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FMEA及FTA在汽车产品开发中的应用研究摘要本文简要概括了可靠性技术的发展历程及研究趋势，介绍了国内外汽车 可靠性技术的研究与应用情况，在此基础上，着重探讨了 FMEA和FTA可 靠性综合分析技术在汽车领域中的应用。并从汽车企业的生产实际出发，采 用面向对象的编程语言和数据库技术，对计算机辅助软件PFMEAJiut系统 进行了初步的研究。利用计算机辅助软件Fmecahut系统和Fta_hut系统，对某重卡双前桥 系统进行了 FMEA分析和FTA分析，根据系统输出的分析结果，指出双前 桥系统设计中容易忽略的问题，并提出了预防措施。为了提高某重卡国产化后的可靠性水平，对该重卡前轴进行了三轮的台 架疲劳试验，分析了前轴失效的主要原因，并在设计中加以改进，最终使前 轴的强度达到了国家的台架试验标准，得到了令人满意的结果。关键词：汽车可靠性，故障模式及影响分析，故障树分析，计算机辅助软件Research on Application of FMEA and FTA to the Development of Automobile ProductsAbstractIn this paper,the developmental course and the research tendency of the reliable technologies are briefly summarized,the research and application of domestic and foreign reliable technologies in the auto industry are introduced.In this foundation,the 即plication of FMEA and FTA reliability analysis technologies of the automobile engineering are discussed mostly.And actual embarked from the auto enterprises1 production,used the object-oriented programming language and the database technology,the preliminary research to Computer Aided Software-PFMEA_hut system had been conducted.Using the computer aided software-Fmeca_hut system and Fta_hut system,have carried on the FMEA and the FTA to double-front-axle system of some heavy vehicle.According to the analysis result,pointed out the questions which is easy to neglect in the design of the double-front-axle system,and proposed the preventive measure.In order to enhance the heavy-duty vehicles reliable level after domestically manufacturing,three turns of bench weary test to the front axle of heavy-duty vehicles are carried on,the main reason which the front axle expires are analyzed,and the improvement in the design are made.Finally,enabled the intensity of the front axle to achieve the national bench experiment standard,obtained the satisfying result.Key Words：Reliability of Automobiles,Failure Mode and Effects Analysis(FMEA),Faults Tree Analysis(FTA),Computer Aided Software插图清单图21汽车产品可靠性分析方法.6图22 FMEA分析步骤.