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FMEA和其他工具之间的关系

2021-11-22 17:36:24
失效模式与影响分析即“潜在失效模式及后果分析”,或简称为FMEA。FMEA是在产品设计阶段和过程设计阶段,对构成产品的子系统、零件,对构成过程的各个工序逐一进行分析,找出所有潜在的失效模式,并分析其可能的后果,从而预先采取必要的措施,以提高产品的质量和可靠性的一种系统化的活动。那么FMEA和其他工具之间的关系是什么样的呢?小编整理了一篇关于失效模式与影响分析和其他工具之间的关系的文章:

 

故障树分析(FTA)

 

FTA是应用于可靠性和安全性分析的一种演绎技术,通常用在复杂动态系统中。

 

FTA是1961年由贝尔电话公司最先提出的,后来波音公司对FTA的概念进行修改,形成了今天的FTA定义,FTA已在各行业和领域得到广泛应用。

 

FTA是一种模型,它通过逻辑和图形化方式代表各种可能导致不希望发生的顶事件的事件组合,这些事件包含系统中非正常和正常事件。FTA通过树的形式表示单个不希望发生事件(故障)和各种原因之间的因果关系。故障树通过使用标准逻辑符号标识从树顶端的单个故障到故障树底部各种根原因之间的逻辑关系。

 

在建立故障树和确认根原因后,需要制定相应纠正措施以防止和控制这些原因的发生。通常要研究不希望发生事件的发生概率。

 

FTA主要是针对FMEA工作进行的补充。通常FTA的应用一般是在系统或子系统级下进行,目的在于确定产生故障的根本原因以及各原因之间的关系。使用FTA的益处是:

  • 协助进行可视化分析;

  • 协助确定更高层组件或系统的可靠性;

  • 确定每一个根原因的发生概率;

  • 提供安全需求准则的书面论证依据;

  • 评估设计变更和替换所带来的影响;

  • 提供有选择的定性或定量可靠性分析;

  • 为分析人员在某时刻关注某特定系统故障提供条件;

  • 为设计人员洞察系统内部行为创造条件;

  • 隔离严重危害安全的故障;

  • 确定导致事故的产品故障。

 

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图2.7和图2.8表示FTA使用的一些元素和符号。图2.9表示了FTA怎样和FMEA配合使用,图2.10为FTA图的示例。

 

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建立FTA的一般法则

 

建立故障树时,为了方便管理,分析范围需要适当缩小。构建故障树可以通过系统或设备的可靠性框图等协助完成,可以为每一框图绘制独立的故障树,相反,也可以为每一框图构建成功树,以便能够更好地确定为了成功实现该功能必须做什么。

 

所以,一旦定义了顶“故障事件”,产品开发部门或FMEA团队可以按照以下列步骤恰当地分析和构建故障树。

 

步骤1:定义系统以及所有在分析过程中采用的假设,同时也定义是什么因素(指功能上的限制、参数漂移等等)的共同作用产生了故障。

步骤2:如果需要简化分析范围,可以先绘制简单的系统框图,并标明输人、输出和接口。

步骤3:确定并列出需要进行分析的顶故障事件。如果需要,针对每一顶层事件创建独立故障树,这取决于怎样定义顶层事件以及事件特性或者研究范围。

步骤4:利用上节说明的故障树符号和“逻辑树格式”,表述出所有产生顶层事件的原因。换言之,使用演绎推理法,确定能激发顶事件发生的事件。

步骤5:把步骤4中的故障原因看成中间状态的故障影响,继续构建故障树,为这些故障影响找到故障原因。

步骤6:继续构建故障树,直至分析到所需要的最底层次,通常情况下是典型的或不能继续再分的事件。

步骤7:一旦构建故障树完毕,为了理解故障之间的逻辑和各种故障路径之间的相互关系,需要对这些产品独特的故障模式进行内部研究,对故障树进行分析。主要针对发生概率大的故障。

