1、航天产品故障模式及影响分析(FMEA)技术讲义陈 晓 彤二一年八月1目 录1. FMEA 概述 .22. FMEA 的目的和作用 .22.1 FMEA 的目的 .22.2 FMEA 的作用 .23. FMEA 基本思想 .23.1 FMEA 的约定层次 .33.2 故障模式分析 .53.3 故障影响分析 .94. FMEA 的主要特征 .114.1 FMEA 分类 .114.2 FMEA 实施阶段 .114.3 FMEA 责任人 .124.4 FMEA 的输入 .124.5 FMEA 的输出 .125. FMEA 计划 .135.1 FMEA 表格式样 .135.2 确定 FMEA 的最低约定
2、层次 .135.3 故障判据 .136. FMEA 的工作程序 .146.1 定义系统 .146.2 准备工作 .146.3 填写工作表 .146.4 输出有关清单 .146.5 对工作表和清单进行分析 .147. FMEA 表格的填写方法 .178. 编写 FMEA 报告 .19附录 FMEA 报告示例 .2121. FMEA 概述FMEA(Failure Mode Effect Analysis)技术是从工程实践中总结出来的科学，是一项十分有效且易于掌握的分析技术。它广泛应用于可靠性工程、安全性工程、维修性工程等领域。早在五十年代初期，美国 Grumman 公司第一次把 FMEA 技术用于
3、战斗机的操纵系统的设计分析，取得了良好的效果。以后 FMEA 技术在航空、航天等领域得到广泛应用。我国于 1987 年颁发了 GB7826失效模式和效应分析（ FMEA）程序,在 1992 年颁发了 GJB1391故障模式影响及致命性分析程序 。FMEA 是GJB450装备研制与生产的通用大纲、QJ1408航天器与导弹武器系统可靠性大纲所规定的主要工作项目。2. FMEA 的目的和作用2.1 FMEA 的目的帮助确定设计的潜在可靠性薄弱环节，通过设计修改和调整，根本上排除或使其影响为最小，从而提高了产品的可靠性。2.2 FMEA 的作用a) 识别所有可能的故障模式，确定每个故障模式对系统工作能
4、力及任务成功的影响；b) 确定所有单点故障，提出消除这些故障模式或降低其出现概率的有效方法；c) 确定关键故障模式，为可靠性关键项目的确定和控制提供依据；d) 为设计决策，设计修改提供依据；e) 帮助确定测试方法和故障检修技术；f) 为可靠性、维修性、安全性和保障性定性分析提供依据。3. FMEA 基本思想FMEA 是一项自下向上的故障分析技术，导弹武器系统由各种各样的零部件和元器件组成，每个零部件和元器件都有一个或多个故障模式（见图 1），3FMEA 认为，构成系统的所有零部件和元器件都不发生故障则整个导弹系统是可靠的，保证零部件和元器件所含有的故障模式都不发生就能保证零部件和元器件不发生故
5、障，从而保证系统的可靠性。因此，FMEA 的根本任务就是对系统的故障模式进行控制，以满足系统的可靠性要求。但是，由于各种约束条件的限制，我们不可能找到系统所有的故障模式，也不可能保证找到的故障模式的发生概率为 0，这样就需要进行故障影响分析和危害性分析，找到那些能够对系统产生较大危害性的故障模式，对这些故障模式实施有重点、有针对性的控制，使它们的故障发生概率在可接受的范围内，提高系统的可靠性。 零 件 可 靠组 件 可 靠设 备 可 靠分 系 统 可 靠系 统 可 靠图 1 FMEA原 理 示 意 图分 系 统 1111 1 2 32 32 32 3 2 分 系 统 3系 统FMEA 包括故障
6、模式分析（FMA ）、故障影响分析（FEA ）两个主要部分，故障模式分析和故障影响分析都是针对某一约定层次进行的。3.1 FMEA 的约定层次约定层次是 FMEA 中的一个重要概念，它是标记或描述产品及功能相对复杂程度的层次。FMEA 是一项繁杂而细致的工作，这种繁杂细致的程度与约定层次的级数呈几何级数增长。约定层次与初始约定层、中间约定层和最低约定层三个级别，初始约定层是要进行 FMEA 总的完整的产品所在的层次，即约定的产品的第一分析层次；中间约定层是相继的约定层次（第二、第三、4第四等），这些层次表明了由复杂直至较简单的组成部分有序的排列；最低约定层是 FMEA 所终止的约定层次，它决定
7、了 FMEA 工作深入、细致的程度。例如，对于 DH-10 导弹武器系统，典型的约定层次划分如图 2 所示.表示初始约定层 表示中间约定层 表示最低约定层图 2. DH-10 导弹武器系统 FMEA 约定层次划分示例为了在系统的全寿命周期内对系统的每一种故障模式进行分析跟踪、统计与反馈，应根据系统的工作分解结构或划分的约定层次，选择或制定一种符合系统结构和功能特点且便于应用的编码体系。编码体系应能体现约定层次的上、下级关系，对各功能单元或工作单元编码时应具有唯一、简单、合理适用等特性，并开路随着设计研制工作的展开与深入要具有扩充能力。例如，DH-10 武器系统对应于图 2 所示的约定层次的编码