-.8图2-3危害性矩阵分析图.12图24求故障树最小割集示例图.15图3/双前桥转向机构布置形式示意图.18图32四轴汽车双前桥转向示意图.19图33故障树构造过程.30图34某重卡双前桥转向系故障总树.31图35某重卡转向沉重故障树.32图36某重卡转向回正不良故障树.33图3-7某重卡前轮摇摆和摆振故障树.33图38某重卡转向失效故障树.34图3-9某重卡轮胎异常磨损故障树.35图41 PFMEAJwt系统的整体框架.47图4-2 PFMEA_hut系统的输入输出关系.47图4-3 PFMEAJiut系统输入界面.50图5-1某重卡前轴疲劳断裂位置.:.53图5-2前轴断裂因果分析图.54图5-3前轴有限元静力分析结果.54图5-4前轴模态分析前15阶固有频率.55图5-5更换材料后前轴断裂位置.56图56两测点应力随试验次数变化图.56图57工字梁截面简化图.57图58轴颈尺寸改进后有限元静力分析结果.58图59改进前后前轴截面工字梁尺寸.58图5-10最终改进后前轴有限元静力分析结果.58表格清单表21典型FMEA方法标准、手册和规范.7表22产品生命周期各阶段FMEA方法.8表23下行法求解最小割集过程表.15表3-1某重卡双前桥系统定性危害性分析表.24表32某重卡转向系故障树定性分析结果.36表33某重卡转向系故障树定量分析结果.38表41 PFMEA严重度评价准则.43表42 PFMEA频度评价准则.44表43 PFMEA探测度评价准则.45表4-4用户管理表.48表45普通用户操作权限表.48表46项目管理表.48表4-7项目主表.48表4项目从表.49表5前轴台架试验结果.53表5-3两种材料力学特性比较.55表54改进前后前轴台架试验结果对比.59第一章绪论1.1可靠性技术发展简史人类从制造最简单的工具开始，就知道工具应该耐用，少出毛病，如遇到 故障容易修复再用的道理，这就是可靠性最初的概念。但评价某一产品可靠、比较可靠、不可靠一直没有一个量的标准来衡量。可靠性发展成为一门科学，并应用到工业生产上以及可靠性定量指标的提出还是近代的事，回顾可靠性的 发展历史，大致分为以下几个阶段*1:(1)萌芽阶段这段时期是在20世纪30-40年代，特别是第二次世界大战中，当时美军因飞 行故障事故而损失的飞机为21000架，比被击落的数字多1.5倍，其运往远东的 机载电子设备60%在运输中失效；海军舰艇上电子设备70国因“意外”事故而失效,这些惊人的数字引起了人们对可靠性的高度重视，可靠性研究工作首先在电子 领域开展起来，并取得初步成效,(2)形成阶段.从50年代起，可靠性问题越加突出，美国军用雷达因故障不能工作时间占 84%,陆军的电子设备在规定时间内有65斤75%因故障不能使用。1952年，美国 军事部门、工业部门和有关学术部门联合成立了“电子设备可靠性咨询小组”AGREE(Advisory Group on Reliability of ElectronicEquipment),AGREE对电 子产品的设计、制造、试验、储存、运输及使用等各个方面作了全面的可靠性 调查研究，并于1957年提出了著名的电子设备可靠性报告，此报告首次比 较完整的阐述了可靠性的理论与研究方向，从此，可靠性工程研究的方向大体 确定下来。FMEA、FTA等方法在50年代末进入了实用阶段。美国先后成立了 可靠性管理机构，制定了可靠性工程大纲和可靠性标准，出版了可靠性手册，建立了可靠性数据中心，举行了各种可靠性学术会议，可靠性工程开始形成一 门独立的工程学科。(3)普及阶段60年代以后，可靠性工程从电子工业向其他工业部门迅速推广，这个时期 可靠性研究从电子产品扩展到机械产品，从军工产品扩展到民用产品，从最复 杂的拥有720万个元件的阿波罗登月飞船，到汽车、电视机、收音机等，都应用 了可靠性设计、管理技术，且有了明确的可靠性指标。60年代末，软件可靠性 的研究获得重视，由此，可靠性工作全面展开。(4)成熟阶段进入70年代以后，可靠性进一步朝着国际化的趋势发展，可靠性学科引起 国际上各国重视。这一时期，美国的可靠性工作已经取得了很大的成就，计算 机软件可靠性的理论获得很大发展。