第四章失效模式后果与严重度分析.

1第四章失效模式、后果与严重度分析（FMECA）§4-1概述§4-2失效模式与后果分析(FMEA和FMECA)一、FMEA及FMECA的概念二、建立FMEA（FMECA）的一般方法三、FMEA的应用实例§4-3失效严重度分析一、定性分析二、定量分析三、严重度矩阵四、严重度分析的用途2前面我们学习了可靠性方面的知识和理论，掌握了在产品设计阶段进行可靠性预计和分配的基本方法，可以讲大家能保证所设计的产品具有一定的可靠性（较高的可靠性）。但该产品的可靠性再高也不能杜绝该产品在使用中出现故障，其中还可能包括一些后果极其严重的故障。因此，为了保证产品的可靠性，还应该学会在产品设计阶段，用科学的方法去分析计算故障（失效）和故障的产生情况，即用科学的方法去预防和控制产品失效（故障），从而保证产品的可靠性。3研究产品失效的方法，当前世界上主要使用两种：(1)故障（失效）模式、后果与严重度分析（FMECA）失效模式与后果分析（FMEA）FailureModeandEffectAnalysis失效严重度分析（CA）CatastrophicAnalysis(2)故障树分析(FTA)FailureTreeAnalysis4§4-1概述1.失效（故障）：产品丧失规定的功能。例如，半球牌远红外线自动电烤箱（组成：电源线、控温器、电热器、定时器、指示灯等)为例说明。2.失效模式：失效或故障的形式。按产品说明书整理，有以下故障模式5电源线故障(1)电源线插头与屋内插座接触不良；(2)电源线内部断开；(3)控温器触点烧坏（断路）；(4)控温器触点熔接一起（短路）；(5)控温器触点接触不良；(6)控温器控温旋钮紧固螺钉松开；控温器故障(7)电热器烧断（断路）；(8)电热器接触不良（断路）；(9)电热器转换开关无弹性（断路）；电热器故障(10)定时器机械装置有病；——定时故障(11)指示灯灯泡坏了；(12)指示器接线坏了等。显示故障63.失效（故障）模式的分类1、损坏型故障模式：裂纹、塑性变形、断裂等2、退化型故障模式：老化、变质、表面防护脱落等3、松脱型故障模式：松动、脱开、脱焊等4、失调型故障模式：间隙不适、流量不当、压力不当等5、堵塞和渗漏型故障模式：堵、渗、漏等6、功能型故障模式：功能不正常、功能不稳定等7、其它类型故障模式：润滑不良等4.失效（故障）模式的比率故障模式比率—产品出现失效模式的百分比。进一步分析失效原因，采取预防措施的可靠依据7轴承离合器连接器齿轮发电机电位器继电器腐蚀18.7-6.3-6.327.512.3蠕变-------形变2.56.623.7202.1-0.4侵蚀3.1------疲劳4.4-1.7---2.3摩擦10.6---1.5-2.6氧化-------绝缘--1.6-12.31012.3裂痕0.5------磨损60.283.48.16025.1252.4断裂-10.047.1204.61517.5其它--11.5-16.122.511.9例如：几种机械零部件的失效模式及其比率8失效后果是指一个部件失效时对整机所产生的影响。如上述电烤箱的失效模式产生以下后果：(读产品说明书最后一页)⑴烤箱不发热，指示灯不亮(II),(2)烤箱不发热，指示灯亮(II),5.失效后果(3)烤箱发热，指示类不亮(III),(4)烤箱发热，控温器失灵(III),(5)烤箱发热，定时器失灵(IV)。96.严重度（危害度）：失效后果的严重程度严重度与故障等级有较大的关系，故障等级分为四级:IV—次要的。可用其他方法（或计划外维修）保证系统的性能不变。I—灾难性的。造成机毁人亡后果；II—严重的。系统工作失效；III—一般的。系统性能下降；可见电烤箱失效后果的严重度为:IV用表计时代之可很好工作工作不好III、III、不能工作II、II、10失效等级：故障类型分类原则1致命故障导致人身伤亡、重要总成报废、重大经济损失或对环境造成重大危害。