故障模式、影響和危害性分析(Failure Mode, Effects and Criticality Analysis，簡稱FMECA) 是針對產品所有可能的故障，並根據對故障模式的分析，確定每種故障模式對產品工作的影響，找出單點故障，並按故障模式的嚴重度及其發生概率確定其危害性。
所謂單點故障指的是引起產品故障的，且沒有冗余或替代的工作程序作為補救的局部故障。
FMECA包括故障模式及影響分析（FMEA）和危害性分析（CA）。
FMECA是在工程實踐中總結出來的，以故障模式為基礎，以故障影響或后果為目標的分析技術。它通過逐一分析各組成部分的不同故障對系統工作的影響，全面識別設計中的薄弱環節和關鍵項目，並為評價和改進系統設計的可靠性提供基本信息。
可靠性概述
可靠性基本概念
定義
“三規定一能力”：產品在規定的條件下和規定的時間內，完成規定功能的能力。
核心
故障：可靠性是一種與產品故障作斗爭的新興學科。
特征值
量化指標包括：可靠度\(R(t)\)、失效率\(\lambda(t)\)、平均故障間隔時間\(MTBF\)、壽命概率密度\(f(t)\)等等。
FMECA方法
概述
定義：FMECA是分析產品所有可能的故障模式及其可能產生的影響，並按每個故障模式產生影響的嚴重程度及其發生概率予以分類的一種歸納分析方法。
目的：從不同角度發現產品的各種缺陷和薄弱環節，並采取有效的改進和補償措施以提高可靠性水平。
作用：為維修性、測試性、安全性和保障性工作的開展提供定性依據。
產品周期壽命各階段的FMECA方法
實施步驟
系統定義
- 確定系統中進行FMECA的產品范圍
- 產品層次
- 約定層次——規定的FMECA的產品層次
- 初始約定層次——系統最頂層
- 最低約定層次——系統最底層
- 描述系統的功能任務及系統在完成各種功能任務時所處的環境條件
- 任務剖面、任務階段及工作方式
- 功能描述
- 制定系統及產品的故障判據、選擇FMECA方法等
- 故障判據
- 分析方法
FMEA分析
圖中各列的簡要說明：
1，代碼：對每一產品的每一故障模式采用一種編碼體系進行標識；
2，產品或功能標志：記錄被分析產品或功能的名稱與標志；
3，功能：簡要描述產品所具有的主要功能；
4，故障模式：根據故障模式分析的結果簡要描述每一產品的所有故障模式；
5，故障原因：根據故障原因分析結果簡要描述每一故障模式的所有故障原因；
6，任務階段與工作方式：簡要說明發生故障的任務階段與產品的工作方式；
7、8、9，故障影響（局部影響、高一層次影響、最終影響）：根據故障影響分析的結果，簡要描述每一個故障模式的局部、高一層次和最終影響；
10，嚴酷度類別：根據最終影響分析的結果按每個故障模式分配嚴酷度類別；
11，故障檢測方法：簡要描述故障檢測方法；
12，補償措施：簡要描述補償措施；
13，備注：記錄對其它欄的注釋和補充說明。
故障與故障模式
-
故障是產品或產品的一部分不能或將不能完成預定功能的事件或狀態（對機械產品也稱失效）
-
故障模式是故障的表現形式，如起落架撐桿斷裂、作動筒間隙不當、收放不到位等
產品功能與故障模式
- 一個產品可能具有多種功能
- 起落架：支撐、滑跑、收放等
- 每一個功能可能具有多種故障模式
- 支撐：降落時折起
- 滑跑：震動
- 收放：收不起、放不下
GJB1391典型故障模式
| 序 | 故障模式 | 序 | 故障模式 | 序 | 故障模式 |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 結構故障（破損） | 12 | 超出允差（下限） | 23 | 滯后運行 |
| 2 | 捆結或卡死 | 13 | 意外運行 | 24 | 錯誤輸入（過大） |
| 3 | 振動 | 14 | 間歇性工作 | 25 | 錯誤輸入（過小） |
| 4 | 不能保存正常位置 | 15 | 漂移性工作 | 26 | 錯誤輸出（過大） |
| 5 | 打不開 | 16 | 錯誤提示 | 27 | 錯誤輸出（過小） |
| 6 | 關不上 | 17 | 流動不暢 | 28 | 無輸入 |
| 7 | 誤開 | 18 | 錯誤動作 | 29 | 無輸出 |
| 8 | 誤關 | 19 | 不能關機 | 30 | （電的）短路 |
| 9 | 內部漏泄 | 20 | 不能開機 | 31 | （電的）開路 |
| 10 | 外部漏泄 | 21 | 不能切換 | 32 | （電的）漏泄 |