1978年在日本召开的第四届国际质量管理 会议(ICQC)上，成立了可靠性分委员会，会上对日本的可靠性研究工作给予了 很高的评价，可靠性研究工作在世界范围内已达到了成熟期。(5)拓展阶段20世纪80年代以来，可靠性研究继续朝广度和深度发展，中心内容是实现 可靠性保证。1985年，美国军方提出在2000年实现“可靠性加倍，维修时间减 半”这一新的目标，并开始实施。进入90年代后，软件可靠性问题的重要性更 加突出，软件可靠性工程在软件领域逐渐取得相对独立的地位，并成为一个生 机勃勃的分支。进入21世纪以来，人的可靠性研究日益受到重视，目前主要针对人的可靠 性分析、人机接口技术和软件中人的因素等三个方面进行研究。此外，信息融 合技术、模糊理论、神经网络、专家系统、可靠性仿真、灰色理论等新的方法 和理论的引入，极大的丰富了可靠性工程研究的范畴，使传统的方法增添了新 的活力，是未来几年内可靠性工程技术研究的方向和趋势。但不可否认，许多 理论和技术尚未完善，还远没有成熟，仍需深入探索和研究。1.2 国内外汽车可靠性技术的研究进展美国是研究可靠性技术较早的国家，但它以明确的观点在汽车行业中进行 可靠性研究是在60年代中期才大力开展起来的。其三大汽车公司可靠性研究方 式的特点是有组织、规模大，而且工作扎实。通用汽车公司的别克公司在设计、试验、生产、服务几个步骤都安排了如下的工作程序：首先指定可靠性目标；然后研究设计、工艺、质量管理方法、预测产品可靠性。1966年福特汽车公司 把投资几百万美元建成的可靠性研究所改作为可靠性试验中心，以底盘试验为 主，采用模拟道路数据，用自动控制器进行加速寿命试验、测定产品可靠性，结果三大汽车公司中福特公司的退货件数减少最多。美国的约翰迪尔公司于 1964年成立了可靠性研究部门，对其产品可靠性提出了具体指标，并采用了 500h、1000h.1500h的累积故障率来控制发动机零件的可靠性。日本从50年代起从美国引进可靠性技术，并逐渐形成了具有自己特色的质 量管理系统。1960年日本成立了可靠性及质量控制专门小组，提出了全面管理 方法，日本人认为提高质量的途径不限于统计方法的应用，对可靠性问题来说,比数据分析更重要的是如何切合工程实际解决问题，还涉及到规划、产品开发 与设计、生产准备和销售服务等部门，都要纳入到质量管理范畴中去。随着用 户对汽车可靠性要求的提高，1969年日本出口到美国的汽车遭到退货危机，其 结果影响很坏，这引起日本汽车行业对可靠性更加重视。退货事件后，日本设 立了“汽车安全对策协议会”，以退货问题为转机，从确保汽车安全性出发，2以可靠性委员会等组织为中心，除继续采取很早就开展起来的质量管理措施外，还进一步以对产品的新认识和新方法为基础，开展可靠性研究。1982年中国机械工程学会设立了机械可靠性学组，随之我国汽车行业也开 始了可靠性研究工作，近二十多年来已取得了很大的成绩，对国产汽车产品质 量的提高起到了很大的促进作用。近年来，为了增强国产汽车产品在国际市场 的竞争能力，国家对国产汽车产品质量考核的密度与力度日益增强。1972年7月至1973年12月，在长春汽车研究所海南试验站进行了全国汽车产 品质量检查考核，受检厂家9个，样车12辆，主检项目有发动机性能试验、整车 基本性能试验、可靠性试验，这是国内汽车行业首次行检，是国家首次对汽车 产品质量进行监督检验。从1983年开始到1984年，我国汽车行业组织了空前规模的汽车可靠性试验，试验样车53台，总试验里程36万公里，并结合可靠性试验开展了以“汽车可靠 性考核与试验方法研究”为中心的科学研究活动，取得了许多可喜的成果。试 验初步摸清了国产汽车可靠性状况，指出了国产汽车的MTBF仅为5001000公 里，产品早期故障率较高，而且在2500公里之前90%的故障属生产管理中的原因，固有可靠性问题是影响产品可靠性的根本问题。试验研究结果引起了汽车主管 部门及汽车企业领导的高度重视，为了提高汽车产品的质量水平，中国汽车总 公司提出了以提高汽车可靠性为主攻目标的战略措施，一汽、二汽等企业发动 了质量攻关活动，汽车早期可靠性有了明显的改善。1984年中国汽车工程学会 设立了汽车可靠性专业委员会，开展汽车可靠性理论的研究，进行可靠性的学 术交流活动，发表了多篇汽车可靠性方面的文章、译著等。从1986年起，中汽公司开始在逐年下达汽车产品质量国家例行监督试验计 划，强化对整车质量的考核，特别是对初期可靠性考核（2500公里）。