2严重故障导致重要总成、零部件损坏，且不可能在短时间内修复。3一般故障导致性能下降，在短时间内修复4轻微故障一般随车工具在短时间可以修复失效等级严重程度I导致系统功能失效，造成系统或环境重大损失，导致人员伤亡。II能导致系统功能失效，造成系统或环境重大损失，不导致人员伤亡。II导致系统功能下降，对系统或环境均无显著损害。IV导致系统功能下降，对系统或环境均无害。11故障类别IIIIIIIV故障分级12345678910故障损失(元)1450726~1450361~725181~36091~18046~9024~4512~237~116汽车故障等级划分美国空军对飞行事故的等级划分等级对人员要求对飞机要求对费用要求备注A人员伤亡全毁或损伤而无法修理20万元以上的人身损伤、职业病和财产损失1892年提高到50万B5~20万元以上的人身损伤、职业病和财产损1892年提高到5~50万C1、费用300~5万以下2、缺勤多日的人身损伤或职业病满足其中之一算失效12§4-2失效模式与后果分析(FMEA和FMECA)一、FMEA及FMECA的概念FMEA是用以找出产品设计、工艺设计和设备设计等阶段中的缺点或潜在的缺陷。FMEA为失效模式与后果分析，CA为严重度分析，合起来为FMECA。1.FMEA的含义进而分析各组成元素的故障模式及其对上一层次结构乃至系统产生故障影响的一种方法。132.FMEA的特点(1)FMEA是一种自下而上（由元件到系统）的失效因果关系的分析程序，旨在不漏掉一个后果严重的故障模式。(2)FMEA是一种定性分析手段。它使用统计表格来进行分析，可不使用数学工具。14简单、易行、便于掌握和推广，在没有数据时，只要有关人员具有一定的工程经验均可进行该项工作，因此花钱不多，实际效果好，深受广大工程技术人员欢迎。3.FMEA的局限性和优点是一种单因素分析法。即把影响系统失效的单个元件的失效看做是独立的，而研究某一个失效模式对系统的影响时，是将其作为系统中唯一存在的失效来考虑的。这种方法难以分析几种因素同时起作用才能导致的某种后果。(1)FMEA的局限性(2)FMEA的优点15FMEA主要应用于设计的每一个阶段，另外也可用于预防维修和工艺监督检查等方面。4.FMEA的发展及主要应用方面在FMEA的基础上，再加一层判定被统计故障模式后果危害度的任务，就变成了FMECA，称故障模式、后果与严重度分析或故障模式，后果与危害度分析。FMEA应用：FMEA的发展：16设计各阶段的FMEA为：方案设计和中间设计阶段：功能FMEA最终设计阶段：可行性FMEA工艺设计阶段：工艺FMEA设备设计阶段：设备FMEA我们在这里仅研究产品功能的FMEA。17二、建立FMEA（FMECA）的一般方法在完成设计方案草图和试生产图的情况下，用框图或符号示意图表示各组成元件的有关功能对产品设计功能的影响。1.画出被研究产品的功能简图如图2-3为液压系统功能图，图4-2为液压系统的可靠性框图。18图2-6液压系统可靠性框图192.明确产品FMEA的分析层次和基本过程(1)分析层次（见下图）若干系统组成的产品零件分部件系统部件子系统影响影响系统功能级的FMEA部件级的FMEA组成零件级的FMEA20(2)分析的基本过程（见下图)故障模式的预测①故障模式的分级和评价②故障模式的改进措施(经验或试验)③21②收集生产过程的有关试验统计数据和用户反馈意见为依据，确定出故障模式（即预测出故障模式）；(3)产品FMEA的分析方法①召集有关（包括设计、制造、试验及供销部门等）人员对以前生产过的最类似产品产生过的故障情况进行分析讨论；③分析产生故障原因（即物理失效机理）；④制定生产中的消除办法（即检测方法），使用中的弥补方法（即补偿措施）等；22⑥对新设计产品与已生产的上述产品的主要不同之处进行分析，以进行必要的补充。⑤对各故障模式的严重后果（即严酷度等级）进行评定，必要时可采用投票评分的方法；233.