可靠性工程13-14-15故障樹-yjg課件

1第七章故障模式與故障樹分析2

故障模式影響分析(FMEA)與故障模式影響與嚴重度分析（FMECA)故障樹分析（FTA）

FMECA與FTA綜合分析方法

31.故障模式影響分析(FMEA)與故障模式影響與嚴重度分析（FMECA)故障模式影響與嚴重度分析（FMECA)是由FMEA(故障模式影響分析

)發(fā)展起來的，20世紀60年代初，NASA將FMECA應(yīng)用于航天計劃。美國標準、英國標準定量分析61.1故障模式影響分析FMEA的基本原理FMEA（FailureModeandEffectsAnalysis)是用一般的歸納方法來完成對系統(tǒng)可靠性和安全性的定性分析。通過找出系統(tǒng)潛在的故障對于系統(tǒng)的影響，使得產(chǎn)品更為完善從而提高其可靠度，可用于從系統(tǒng)到零部件任何一個層次。71.1故障模式影響分析FMEA的基本原理影響效應(yīng)：找出基本單元的故障模式，并在高一層系統(tǒng)去確定每一種故障模式對系統(tǒng)的影響。而在高一層系統(tǒng)上作分析時，這種效應(yīng)又解釋為故障模式。每一個故障模式的效應(yīng)應(yīng)是在基本單元的上層進行分析，這樣連續(xù)進行就可以在全部所需的分析層上找出最后的故障效應(yīng)。反之，也可根據(jù)故障效應(yīng)推出故障模式。9

1.2FMEA的實施步驟在進行FMEA分析時，可用硬件法和功能法兩種形式。硬件法是從系統(tǒng)中某一零部件開始分析再擴展到系統(tǒng)。功能法是完成系統(tǒng)某種功能作為出發(fā)點進行分析的。一般情況下，當產(chǎn)品可按設(shè)計圖樣及相關(guān)資料確定時，采用硬件法較為方便。10硬件法的主要步驟

收集FMEA所需的資料(1)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面的資料(2)有關(guān)系統(tǒng)運行方面的資料

(3)系統(tǒng)工作的外界環(huán)境條件列舉元器件的故障模式及其效應(yīng)分析時總是選擇感興趣的并從最低層開始作為分析對象。應(yīng)將它可能出現(xiàn)的各種故障模式列成表格，并依次列出單獨發(fā)生的相應(yīng)故障效應(yīng)。1.2FMEA的實施步驟11列舉元器件的故障模式及其效應(yīng)-FMEA分析表

代碼產(chǎn)品或功能標志功能故障模式故障原因任務(wù)階段與工作方式故障影響故障檢測方法補救措施嚴重性級別備注局部后果高一層次影響最終后果

1.2FMEA的實施步驟141.3失效嚴重度（FMECA)分析

失效嚴重度分析(FailureModeEffectandCriticalityAnalysis)通常是和故障模式與影響分析結(jié)合起來進行的。失效嚴重度是由故障效應(yīng)的嚴重等級及故障模式發(fā)生的概率來確定的。危害度分析可以用定性和定量兩種分析方法進行。計算嚴重度數(shù)字時為定量分析，評定發(fā)生概率時為定性分析。15定性分析方法

通常在難以得到產(chǎn)品確切的技術(shù)狀態(tài)數(shù)據(jù)或故障數(shù)據(jù)的情況下使用。采用這一方法時，需繪制一個危害度分析矩陣，如右圖所示。離原點的距離越遠的致命度越嚴重。

失效嚴重度分析矩陣

1.3失效嚴重度（FMECA)分析

17縱坐標為故障模式出現(xiàn)的概率等級：A級為經(jīng)常發(fā)生：這是指該產(chǎn)品在工作期間發(fā)生這種故障的概率很高，它可占總故障發(fā)生概率的20%以上。B級為很可能發(fā)生：這是指該產(chǎn)品在工作期間發(fā)生這種故障的概率為中等，它占總故障發(fā)生的概率在10%~20%之間。C級為偶然發(fā)生：這種故障發(fā)生的概率占總故障發(fā)生的概率在1%~10%之間。D級為很少發(fā)生：這種故障發(fā)生的概率占總故障發(fā)生的概率在0.1%~1%之間。E級為極少發(fā)生：這種故障發(fā)生的概率占總故障發(fā)生的概率在0.1%以下。定性分析方法