截止1991 年底，全国实施质量监督的各型汽车累计1026次，总行驶里程达1129.2万公里。最后根据试验数据得出的结论是：通过“六五”后三年和“七五”期间主攻汽 车可靠性的综合治理，我国汽车可靠性呈逐年上升趋势。从80年代起，我国相继制定了一批可靠性标准，如可靠性基本名词术语以 及定义一GB3187-82,设备可靠性试验有关标准一GB5080.6-86,故障树名词术 语和符号一GB488885,汽车的故障模式及分类一QC/T34-92等等。1997年，中汽公司颁布了汽车整车产品质量检验评定方法（白皮书），它是我国汽车工业产品质量抽查检验、监督管理和符合性质量等级评定的指令 性文件。2002年，国家质量监督检验检疫总局在公布了缺陷汽车召回管理规定（草案），表明我国已经开始高度重视汽车的可靠性问题。总的来说，同世界汽车可靠性的先进水平相比，我国汽车可靠性的研究，目前仍然处于初级阶段，还没有形成全行业重视可靠性工作的局面。随着汽车 3结构复杂程度的不断提高，汽车企业为了满足节能、环保和安全等社会要求，以及舒适、平稳和便捷等用户要求，必然会更加重视可靠性技术的研究，不断 提高产品的可靠性水平。1.3 本文研究的目的和意义近年来，随着国家经济建设的发展、道路建设的完善、物流业的繁荣、国 家重点工程项目的相继开工以及各项管理逐渐规范等利好因素的影响，国内重 卡市场异常火爆。2003年销量达25.6万辆，2004年更创新高，销量达37万辆。重卡销量不断攀升的背后，由于部分企业对产品可靠性重视程度不够，对可靠 性试验数据的整理、维护、故障规律的研究不足，利用反馈信息指导设计等工 作不够深入扎实，因而暴露出产品零部件质量水平低、整车可靠性差以及引进 产品随着国产化率提高，可靠性水平下降等问题。本文的研究就是在此背景下开展的，通过研究可靠性相关技术在汽车产品 开发过程中的应用，提高整车产品的可靠性水平，具有以下几个方面的意义。(1)公安部交通管理局2005年交通事故统计资料显示，2005年，全国共 发生道路交通事故450254起，造成98738人死亡、469911人受伤、直接经济 损失18.8亿元。另据国内外交通统计资料表明，由于车辆本身因素所造成的 交通事故，在工业发达国家占5%左右，在发展中国家占10%左右这些事 故主要是由车辆的机械故障造成的，包括制动失灵或不合格，转向失灵或不合 格，轮胎脱出或爆裂，灯光损坏、灯光眩目、连接失效等。近年来因车况不良 而造成的交通事故大幅上升，因此在零部件设计和制造阶段，研究应用可靠性 技术，可以提高整车的可靠性水平，有效防止车辆故障和事故的发生，尤其是 避免灾难性交通事故的发生，从而保证人民生命和财产的安全。(2)研究应用可靠性技术，提高汽车产品质量与可靠性，可以帮助企业提 升形象，增强竞争力，扩大产品销路，从而提高经济效益。世界各国的汽车生 产企业，越来越重视汽车可靠性问题。没有那个汽车制造商能在汽车市场一统 天下，国内的汽车市场同样存在着激烈的竞争，汽车的可靠性低下，将失去企 业信誉，失去营销市场，失去汽车原有的使用价值。研究汽车可靠性技术，提 高汽车的可靠性就生产企业本身角度考虑，是为了企业生存发展的需要。国际 上许多汽车企业的倒闭，无不有汽车质量因素在内。(3)研究FMEA、FTA等可靠性分析技术在汽车开发中的应用，是我国汽 车工业走向国际市场的需要，也是时代发展的需要。汽车工业通过FMEA来提 高用户满意度和减少不合格产品已经有很长一段时间了，以前FMEA被认为是 一项耗时耗力且不值一提的工作而被忽略，因此它的思想理念并没有被真正贯 彻。直到90年代中期，FMEA才被确定为预防问题和提高质量的方法。如今，4六西格玛方法、产品质量前期策划和控制计划（APQP）、产品零部件批准程 序（PPAP）、1S09000、QS9000以及ISO/TS16949技术规范（国际汽车特别 工作组于2002年颁布的、全球汽车行业统一的质量管理体系规范）都明确指出 了 FMEA作为一种质量改进的方法必须强制实施。此外，研究开发计算机辅助分析系统，可以大大减轻技术人员的工作量，减少产品的开发时间和降低企业开发成本，同时为企业后续开发产品积累数据 库，实现企业内外的资源共享，提高企业的信息化建设水平。1.4本文研究的主要内容本文以某重型卡车的双前桥系统为研究对象，主要针对以下几个方面，开 展了 FMEA和FTA等可靠性分析技术的应用研究工作1（1）典型可靠性分析技术的原理及应用FMEA及FTA是行之有效的可靠性分析技术，通过介绍二者的发展历史、方法原理以及分析步骤等内容，探讨了它们在分析汽车可靠性，判明汽车故障 模式，故障原因，故障影响等方面的应用情况。