建立一套系统的，全面的，标准化的表格该表格应尽力最系统、全面、正确地反映FMEA的分析层次和基本过程的内容，且应规格化以便统计分析。(1)FMEA表格（见表4-1）备注(物理失效机理及后遗症)24(2)FMECA表格（见下表)FMECA25上两表中：①失效模式即故障模式；②故障等级确定见前§4-1；α：失效模式频率比（查表得到）见表4-5和表4-6β：损失概率（失效的后果概率）取值如下：（设计经验确定）必然损失β=1.0可能损失0.1β1.0很少损失0β0.1③危害度参数见本书§4-3内容。26例4-1进行零部件失效分析机械因子弹性变形、塑性变形、蠕变、疲劳、断裂、滑移机械磨损平衡状态破坏相变化、应力松弛化学反应腐蚀、氧化、电应力电介质击穿、脉冲热应力摩擦渗透湿气、气体、流体放射性损伤三、FMEA的应用实例27断裂原因：根据裂纹发展过程沿晶断裂穿晶断裂根据受载性质疲劳断裂静载断裂冲击断裂根据完全断裂前的宏观变形脆性断裂韧性断裂28疲劳断裂原因：氢脆表面因素：表面粗糙度、划痕、碰伤等材质因素：材料的成分、机械性能、冶金特性等几何因素：圆角、倒角等环境因素：环境介质、环境温度等内部氢脆外部氢脆载荷因素：载荷性质、大小、变化速度等疲劳源裂纹扩展区瞬断区29例4-2某一固体火箭发动机由推进剂药柱、内衬和发动机壳组成。请制作其失效模式后果分析表。项目失效模式失效原因可能后果发生概率严重性可能措施发动机壳破裂工艺质量差材料缺陷运输中损坏搬运中损坏内压过高导弹毁坏0.0006严重严格控制原材料质量，消除缺陷。进行耐压试验，采用合理包装，在运输中保护发动机推进剂药柱断裂孔穴粘接面分离固化残余应力温度过低老化燃烧速度过高；内压过高；机壳在工作过程中破裂0.0001严重严格控制生产过程，确保工艺质量，严格控制在极限温度之内存储和使用。内衬与外壳分离与药柱或隔热层分离粘接剂不良粘接控制不良壳体成形后净化不够燃烧速度过高；内压过高；机壳在工作过程中破裂0.0001严重严格执行正常清洗程序，机巧清洗后严格检验，确保清除一切沾染物30例4-2设计概述：重新设计一个用于自动变速箱的手动臂。由钢轴（热处理并外圆磨）和模压成型的塑料臂组成。轴与臂靠花键压装配合。零件功用：手动臂总成把变速器外部的手动选档杆和变速器内部的传动臂连接起来。由前者向操纵阀体内的手动阀和停车驱动机构传递运动。作用在臂孔处的最大切向拉力为30磅。31分系统过程自动变速箱分系统工程师约翰.杜年型/车型系列1974年野马牌系统工程师约翰.史密斯制造与设计主管部门T产品交付日期1973年9月14日有关制造与设计部门FMECA日期首次1972年1月27日修改有否外部供货和承制单位无14零件/工艺过程名称零件号零件/工艺过程的功用故障模式故障后果故障原因故障频度严重程度不易测度风险顺序数建议改进措施与进展情况手动臂总成T-20640从外杆系向手动阀和停车驱动机构传递手动选档杆的运动1、塑料臂破裂2、操纵孔臂磨损3、轴与手动臂花键配合松动4、装配时手动臂与轴上平面相对错位•无法驱动•锁止在停车位•手动操纵杆系中自由间隙过大•杆系中自由间隙过大•手动臂从花键中脱出，无法选择档位•操纵杆的几何关系不对•不能选择低档位•不能选择停车位置•在坡道上松开手制动时手动臂超载•塑料品质低劣•塑料冷脆•加工过程中损坏•拉杆上的载荷太大•材料品质低劣•塑料受热变形•压装过盈不足32210210910927040180重新设计手动臂，增加厚度，增加加强筋，使其能承受100%的过载。正在进行中在装配压床上安装负荷传感器，以便测定出轻压配合。尚未解决32FMECA分析的用途1、在设计管理上的用途FMECA与产品和线路应力分析的结合是可靠性预测、分配和评定时的一项原始资料。FMECA是评定设计方案的手段FMECA是设计评审、质量复查、事故预想的依据和证明2、在其他用途安排测试点、制造和质量控制，制定试验计划的一种依据。制定检测程序、设计诊断装置的基础。与试验结果和失效分析报告一起进行定性评定。可靠性维修，后勤保障分析的原始资料。33