1.3失效嚴重度（FMECA)分析

失效嚴重度分析矩陣

18定量分析方法

定量分析法就是通過計算失效模式的嚴重度和產(chǎn)品的嚴重度，并填寫危害性分析表來得到。1.3失效嚴重度（FMECA)分析

19失效嚴重度分析表

代號產(chǎn)品或功能標志功能故障模式故障原因任務(wù)階段與工作方式嚴酷度類別故障概率或故障率數(shù)據(jù)源故障率故障模式頻數(shù)比故障影響頻率工作時間t故障模式危害度產(chǎn)品危害度

備注

1.3失效嚴重度（FMECA)分析

定量分析方法

211.3失效嚴重度（FMECA)分析

定量分析方法

FMECA具體實施步驟1繪制系統(tǒng)的功能框圖和可靠性框圖FMECA具體實施步驟2確定分析范圍（層次、潛在失效模式）3確定失效影響4確定每種失效原因及預(yù)防措施5失效檢測方法FMECA具體實施步驟7確定嚴重程度FMECA具體實施步驟8失效被發(fā)現(xiàn)程度FMECA具體實施步驟FMECA具體實施步驟312故障樹分析（FTA)322

故障樹分析故障樹分析(FaultTreeAnalysis)常記作FTA，它是一種評價復雜系統(tǒng)可靠性和安全性的一種方法。它以系統(tǒng)不希望發(fā)生的一個事件（頂事件）作為分析目標，使用演繹法找出這一頂事件發(fā)生的原因事件組合（稱為最小割集），并求其概率。從“果”到“因”進行可靠性分析，采用圖形來表示形成了一種樹狀結(jié)構(gòu)。從故障的角度去分析系統(tǒng)的可靠性，能完成可靠性框圖的分析任務(wù)，還能分析故障的傳播路線和故障源，更具有優(yōu)越性。33故障樹分析法主要特點是一種圖形演繹法；能反映系統(tǒng)外部的因素；把系統(tǒng)故障與系統(tǒng)各單元的故障聯(lián)系一起；常用于分析復雜系統(tǒng)，應(yīng)借助計算機軟件；比可靠性框圖法更實用、靈活、直觀；困難在于建樹時，找單元的所有故障模式，難免有遺漏。2故障樹分析34故障樹分析法步驟選擇合理的頂事件；建造故障樹；簡化故障樹；求故障樹頂事件的故障模式（最小割集）定性分析；定量分析；對結(jié)果進行分析，修改；2故障樹分析35明確定義分析對象和其它部分的邊界，抓住重點又不漏掉“不重要”事件，進行合理的簡化建樹；故障事件（失效模式）應(yīng)明確定義，指明故障是什么，在何種條件下發(fā)生，即有唯一解，切忌模棱兩可，含糊不清；建樹過程從上向下逐級建樹，循序漸進，防止“躍進”，找全找準事件原因，禁防錯漏現(xiàn)象發(fā)生；不允許門-門直接相連，中間一定要有事件連接；建樹后進行合理簡化，注意既不能使故障夸大又不能丟掉正確內(nèi)容。故障樹分析法的基本原則2故障樹分析362.1故障樹基本術(shù)語及符號

頂事件：位于故障樹的頂端，是邏輯門的輸出，用“矩形”符號表示。中間事件：除了頂事件以外的其它結(jié)果事件,位于頂事件和底事件之間，用“矩形”符號表示。底事件：位于故障樹底部的事件，是故障樹中某個邏輯門的輸入事件，用“圓形”符號表示。菱形事件：表示準底事件或稱非基本事件（省略事件），用“菱形”符號表示。條件事件：表示當橢圓形中注明的條件事件發(fā)生時，邏輯門的輸入才有效，輸出才有結(jié)果。用“橢圓”符號表示。事件及其符號372.1故障樹基本術(shù)語及符號