（2）某重卡双前桥系统的FMEA及FTA分析建立某重卡双前桥系统的功能及结构模型，利用计算机辅助软件，即 Fmecajiut系统和Fta_hut系统，分别对其进行FMEA分析和FTA分析，然后 对软件的输出结果加以分析研究，指出在该双前桥系统在设计、制造以及使用 过程中应该注意的问题，避免设计和生产中出现失误，并针对各故障模式，提 出了改进措施。通过实例分析，积累相关的数据资料，为企业后续产品的研发 奠定基础。（3）计算机辅助工艺FMEA系统的应用开发为了减少相关技术人员的工作量，考虑利用计算机辅助来简化工艺FMEA 的分析工作。参考合肥工业大学机械与汽车工程学院开发的计算机辅助 Fmeca_hut系统和Fta_hut系统，采用面向对象的编程语言和数据库技术，通过 分析软件框架，设计思想，目标需求以及具体实现等，对计算机辅助工艺FMEA 系统作了初步的研究。（4）某重卡前轴的可靠性试验及其设计改进为了评价某重卡前轴国产化后的可靠性水平，同时验证前面FMEA及FTA 的分析结果，为前轴的改进提供依据，对该重卡的前轴进行了三轮的可靠性疲 劳台架试验，并利用有限元分析技术加以校核，从设计、材料、加工工艺、试 验环境及方法等多方面因素，找出前轴失效的主要原因，然后对其薄弱环节予 以改进，最终提高了前轴的可靠性水平，满足了国家的台架试验标准。5第二章FMEA与FTA基本原理2.1概述汽车是机、电、液、气一体化的复杂产品，其可靠性分析方法见图2-U 由图可见，故障模式和影响分析(FMEA)，与故障模式、影响和致命度分析(FMECA)常用于产品可靠性分析中的定性分析，而故障树分析(FTA)和布 尔理论(G Boole Theery)与马尔可夫理论(Markov Theory)多用于可靠性分 析中的定量分析以。在工程实践中，常常将他们结合起来应用，这样便于发挥 它们各自的优点，互为补充，可以收到事半功倍的显著效益。本章主要介绍定 性分析方法和定量分析方法中两种比较典型的方法，即FMEA方法和FTA方 法，FMECA同FMEA方法类似，在这里仅作简单阐述。图2-1汽车产品可靠性分析方法2.2 FMEA 方法2.2.1 FMEA背景及应用FMEA(Failure Mode and Effects Analysis)即故障模式及影响分析也称为 失效分析，是工程应用中最常用的可靠性分析方法之一。它是在产品设计和加 工过程中分析各种潜在的故障对其可靠性的影响，用以提高产品可靠性的一门 分析技术，它以产品的元件、零件或系统为分析对象，通过人员的逻辑思维分 析，预测结构元件或零件生产装配中可能发生的问题及潜在的故障，研究问题 及故障的原因，以及对产品质量影响的严重程度，提出可能采取的预防改进措 施，以提高产品质量和可靠性U4H。20世纪50年代初，美国格鲁门飞机公司在研制飞机主操纵系统时就采用 FMEA方法，取得了良好的效果。到了 60年代后期和70年代初期，FMEA方 法开始广泛地应用于航空、航天、舰船、兵器等军用系统的研制中，现在已普 及到机械、电子、医疗设备等民用产品，特别是汽车产品上，并且取得了显著 6的效果。FMEA方法经过长时间的发展与完善，已获得广泛的应用与认可，成为在 系统的研制过程中必须完成的一项可靠性分析工作。2.2.2典型FMEA标准与规范随着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，其中比较著名的见表2/U叫表2-1典型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于中国的军工产品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QS9000 FMEAQS9000FMEA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IS0/TS 16949IS0/TS1694 技术规范国际汽车特别 工 作 组(IATF)ISO/TS 16949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SAE