| 11 | 超出允差（上限） | 22 | 提前運行 | 33 | 其它 |
機械產品典型故障模式
機械產品故障模式可分為以下七大類：
- 損壞型：如斷裂、變形過大、塑性變形、裂紋等。
- 退化型：如老化、腐蝕、磨損等。
- 松脫性：松動、脫焊等
- 失調型：如間隙不當、行程不當、壓力不當等。
- 堵塞或滲漏型：如堵塞、漏油、漏氣等。
- 功能型：如性能不穩定、性能下降、功能不正常。
- 其他：潤滑不良等。
故障原因
直接原因：導致產品功能故障的產品自身的那些物理、化學或生物變化過程等，直接原因又稱為故障機理。
間接原因：由於其他產品的故障、環境因素和人為因素等引起的外部原因。
例如——起落架上位鎖打不開
- 直接原因：鎖體間隙不當、彈簧老化等
- 間接原因：鎖支架剛度差
任務階段與工作模式
任務剖面又由多個任務階段組成
例如——起落架任務階段：
- 起飛
- 着陸
- 空中飛行
- 地面滑行
工作方式：
- 可替換
- 有余度
例如：上位鎖開鎖：液壓、手動鋼索、冷氣
因此，在進行故障模式分析時，要說明產品的故障模式是在哪一個任務剖面的哪一個任務階段的什么工作方式下發生的。
故障影響
- 故障影響與約定層次
約定層次示例
- 故障影響
- 局部影響：某產品的故障模式對該產品自身和與該產品所在約定層次相同的其他產品的使用、功能或狀態的影響
- 高一層次影響：某產品的故障模式對該產品所在約定層次的高一層次產品的使用、功能或狀態的影響
- 最終影響：指系統中某產品的故障模式對初始約定層次產品的使用、功能或狀態的影響
嚴酷度類別
嚴酷度：產品故障造成的最壞后果的嚴重程度
嚴酷度類別定義（GJB1391）：
| 嚴酷度類別 | 嚴重程度定義 |
|---|---|
| Ⅰ類（災難的） | 這是一種會引起人員死亡或系統（如飛機、坦克、導彈及船舶等）毀壞的故障。 |
| Ⅱ類（致命的） | 這種故障會引起人員的嚴重傷害、重大經濟損失或導致任務失敗的系統嚴重損壞。 |
| Ⅲ類（臨界的） | 這種故障會引起人員的輕度傷害，一定的經濟損失或導致任務延誤或降級的系統輕度損壞。 |
| Ⅳ類（輕度的） | 這是一種不足以導數人員傷害、一定的經濟損失或系統損壞的故障，但它會導致非計划性維護或修理。 |
故障檢測方法
故障檢測方法一般包括目視檢查、離機檢測、原位測試等手段：
- 自動傳感裝置
- 傳感儀器
- 音響報警裝置
- 顯示報警裝置
故障檢測一般分為事前檢測與事后檢測兩類，對於潛在故障模式，應盡可能設計事前檢測方法。
補償措施
設計補償措施：
- 產品發生故障時，能繼續安全工作的冗余設備□
- 安全或保險裝置（如監控及報警裝置）□
- 可替換的工作方式（如備用或輔助設備）□
- 可以消除或減輕故障影響的設計或工藝改進（如概率設計、計算機模擬仿真分析和工藝改進等）
操作人員補償措施:
- 特殊的使用和維護規程，盡量避免或預防故障的發生
- 一旦出現某故障后操作人員應采取的最恰當的補救措施
CA分析
圖中各列的內容：
1，代碼
2，產品或功能的標志
3，功能
4，故障模式
5，故障原因
6，任務階段與工作方式
7，嚴酷度類別
8，故障概率等級或故障數據源
9，故障率\(\lambda_p\)
10，故障模式頻數比\(\alpha\)
11，故障影響概率\(\beta\)
12，工作時間\(t\)
13，故障模式危害度\(C_m(j)\)
14，產品危害度\(C_r(j)\)
15，備注
故障概率等級或數據來源
故障概率等級是一種定性分析方法：
- A級--經常發生 >20%
- B級--有時發生 10%>20%
- C級--偶然發生 1%>10%
- D級--很少發生 0.1%>1%
- E級--極少發生 <0.1%
數據來源：
- 預計值
- 分配值
- 外場評估值等
故障模式頻數比
故障模式頻數比\(\alpha\)是產品的某一故障模式占其全部故障模式的百分比率。如果考慮某產品所有可能的故障模式，則其故障模式頻數比之和將為1。
模式故障率\(\lambda_m\)是指產品總故障率\(\lambda_p\)與某故障模式頻數比\(\alpha\)的乘積：\(\lambda_m=\lambda_p\times\alpha\)。
例：故障模式頻數比及模式故障率：
故障影響概率
故障影響概率\(\beta\)是指假定某故障模式已發生時，導致確定的嚴酷度等級的最終影響的條件概率。
某一故障模式可能產生多種最終影響。分析人員不但要分析出這些最終影響還應進一步指明該故障模式引起的每一種故障影響的百分比，此百分比即為\(\beta\)。