邏輯門符號與門：表示僅當所有輸入事件同時發(fā)生，門的輸出事件才發(fā)生?；蜷T：表示所有輸入事件中，至少有一個輸入事件發(fā)生時，門的輸出事件就發(fā)生。異或門：表示或門中的輸入事件是互相排斥的，即當單個輸入事件發(fā)生時，其它都不發(fā)生，則輸出事件才發(fā)生。邏輯禁門：表示僅當禁門打開的條件事件發(fā)生時，輸入事件的發(fā)生才導致門的輸出事件發(fā)生。382.2建造故障樹

從建樹的基本原理與思路來分，目前常用的方法有以下幾種：演繹法合成法（STM）決策表法（DTM）392.2建造故障樹

演繹法：主要用于人工建樹。首先應(yīng)選擇一個系統(tǒng)故障作為分析目標（頂事件）。然后找出直接導致頂事件發(fā)生的各種可能的因素及其組合，這些因素包括功能故障、部件不良、程序錯誤、人為失誤及外界環(huán)境的影響等。進一步分析各種影響故障發(fā)生的原因，遵循此格式逐級演繹，一直到找出各自的基本事件為止。綜合起來就形成了一棵故障樹。40Example設(shè)有一簡單的照明電路，由電源開關(guān)、保險絲、導線和燈泡組成，試以室內(nèi)失明為系統(tǒng)故障，建立一故障樹。解：該故障樹的基本事件有：開關(guān)合不上E1；燈絲燒斷E2；電源故障E3；保險絲燒斷E4和導線斷路E5等五種，而中間事件是電源斷路，頂事件是室內(nèi)失明。而各基本事件都是通過“或門”達到頂事件的，這表明任何一個基本事件的發(fā)生都將導致頂事件的發(fā)生。

41Example(Continued)42建立家用洗衣機的“波盤不轉(zhuǎn)”故障模式即波盤不能攪水故障的故障樹。解：建樹過程有多層次的中間事件，需一一進行分解，同時要注意“或門”，“與門”的應(yīng)用。Example43Example(Continued)442.2建造故障樹

合成法：適宜于計算機自動建樹。在部件故障分析的基礎(chǔ)上，通過計算機將一些分散的子故障樹（MiniFaultTree)按一定的分析要求繪成所要求的故障樹。只要子故障樹一定，由合成法得到的故障樹總是一定的。這種方法不能考慮二次故障和部件有反饋作用的故障部件。同時它也不能考慮分析系統(tǒng)中對系統(tǒng)的環(huán)境條件或人為失誤的彌補，而只能針對硬件系統(tǒng)故障而建造故障樹。45462.2建造故障樹

決策表法：系統(tǒng)各個部件可以有許多狀態(tài)，而各部件所處的狀態(tài)又與許多輸入因素有關(guān)，每個狀態(tài)為一個輸入事件。把每個部件的輸入事件與輸出事件的關(guān)系列一個表，稱為決策表（DecisionTable）。建樹時將系統(tǒng)按輸入和輸出的連接點劃分開，并確定頂事件與有關(guān)的邊界條件?？梢匀我獯_定部件的狀態(tài)數(shù)目，多態(tài)系統(tǒng)及參量，并且不僅用于電路，還可用于各種系統(tǒng)，只要能描述出它們的輸入和輸出的關(guān)系即可。47Example一有反饋調(diào)節(jié)的熱交換系統(tǒng)。試用決策表法建立故障樹（高，正常，零，過低）=（+1，0，-1，-2）（運轉(zhuǎn)正常，停轉(zhuǎn)）=（N，F(xiàn)）48Example(Continued)49Example(Continued)50Example(Continued)51Example(Continued)52Example(Continued)53Example(Continued)54Example(Continued)552.3故障樹的結(jié)構(gòu)函數(shù)

562.3故障樹的結(jié)構(gòu)函數(shù)