J1739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SAE ARP5580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 MlLSTD-1629,适用丁汽车和国防 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两 大类，军工标准以美国的M1L-STD-1629A为代表，中国的军标GJB 1391-92 与其极为相似电；汽车行业的FMEA标准以QS 9000参考手册中描述的规范 为代表，其它规范或手册规定的方法与其基本相同，2002年颁布的全球统一的 汽车质量体系标准ISO/TS16949技术规范中的FMEA标准也是来源于此。2.2.3 FMEA适用范围及分类从表22可以看出，FMEA的应用范围涉及产品生命周期的各个阶段。7在产品生命周期的各个阶段内，虽然FMEA的应用目的和应用方法略有不同，但其根本目的只有一个，即从设计、生产和使用等角度发现产品的各种缺陷与 薄弱环节，从而提高其可靠性水平。表22产品生命周期各阶段FMEA方法阶段方案阶段设计阶段生产阶段使用阶段方法功能FMEA硬件FMEA 软件FMEA过程FMEA 设备FMEA统计FMEA目的研究分析系 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 案权衡提供 依据研究分析系统 硬件、软件设 计的缺陷与薄 弱环节，为系 统的硬件、软 件设计改进利 方案权衡提供 依据研究分析设计的生产工 艺过程的缺陷和薄弱环 节及其对产品的影响，为生产过程的设计改进 提供依据.分析研究生 产设备的失效对产品的 影响，为生产设备的改 进提供依据研究分析产品使用过 程中发生的失效、原 因及其影响，为评估 论证、研制生产各阶 段的FMEA有效性和 为产品的改进、改型 或新产品的研制提供 依据在汽车产品的开发过程中，FMEA技术主要应用于产品的设计阶段和制造 阶段，故有设计FMEA（即DFMEA）与工艺FMEA（即PFMEA）之分。此外,在汽车产品的策划、使用、维护等各阶段，FMEA技术同样可以应用。2.2.4 FMEA分析过程进行系统的FMEA 一般按图2.2所示的步骤进行网。明确分析范围系统任务分析系统功能分析确定故障判据选择分析方法实施分析给出分析结论图22 FMEA分析步骤（1）明确分析范围根据系统的复杂程度、重要程度、技术成熟性、分析工作的进度和费用约 束等，确定进行FMEA的产品范围。（2）系统任务分析描述系统的任务要求及系统在完成各种任务时所处的环境条件。系统的任 务分析结果一般用任务剖面来描述。8（3）系统功能分析分析明确系统中的产品在完成不同的任务时所应具备的功能、工作方式及 工作时间等。（4）确定失效判据制订与分析判断系统及系统中产品正常与失效的准则。（5）选择FMEA方法根据分析的目的和系统的研制阶段，选择相应的FMEA方法，制定FMEA 的实施步骤及实施规范。（6）实施FMEA分析FMEA包括失效模式分析、失效原因分析、失效影响分析、失效检测方法 分析与补偿措施分析等步骤。失效模式分析是找出系统中每一产品（或功能、生产要素、工艺流程、生 产设备等）所有可能出现的失效模式；失效原因分析是找出每一个失效模式产 生的原因；失效影响分析是找出系统中每一产品（或功能、生产要素、工艺流 程、生产设备等）每一可能的失效模式所产生的影响，并按这些影响的严重程 度进行分类；失效检测方法分析是分析每一种失效模式是否存在特定的发现该 失效模式的检测方法，从而为系统的失效检测与隔离设计提供依据；补偿措施 分析是针对失效影响严重的失效模式，提出设计改进和使用补偿的措施。（7）给出FMEA结论根据失效模式影响分析的结果，找出系统中的缺陷和薄弱环节，并制定和 实施各种改进与控制措施，以提高产品（或功能、生产要素、工艺流程、生产 设备等）的可靠性（或有效性、合理性等）。2.2.5 实施FMEA目的和意义现代质量管理研究表明，产品质量首先是设计出来的，其次是生产出来的,而不是检测出来的31。使用FMEA,能在设计或制造阶段发现产品设计的不足 或存在的隐患，然后及时采取措施克服。FMEA是一组系统化的相互作用的过程，其目的有21（1）发现、评价产品/过程中潜在的失效及其结果；（2）确定与产品有关的过程潜在失效模式；（3）评价失效对顾客的潜在影响；（4）确定潜在设计或制造过程的失效起因，确定减少失效发生或找出失效 条件的过程控制变量；（5）编制潜在失效模式分级表，然后建立考虑措施的优选体系；（6）减轻缺陷的严重性，因此必须对零件的结构设计作更改；（7）在缺陷到达用户手中之前或者产品出厂前提高发现缺陷的概率。