步骤8:确定需要进行纠正措施或设计改进的地方,消除故障发生路径,或者确定可以控制故障发生的措施。

步骤9:记录分析过程和后续工作,确保已采取了适当的措施。

 

一旦在故障树中配置了正确的逻辑门、符号和事件后,下一步分析则相对复杂,包含计算顶事件的发生概率。为了做到这一点,必须知道最底层事件的发生概率。

概率公式为

P(系统故障)=1-{[1-p(1)][1-p(2)][1-p(3)]}

式中,p()代表事件的发生概率。

 

当底事件发生概率确定后,顶事件发生概率可以通过布尔概率代数计算得到。通常借助计算机辅助软件进行计算,这会使得计算更加方便。另一种计算顶事件发生概率的方法是把故障树转化成等同的可靠性框图,再进行计算。

 

当使用故障树进行转化时,或门相当于可靠性框图中的串联模型,与门相当于可靠性框图中的并联模型。系统的可靠度公式为

Rsys = R1× R2 × R3

式中,R1=元素1的可靠度=1-P(元素1故障),Rsys=系统的可靠度=1-P(系统故障)。

 

从另一方面看,P(系统故障)=P(1)xP(2)×P(3);其中P()为事件发生的概率。

对于并联的可靠性框图而言,我们知道可靠度公式为

Rsys = 1-[(1-R1)(1 -R2)(1 -R3)]

式中,R1=单元1的可靠度=1-P(单元1故障),Rsys=系统可靠度=1-P(系统故障)。

下面这个例子印证了这个规律:

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使用并联系统的可靠度公式为

Rsys=[(1-R3)(1-R1×R2)]

式中,Rsys=单元1和2串联时的可靠度。

所以,

Rsys=1-[(I -Rs)(1 -R:x R3)]=

1-[(1-0.99)(1-(0.999)(0.998))|=

1-[(0.01)(1-0.997 002)]=

1-1(0.01)(0.002 998)1=

1 -0.000 029 98=

0.999 97002

引擎损伤的概率P(D)=l-Rsys=0.00002998≈0.0003。

 

另一方面,使用可靠性框图,也可以得到相同的答案:

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R1=1-0.001=0.009,R2=1-0.002=0.998,Rg=1-0.01=0.099,所以

Rsys=0.999 97。

P(D)=故障的概率=1-Rsys-0.00003。

使用可靠性框图的方法得到系统可靠性为Rsys=0.99997。因此由于油压不足对引擎产生的潜在损伤概率为:

P(D)=故障的概率=1-Rsys=0.00003

答案和使用故障树计算结果一致。

可以发现这种分析方法有助于产品开发人员和FMEA团队确定:

  • 不期望发生的顶事件所有可能性;

  • 最有可能导致顶事件发生的输人事件组合;

  • 在整个组合事件中影响最大的单个事件;

  • 确定最有可能引发顶事件的路径,并采取相应的冗余设计或重新设计,从而提高系统可靠性。

 

对于FTA来说,最后需要论述的是成功树概念。成功树是对故障树的补充,能协助提高系统健壮性。FTA主要用来发现可能发生的故障原因。相反,如果希望设计实现理想的功能,需要通过成功树描述各种关系,成功树是故障树的补充或对偶,它关注于若要成功树的顶事件发生需要做些什么。

 

所以故障树与成功树之间的转换关系是:把所有的或门和与门互换。(适当地重新描述各方框[把失效改为成功])和故障树一样,成功树也使用相同的关系描述方法和逻辑符号。

 

成功树/可靠性框图的关系是针对系统成功得来的,串联的可靠性框图需要方框1、方框2和方框3都成功。所以,成功树中的与门相当于串联的可靠性框图,成功树中的或门相当于并联可靠性框图。

 

成功树的优点在于能和故障树采用一样的过程,并有助于定量地预计系统可靠性。成功树中顶事件的发生度就是事件成功概率,也就是可靠度R。正因如此,成功树也被当作一种可靠性预计模型来使用。

 

如果针对一项产品及其各种成功的原因定义了成功树,那么产品的可靠度可以通过计算顶事件的发生度求得。

 

