元部件误用和其他故障过程而导致故障的机理。

例如，在晶体管内基片上有一个裂缝，可以导致集电极到发射极开路，在这里“集电极到发射极开路”是故障模式，而“晶体管内基片上有裂缝”是故障原因（机理）。

表1-2典型故障模式

序号

故障模式

序号

故障模式

序号

故障模式

1

结构故障（破损）

12

超出允差（下限）

23

滞后运行

2

捆结或卡死

13

意外运行

24

错误输入（过大）

3

振动

14

间歇性工作

25

错误输入（过小）

4

不能保持正常位置

15

漂移性工作

26

错误输出（过大）

5

打不开

16

错误指示

27

错误输出（过小）

6

关不上

17

流动不畅

28

无输入

7

误开

18

错误动作

29

无输出

8

误关

19

不能关机

30

短路（电的）

9

内部漏泄

20

不能开机

31

开路（电的）

10

外部漏泄

21

不能切换

32

漏泄（电的）

11

超出允差（上限）

22

提前运行

33

其他

故障影响分析

风险分析

故障检测方法分析

补偿措施分析

FMEA的实施

FMEA的注意事项

第二章典型的FMEA分析方法介绍

典型的FMEA分析方法

随着FMEA技术的推广和发展，各个国家、各个行业纷纷推出了FMEA要求和方法，并形成标准、规范或手册，其中比较着名的见表2-1。

表2-1典型的FMEA方法标准、手册和规范

标准/手册编号

名称

发布机构

描述

GJB1391-92

故障模式、影响及危害性分析的要求和程序

中国

适用与中国的军工产品

MIL-STD-1629A

故障模式、后果和危害性分析

美国军方

具有很长认可和使用历史，适用于政府、军事和商业机构，可以根据故障模式的重要等级进行危害度的计算

QS9000FMEA

QS9000FMEA手册

美国通用汽车、福特汽车及克莱斯勒

是美国的三大汽车厂（通用汽车、福特汽车及克莱斯勒）制定的质量体系要求，所有直接供应商都限期建立符合这一要求的质量体系，并通过认证。

ISO/TS16949

ISO/TS16949技术规范

国际汽车特别工作组（IATF）

ISO/TS16949技术规范符合全球汽车行业中现用的汽车质量体系要求，规定了FMEA的工作要求。

SAEJ1739

潜在故障影响分析

国际汽车工程师协会

由克莱斯勒、福特、通用电气等公司提出的适用所有汽车供应商的FMEA工程解释和指南

SAEARP5580

故障模式、后果和危害性分析程序

国际汽车工程师协会

结合了汽车行业标准和MIL-STD-1629，适用于汽车和国防行业

众多标准、规范和手册描述的FMEA主要分为军工标准和汽车行业标准或规范两大类，军工行业以MIL-STD-1629A为代表，中国的标准GJB1391－92与MIL-STD-1629A极为相似；汽车行业的FMEA方法以QS9000FMEA手册中描述的方法为代表，其它规范或手册规定的方法与其基本相同，因此本节仅介绍GJB1391－92FMEA和QS9000FMEA。