9所有的FMEA分析最后都要求制作FMEA分析表，它是FMEA分析结果 的书面总结。因而FMEA分析为设计部门、生产规划部门、生产部门、质保部 门等有关技术部门提供了共享的信息资源；另一方面，FMEA为以后同类产品 的设计提供了资料。2.2.6 FMEA应用时机和注意事项时间性是成功实施FMEA最重要因素之一，它是一个“事前行为”，而不 是“事后练习”。为达到最佳效益，FMEA的应用一定要注意时机，它必须在 产品或过程的设计和开发完成之前进行和完成磔】。在实施FMEA的过程中，应注意以下问题：(1)FMEA工作应与产品的设计同步进行，尤其应在设计的早期阶段就开 始进行FMEA,这将有助于及时发现设计中的薄弱环节并为安排改进措施的先 后顺序提供依据。(2)对产品研制的不同阶段，应进行不同程度、不同层次的FMEA。也就 是说，FMEA应及时反映设计、工艺上的变化，并随着研制阶段的展开而不断 补充、完善和反复迭代。(3)FMEA工作应由设计人员负责完成，贯彻“谁设计、谁分析”的原则，这是因为设计人员对自己设计的产品最了解。(4)FMEA分析中应加强规范化工作，以保证产品FMEA的分析结果具有 可比性。开始分析复杂系统前，应统一制定FMEA的规范要求，结合系统特点，对FMEA中的分析约定层次、失效判据、严酷度与危害度定义、分析表格、失 效率数据源和分析报告要求等均应作统一规定及必要说明。(5)应对FMEA的结果进行跟踪与分析，以验证其正确性和改进措施的有 效性。这种跟踪分析的过程，也是逐步积累FMEA工程经验的过程。一套完整 的FMEA资料，是各方面经验的总结，是宝贵的工程财富，应当不断积累并归 档，以备查考。(6)FMEA虽然是有效的分析方法，但并非万能。它不能代替其它的可靠 性分析工作。应该特别注意，FMEA一般是静态的单一因素分析法，在动态分 析方面还不完善，若对系统实施全面的分析还应与其他分析方法相结合。2.3 FMECA 方法FMECA 是“Failure Mode,Effects and Criticality Analysisw 的缩写，即故障 模式、影响和致命度分析。该方法是在FMEA分析工作的基础上增加了危害性 分析，即FMECA=FMEA+CA(致命度分析)网。FMECA 一般应在设计的初 期阶段开始进行，这将有助于对设计的评审和为安排改进措施的先后顺序提供 依据。由于FMECA和FMEA的方法、步骤基本相同，这里就不再重述，只重 10点阐述CA分析方法。危害性分析是对FMEA的补充和扩展，其目的是按每一故障模式的严酷度 类别及故障模式的发生概率所产生的影响对其划等分类，以便全面地评价各种 可能出现的故障模式影响。危害性分析分为定性分析和定量分析两种。在不能获得产品技术状态数据 或故障率数据的情况下，则只能进行定性分析；如能获得上述数据，则最好进 行定量计算。定性分析就是将故障模式的发生概率按相关规定分成不同的等级，如：A级（经常发生）：而产品工作期间内某一故障模式的发生概率大于产品 在该期间内故障概率的20%;B级（有时发生）：产品工作期间内某一故障模式的发生概率大于产品在 该期间内故障概率的10%,但小于20%；C级（偶然发生）：产品工作期间内某一故障模式发生的概率大于产品在 该期间内故障概率的1%,但小于10%;D级（很少发生）：产品工作期间内某一故障模式发生的概率大于产品在 该期间内故障概率的0.1%,但小于1%;E级（极少发生）：产品工作期间内某一故障模式的发生概率小于产品在 该期间内故障概率的0.1%出】。FMECA分析方法主要采用表格分析法，它是用表格列出各单元故障模式,再通过故障模式分析找出由此产生的后果。危害性分析表与FMEA分析表相比,除部分相同外，其余主要项目说明如下：（1）故障概率或故障率数据源即定量计算危害度时应列出的所使用的故障率数据的来源。（2）故障率%人可通过可靠性预测得到，如果能从有关手册查到产品的基本故障率4,则可根据质量系数Hq、应用系数n八 环境系数口等来修正，即：4P=4（n.,n n。）（3）故障模数频数比当可表示产品以故障模式,发生故障的百分比，其值可根据故障率原始数据 或试验及使用数据推出。