這多種最終影響的\(\beta\)值之和應為1。
例：故障影響概率示例
故障模式危害度
故障模式危害度用以評價單一故障模式的危害性：
產品危害度用以評價產品的危害性：
\(n\)為該產品的故障模式總數，\(j{\rm =I,II,III,IV}\)，
\(\sum C_{mi}(j)\)為產品在第\(j\)類嚴酷度類別下的所有故障模式的危害度之和。
危害性矩陣圖
FMECA輸出
- FMEA/CA表
- 危害性矩陣圖等
- 不可檢測故障模式清單
- 可靠性關鍵件、重要件
- I、II類故障模式清單
- 單點故障模式清單
實施FMECA的注意事項
強調“誰設計、誰分析”准則
“誰設計、誰分析”的原則，也就是產品設計人員應負責完成該產品的FMECA工作，可靠性專業人員應提供分析必須的技術支持。
實踐表明，FMLCA工作是設計工作的一部分。“誰設計、誰分析”、及時改進是進行FMECA的宗旨，是確保FMECA有效性的基礎，也是國內外開展FMCA工作經驗的結晶。如果不由產品設計者實施FMECA，必然造成分析與設計的分離，也就背離了FMECA的初衷。
重視FMECA的策划
實施FMECA前，應對所需進行的FMECA活動進行完整、全面、系統地策划，尤其是對復雜大系統，更應強調FMECA的重要性。其必要性體現在以下幾方面：
- 有助於保證FMECA分析的目的性、有效性，以確保FMECA工作與研制工作同步協調，避免事后補做的現象。
- 對復雜大系統，總體級的FMELCA往往需要低層次的分析結果作為輸入，對相關分析活動的策划將有助於確保高層次產品FMECA的實施。
- FMECA計划階段事先規定的基本前提、假設、分析方法和數據，將有助於在不同產品等級和承制方之間交流和共享，確保分析結果的一致性、有效性和可比性。
保證實時性、規范性、有效性
- 實時性。FMECA工作應納入研制工作計划、做到目的明確、管理務實；FMECA工作與設計工作應同步進行，將FMECA結果及時反饋給設計過程。
- 規范性。分析工作應嚴格執行FMECA計划、有關標准/文件的要求。分析中應明確某些關鍵概念，比如：故障檢測方法是系統運行或維修時發現故障的方法；嚴酷度是對故障模式最終影響嚴重程度的度量，危害度是對故障模式后果嚴重程度的發生可能性的綜合度量，兩者是不同的概念，不能混淆。
- 有效性。對分析提出的改進、補償措施的實現予以跟蹤和分析，以驗證其有效性。這種過程也是積累FMECA工程經驗的過程。
FMECA的裁剪和評審
FMECA作為常用的分析工具，可為可靠性、安全性、維修性、測試性和保障性等工作提供信息，不同的應用目的可能得到不同的分析結果。各單位可根據具體的產品特點和任務對FMECA的分析步驟、內容進行補充、剪裁，並在相應文件中予以明確。
FMECA的數據
故障模式是FMECA的基礎。能否獲得故障模式的相關信息是決定FMECA工作有效性的關鍵。若進行定量分析時還需故障的具體數據，這些數據除通過試驗獲得外，一般是需要通過相似產品的歷史數據進行統計分析。有計划有目的地注意收集、整理有關產品的故障信息，並逐步建立和完善故障模式及頻數比的相關故障信息庫，這是開展有效的FMECA工作的基本保障之一。
FMECA應與其他分析方法相結合
FMECA雖是有效的可靠性分析方法，但並非萬能。它不能代替其他可靠性分析工作。應注意FMECA一般是靜態的、單一因素的分析方法。在動態方面還很不完善，若對系統實施全面分析還需與其他分析方法（如FTA、ETA等）相結合。
FMECA在工業企業上的應用
某型軍用教練飛機升降舵系統FMECA
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系統定義
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系統組成及功能
某型軍用教練飛機升降舵系統是單梁盒式薄壁結構，並是由梁、小梁、肋、蒙皮所組成的雙閉室剖面結構。為保證升降舵系統的操作由負載、配平性能需要，還裝有配重的調整片、翼尖配重。 -
約定層次
- 初始約定層次為某型軍用教練機
- 約定層次圖
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繪制可靠性方框圖
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繪制功能結構方框圖