任务分析

 

在系统定义和分配之后,需要确定和分析系统的任务。任务分析需要定义如下内容:

  • 引发任务的因素;

  • 执行任务所使用的设备;

  • 任务的反馈;

  • 人员需要做出的响应;

  • 任务输出的特性,包括性能要求。

 

过程流程图

 

过程流程图针对每个过程,通过使用标准符号,描述过程和人员之间的操作序列流程。符号如下:

 

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过程流程图主要在过程FMEA和服务FMEA中使用。

 

功能流程图或框图

 

框图用于说明物理或功能关系,以及需要分析的系统和部件之间的接口关系。

 

它以图形化方式描述了系统的设计机制、串-并联关系、系统的功能层次以及接口。

 

在FMEA中使用的框图类型有:

  • 系统框图——用于描述子系统和主要组件之间的关系;

  • 细节框图——用于描述组件或子系统中,各零部件间的关系;

  • 可靠性框图——用于表示主要组件、子系统或者零件在完成功能时的一系列依赖或不依赖关系。

 

框图不能描述FMEA所需要考虑的所有功能关系。作为描述语言,框图应该尽量简单和明确。在图2.11中列出了框图和逻辑图的示例。

 

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系统等级图(System level diagrams)用于描述由多个部件或者子系统组成的组件或系统。细节图(Detail level diagrams)用于定义逻辑流程,以及描述单个组件或任务之间的关系。

 

可靠性等级图(Reliability level diagrams)从系统的角度描述完成相应功能的系统或组件之间的依赖关系(Ccncral Motors公司1998),也用来预计特定操作或使用阶段完成任务的成功概率。

 

框架图,布局图,原理图

 

这些图用于说明产品或过程计划怎样实施(General Motons公司1998),绘制这些图的目的是增加分析团队对系统的理解。使用这些信息会对系统有更客观的认识,比如:

  • 尺寸或范围——对组件大小和过程操作的相关估计;

  • 涉及的整个空间——和整个系统的协调性,特别关注与可达性和服务性相关的信息;

  • 零部件数量——指螺栓、螺母等等的数量,或者在操作中工具的数量。

 

图2.12、图2.13、图2.14分别是原理图、功能图和框架图的示例。

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需求和可行性分析

 

可行性分析是基本市场分析的一部分或扩展:

  • 定义系统运行要求;

  • 确定系统维护概念;

  • 确定在当前技术和资源条件下系统配置的可行性。

可行性分析采用产品设计和过程故障模式影响分析作为基本工具(Fond公司1992,2000)。

 

故障模式分析

 

FMA是把故障模式、故障率和未知故障根本原因定量化的系统方法。FMA通常基于保修、服务、外场和过程的历史数据(Omdahl 1998)开展。某种意义上,FMA是一种诊断工具,因为其本身只关注已知或发生的故障。

 

FMA用于确定已存的硬件或过程中的操作、故障模式、故障率和关键设计参数。因为能够利用历史数据和已知故障,FMA主要应用对象是当前的产品,而不像FMEA应用对象是有变化或新的设计、过程和服务。

 

故障模式分析((FMA)和FMEA分析的对象都是故障模式和原因。但通常先做FMA,由它获得的信息将用于FMEA。

 

控制计划

 

控制计划是生产者针对特定的过程、产品和服务制定的质量计划行为的书面总结。控制计划列出了所有影响用户满意程度和需要采取特别质量计划行为的过程参数和设计特性(Chrysler公司1986;Ford公司1992,2000;General Motors公司1988;IS0/TS19649;AIAG200l)。在控制计划中,规定了对异常情况的反应能力和采取的行动,使过程始终处于供方和客户之间都承认的统计控制状态下。

 

FMEA用于确认具有显著危害性的特征,所以作为工作的开始,必须先指定控制计划。典型的控制计划一般包含:

  • 具有显著危害性的特性清单;

  • 样本大小和评估频率;

  • 评估方法;