（4）故障影响概率百月是分析人员根据经验判断所得到的，它是产品以故障模式,发生的故障 而导致系统完成任务功能丧失的条件概率。（5）工作时间，通常以产品每次任务的工作小时数或工作循环次数表示。11(6)故障模式危害度C时g,是产品危害度的一部分，产品的第J个故障模式危害度为：C啊 i(7)产品危害度C,C,是指预测将由该产品的故障模式造成的某一特定类型的产品故障数，它 的表达式如下：可以利用危害性矩阵图来确定每一故障模式的危害度，如图2-3所示的危 害性矩阵图，横坐标表示严酷度等级，纵坐标表示故障模式出现的概率等级。由图可见，从原点开始，故障模式分布点沿对角线方向距原点越远，其危害性 越大。将所有故障模式都在此图上标出，就能分辨出何种故障模式的危害度最 严重，进而为确定补偿措施的先后顺序提供依据。图23危害性矩阵分析图2.4故障树分析(FTA)方法3H2明2.4.1 FTA 概述故障树分析一FTA(Fault Tree Analysis)是60年代发展起来的用于大系统 可靠性、安全性分析和风险评价的一种方法。它主要是针对各种复杂系统在方 案与初样设计阶段进行可靠性安全性分析，用于系统的故障分析、预测和诊断,找出系统的薄弱环节，以便在设计、制造和使用中采取相应的改进措施。在故障树分析中，对于所研究系统的各种故障状态或不正常情况被称为故 障事件，完好状态或正常情况皆称为成功事件，两者均简称为事件。故障树分 析中所关心事件称为顶事件，它是故障树分析的目标，位于故障树的顶端。仅 导致其他事件发生事件称为底事件，它是可能导致顶事件发生的基本原因，位 于故障树的底端。位于各底事件与顶事件之间的中间结果事件称为中间事件。用各种事件的代表符号和描述事件因果关系的逻辑门符号组成的倒立树状逻辑 因果关系树称为故障树。故障树分析法就是在系统设计过程中，通过对可能造成系统故障的各种因 素（包括硬件、软件、环境、人为因素等）进行分析，画出逻辑框图（即故障 树），从而确定系统故障原因的各种可能的组合方式及其发生概率，以计算系 统故障概率，采取相应的纠正措施，以提高系统可靠性。故障树分析法的步骤，通常因评价对象分析目的、精细程度等的不同而异，但一般主要有以下三个步 骤：故障树的建立、定性分析、定量计算。故障树分析法的具体内容如下：（1）对所选定的系统作必要的分析，确切了解系统的组成及各项操作的内 容，熟悉其正常的作业图；（2）对系统的故障进行定义，对预计可能发生的故障、过去发生过的故障 事例作广泛的调查；（3）仔细分析各种故障的形成原因，如设计、制造、装配、运行、环境条 件、人为因素等；（4）收集各故障发生的概率数据；（5）选定系统可能发生的最不希望发生的故障状态作为顶事件，画出故障 逻辑图；（6）对故障树作定性分析，确定系统的故障模式；（7）对故障树进行定量计算，计算出顶事件发生概率、各底事件的结构重 要度、概率重要度、关键重要度等可靠性指标。2.4.2故障树分析的特点归纳起来故障树分析有以下10个特点：（1）故障树分析是一种图形演绎法。是故障事件在一定条件下的逻辑推理 方法。它不局限于对系统作一般的可靠性分析，它可以围绕一个或一些特定的 失效状态，作层层追踪分析。因而，在清晰的故障树图形下，表达了系统故障 事件的内在联系，并指出了单元故障与系统故障之间的逻辑关系；（2）由于故障树能把系统故障的各种可能因素联系起来，因此，有利于提 高系统的可靠性，找出系统的薄弱环节和系统的故障谱；（3）故障树可以作为管理人员及维修人员的一个形象的管理、维修指南，因此，用来培训长期使用大型复杂系统的人员更有意义；（4）通过故障树可以定量的求出复杂系统的失效概率和其他可靠性特征量，为改进和评估系统的可靠性提供定量数据；（5）故障树分析的发展与电子计算机技术的发展紧密相联，图像信息技术 13也已经应用在故障树分析中，因此，编制计算程序是故障树分析中不可缺少的 一部分；(6)故障树分析的理论基础，除概率论和数理统计外，布尔代数及可靠性 数学中用到的数学基础同样应用于故障树分析的定量分析中；(7)故障树分析方法不仅应用于解决工程技术问题，而且开始应用于经济 管理的系统工程之中；(8)故障树分析首先需要建树，建树过程复杂，需要经验丰富的工程技术 人员、操作及维修人员参加，而且不同的人所建造的故障树不会完全相同；(9)系统越复杂，建树越困难，耗时越长；(10)数据收集困难。2.4.3故障树定性分析首先介绍两个定义，即割集和路集的概念。设故障树中有n个底事件 xl,x2，C=xi,，xl为