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繪制可靠性框圖
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故障判據
升降舵系統凡發生不滿足以下要求的情況之一，即認為該系統發生了故障：- 舵面偏轉時應准確及時偏轉到規定位置；
- 左、右升降舵應保持同步偏轉；
- 飛機長期穩定飛行時，航面應保持確定的平衡位置；
- 舵面偏轉時無卡滯現象；
- 飛行中舵面無強烈振動現象；
- 調整片按要求能正常偏轉；
- 配重無松動現象；
- 舵面結構滿足了強度、剛度要求，沒有因疲勞、腐蝕等導致其結構的損傷。
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嚴酷度類別
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FMECA表的填寫
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FMECA表格的選取
根據本案例的實際情況，將FMEA表、CA表合並成一個表。這使FMECA表更簡明、直觀和減少工作量。 -
FMECA表中信息來源
表中的故障模式、故障原因、故障率等均是在多個相似飛機升降舵的調研和分析基礎上進行的，其結果比較真實可靠。
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主要故障模式
歸納該升降舵的故障模式是：- 舵面偏轉不到位。其表現為駕駛桿行程加大，操縱不到位；
- 航面偏轉困難 （偏重） ，但無卡死現象；
- 卡滯。舵面轉動不靈活，有卡滯現象；
- 振動。由前面的振動導致駕駛桿抖動；
- 結構故障。由於長期使用，舵面結構局部損傷，造成結構強度、剛度下降，變形加大。
針對上述故障模式提示了相應的改進措施，進而提高了產品的可靠性、保證了該教練機飛行一次成功
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系統在不同嚴酷度下的危害度
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FMECA報告
- 可靠性關鍵產品清單
- Ⅰ、Ⅱ類故障模式清單
- 單點故障模式清單
- 不可檢測故障模式清單
- 危害性矩陣圖等
某型洗衣機電腦板FMEA
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系統定義
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系統組成及功能
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約定層次
- 初始約定層次：電源板
- 第二約定層次：各功能電路，包括：濾波電路，整流功能電路，電壓轉換電路，反饋電路，電源總開關，電機驅動，水閥驅動，可控硅繼電器驅動，檢測電路1，檢測電路2，蜂鳴器
- 最低約定層次：元器件，如電容，電阻，電感，二極管，變壓器開關電源芯片，端子，光，穩壓模塊，可控硅，繼電器ULN2003，三極管，喇叭
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繪制可靠性方框圖
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故障判據
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嚴酷度類別
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FMEA表的填寫
FMEA表格：
- FMEA表格的選取
- FMEA表中信息來源
- 主要故障模式
- 系統在不同嚴酷度下的危害度
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FMEA報告
- 可靠性關鍵產品清單
- Ⅰ、Ⅱ類故障模式清單
- 單點故障模式清單
- 不可檢測故障模式清單
- FMEA表格
結束語
- FMECA是一種自下而上的歸納方法。
- FMECA的實施需貫穿於產品的整個壽命周期。
- FMECA能有效尋找產品的薄弱環節，預防產品可能發生的故障。