  • 反应和纠正措施。

 

图2.15和图2.16表示了不同控制计划格式的区别。

 

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过程潜能研究(PPS)

 

PPS是新产品初期的试验部分,由执行控制计划组成,控制计划通过过程定义和统计能力评估产生。如果不能达到期望的能力,则应就控制计划中的更改部分达成一致意见,并且不断重复研究:PPS一般包含确定最优过程参数的试验设计。

 

故障模式及危害性分析(FMECA)

 

FMECA是从危害性的角度对故障模式、故障率和根本原因进行定量分析的系统方法,和FMEA有很多相似之处(Bass 1986)。FMCA主要结合基于MIL-STD-1629A标准的官方文件一起使用,在该标准中确定了危险的、主要的和非主要特性。

 

FMECA的一个最重要的作用就是关注故障模式的危害性,并能标识单点故障模式。单点故障模式是指那些直接导致事故的人为差错或硬件故障(Motonla1992)。

 

安全风险分析,故障危害分析,

操作危害分析,初步危害分析。

 

这些方法是用来定义产品和系统与用户之间的操作及运输过程中的危害。所有这些分析是对FMEA的补充,且不能取FMEA(Bassl986)。

 

试验设计(DOE)

 

DOE是进行试验或研究时十分重要的手段。那些相互独立的变量被修改为预先定义的计划,并且根据这些相互联系的变量确定相应的影响(Stamatis 1991,2003)。

 

DOE用于可靠性试验中,用来确定导致不期望事件的主要因素。当需要考虑几个相互独立变量或几个相互作用的因素时,这是DOE在FMEA应用中的最佳时机。

 

在试验过程中,采用出口方法还是传统的方法一直都有争议。作者认为,在产品开发和生产的早期阶段,田口方法具有较高的效率,而且和传统方法相比,具有一定的正确性。在设计和过程阶段,需要提出更加精确的评估要求时,应该采用传统的试验方法。从FMEA的角度来讲,这2种方法不会有太多的区别,对FMEA的分析结果不会有很大的影响。

 

质量功能展开(QFD)

 

QFD是系统的分析方法,它把各个部分根据用户的要求统筹进行考虑(采取计划的方式)。通过QFD把用户的声音正确地反映成用户的需求和期望。

 

通过把特定的目标制定成计划过程,QFD有助于确定薄弱环节,并倡导综合的、整体的产品开发方法(Clausing and Simpson 1990;Stanatis 1990,2003)。

 

应用QFD能够带来下列益处。

战略上:

  • 降低成本:

  • 减少工程变更;

  • 缩短周期时间;

  • 扩大市场份额;

  • 减少过程变更。

运作上:

  • 能够更好地结合其他质量技术;

  • 加强交流;

  • 确认冲突需求;

  • 信息储备。

 

QFD是一种能够表述出用户需求、零件特性、生产操作和产品需求的工具。每一步都具有相关性,并通过质量屋进行跟踪,直到解决所有关注的问题。

 

QFD和FMEA有很多相同点。它们的目标都在于持续的改进;它们关注的焦点都在于消除故障;它们都是为了提高用户的满意程度而努力。

因为QFD和FMEA的交迭关系,有人可能会认为它们可相可替换,但这是不对的。QFD必须在FMEA之前进行,FMEA则在QFD的工作输出基础上展开。

 

图2.17、图2.18和图2.19说明了FMEA和QFD的关系。特别的,图2.17说明了QFD是怎样推动计划的实施。图2.18是对QFD不同阶段的说明。图2.19是对产品计划矩阵的说明。以所有操作评估作为指导,团队将确定其中最适合实施FMEA的一个。在这个例子中,是对零件的位置、校正模以及撞击角压力进行的过程FMEA分析。该原理也适用于设计FMEA。

 

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集体讨论(头脑风暴),因果关系图,Kepnor和Tregoe方法

 

这些技术可作为FMEA过程中确定根本原因方法的补充。Kepnor和Tregoe方法被认为是“是”和“不是”的方法。