572.3故障樹的結(jié)構(gòu)函數(shù)

與門結(jié)構(gòu)故障樹的結(jié)構(gòu)函數(shù)或門結(jié)構(gòu)故障樹的結(jié)構(gòu)函數(shù)582.3故障樹的結(jié)構(gòu)函數(shù)592.3故障樹的結(jié)構(gòu)函數(shù)故障樹的結(jié)構(gòu)函數(shù)

602.4故障樹的最小割集計算法

割集：使頂事件發(fā)生的底事件的集合，當這些底事件都發(fā)生時，則頂事件必然發(fā)生。最小割集：如果割集中的任何一個底事件不發(fā)生，頂事件就不發(fā)生時。612.4故障樹的最小割集計算法

割集：G1,X1G4,G1x1G4最小割集：G1,X1G462兩種求取故障樹中最小割集的方法

布爾代數(shù)化簡法

用布爾代數(shù)來分析，或門是邏輯“共”的運算；與門是邏輯“交”的運算。故障樹可以用布爾代數(shù)進行邏輯運算。矩陣列表法

對一棵故障樹，可以從頂事件的輸入門開始，將各個邏輯門的輸入排成一個小矩陣。從上到下，從左到右，逐個進行?；蜷T的輸入排成一列，與門的輸入排成一行，一直到排完為止，這樣就可以得到全部割集。2.4故障樹的最小割集計算法

63布爾代數(shù)化簡法

2.4故障樹的最小割集計算法

64布爾代數(shù)化簡法

2.4故障樹的最小割集計算法

65矩陣列表法

2.4故障樹的最小割集計算法

求割集66矩陣列表法

2.4故障樹的最小割集計算法

67Example試用以上兩種方法，求圖中故障樹的最小割集，并畫出其等效故障樹。68布爾代數(shù)法Example(Continued)69矩陣列表法

Example(Continued)70簡化后的故障樹

Example(Continued)712.5最小割（路）集表示的結(jié)構(gòu)函數(shù)

最小割集表示的結(jié)構(gòu)函數(shù)722.6失效概率的計算

在用故障樹計算失效概率，也就是求取頂事件發(fā)生的概率。通過對故障樹的最小割集計算并消除了割集中的重復事件以后，就可以估算頂事件發(fā)生的概率。計算中，對“或門”的處理用概率加法公式，對“與門”的處理用概率乘法公式來實現(xiàn)。73故障樹中的或門相當于可靠性框圖中的串聯(lián)?；蜷T輸出事件的可靠度為失效率為

2.6失效概率的計算

74在故障樹中的與門相當于可靠性框圖中的并聯(lián)。與門輸出事件的可靠度為

失效率為2.6失效概率的計算

試計算下圖故障樹頂事件的失效率。已知系統(tǒng)工作到t=1000hr，基本事件的失效率Example或門和的輸出事件失效率與門輸出事件的失效率式中，

故所以，773.FMECA與FTA綜合分析方法

將FMECA和FTA結(jié)合起來的FTF方法，可以采用先對系統(tǒng)進行FMECA，再進行

FTA的正向FTF方法，也可以采用先對系統(tǒng)進行FTA，然后進行FMECA的逆向FTF

方法。78FTF方法的實施步驟

3.FMECA與FTA綜合分析方法

79正向與逆向FTF方法的實施步驟正向FTF方法的具體步驟：定義系統(tǒng)→填FMEA表→填CA表→按FMEA結(jié)果選擇頂事件→建故障樹→按CA結(jié)果進行FTA的失效概率分析計算→結(jié)論→提出改進措施。

逆向FTF方法的實施步驟：

定義系統(tǒng)→選擇頂事件→建立故障樹→進行FTA定性分析→對故障樹中的重要底事件進行FMEA分析→進行CA分析→按CA進行FTA的定性定量分析→結(jié)論→提出改進措施等80單元的概率重要度定義：單元不可靠度變化引起系統(tǒng)不可靠度變化的程度。：第i個單元的概率重要度