8、体系如图 3 所示。导弹武器系统导弹 机动指挥系统统机动发射系统统统任务规划系统统统技术支援系统统统发控台 供电控制箱 电源装置 导弹模拟器 通信副站柴油发电机组电源变换控制柜辅助电源统 电缆网5图 3. DH-10 导弹武器系统 FMEA 编码系统示例3.2 故障模式分析故障模式分析是 FMEA 的基础。故障模式是故障的表现形式，用规范化的词汇描述某一故障现象，如短路、开路、断裂等，故障模式的主体是产品。故障模式分析的任务是根据系统定义中的功能描述及故障判据中规定的要求，预测并列出所有可能的故障模式。为了确保全面地分析，至少应就下述典型的故障状态对每一故障模式和输出功能进行分析研究：a) 提
9、前工作b) 间歇工作c) 应工作时刻不工作d) 不应工作时工作e) 输出消失或故障f) 工作能力下降在进行故障模式分析时，要注意以下要点： 列举故障模式务求全面，不能遗漏，可借助于 GJB299/Z B电子设备可靠性预计手册、MIL_HDBK_217E电子设备可靠性预计等标准和手册进行分析； 描述故障模式时用词简洁、规范；DH-10JF JZ DD RW ZY-FKT -DKX -FDY -MNQ -TFZ-01 -02 -03 -046 如果可能，应找出产生故障模式的故障原因，如零件断裂故障模式的故障原因可能是疲劳、应力腐蚀、氢脆、镉脆、黑脆等。3.2.1 导弹武器系统典型的故障模式表 1：
10、 导弹武器系统典型故障模式序号 故障模式 序号 故障模式1 结构故障 18 错误动作2 捆结或卡死 19 不能关机3 不能保持正常位置 20 不能开机4 打不开 21 不能切换5 关不上 22 提前运行6 误开 23 滞后运行7 误关 24 错误输入（过大）8 内部泄漏 25 错误输入（过小）9 外部泄漏 26 错误输出（过大）10 超出允差（上限） 27 错误输出（过小）11 超出允差（下限） 28 无输入12 意外运行 29 无输出13 间歇工作 30 短路14 漂移性工作 31 开路15 错误指示 32 电泄漏16 流动不畅 33 对于系统特性、要求和运17 振动 行限制的其它故障条件3
11、.2.2 电子元器件典型的故障模式电子元器件典型的故障模式主要包括：短路开路性能退化参数漂移引脚断裂7接触不良常见电子元器件典型的故障模式如表 2 所示：表 2：常见电子元器件典型的故障模式器件种类 故障模式 故障模式比率高输出 0.1低输出 0.15性能退化 0.5开路 0.2双极型数字电路短路 0.05性能退化 0.6开路 0.25MOS 型数字电路短路 0.15电阻器 开路短路阻值超规范引线断裂电容器 击穿 0.73开路 0.16参数漂移 0.11拨动式开关 间歇接触 0.50弹簧疲劳 0.40晶体管 短路 0.24开路 0.30参数漂移 0.46二极管 短路 0.17开路 0.50参数
12、漂移 0.33电子管 开路 0.20短路 0.18性能退化 0.59接触不良 0.308继电器 触点断开 0.44触点粘结 0.40参数漂移 0.14线圈短、断路 0.20连接器 短路（密封不良） 0.30焊点机械失效 0.25绝缘电阻降低 0.20接触不良 0.10注：表 2 中数据取自 GJB/Z 299A3.2.3 机械零件典型的故障模式机械零件典型的故障模式如表 3 所示。表 3： 机械零件典型的故障模式序号 故障模式 说明1 断裂 具有有限几何表面的分离现象。2 碎裂 零件变成许多不规则形状的碎块现象。3 开裂 零件产生的可见缝隙。4 龟裂 零件表面产生的网状裂纹。5 裂纹 在零件表
13、面或内部产生的微小缝隙。6 异常变形 零件在外力的作用下产生超出设计允许的弹、塑性变形的现象。7 点蚀 零件表面由于疲劳产生的点状剥落。8 烧蚀 零件表面因高温局部熔化或改变了金相组织而发生的损坏。9 锈蚀 零件表面因发生化学反应而产生的损坏。10 剥落 零件表面的片状金属块与原基体分离的现象。11 胶合 二个相对运动的金属表面，由于局部粘合产生撕裂的损坏。12 压痕 零件表面产生凹状痕迹。13 拉伤 相对运动的金属表面沿滑动方向形成的伤痕。14 异常磨损 运动零件表面产生的过快的非正常磨损。915 滑扣 螺纹紧固件丧失连接的损坏。常用机械零件典型的故障模式如表 4 所示。表 4：常用机械零件典型的故障模式零件种类 故障模式 故障模式比率或说明齿轮 疲劳断齿 0.328过载断齿 0.195轮齿碎裂 0.043轮毂撕裂 0.046表面疲劳 0.203表面磨损 0.132齿面塑性变形 0.053轴件 断裂 静载断裂、冲击断裂、疲劳断裂、腐蚀断裂异常变形磨损腐蚀 与周围介质发生化学或电化学反应接触疲劳 交变接触应力导致表面剥落弹簧 断裂 疲劳断裂、腐蚀断裂、氢脆、镉脆变形松弛磨损 磨料、疲劳、腐蚀磨损紧固件 断裂 脆性断裂、延滞破坏断裂、腐蚀断裂、高温应力断裂变形滑扣3.3 故障影响分析故障影响分析是 FMEA 的关键。故障影响是指某一故障模式对安全性、战备完好性、任务成功性以及维修
