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现代质量工程-3可靠性设计(63)讲


现代质量工程

制造系统与质量工程研究所 西安交通大学

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五、面向质量的设计—可靠性设计
? ?

最早的可靠性定义是由美国AGREE在1957年的报告中 提出。 1966年美国的MILSTD-721B又较正规的给出了传统的 或经典的可靠性定义:“产品在规定的条件下和规定的 时间内完

成规定功能的能力”。

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五、面向质量的设计—可靠性设计
?

产品的可靠性一般可分为固有可靠性和使用可靠性。
? ?

产品固有可靠性是产品在设计、制造中赋予的,是产品的 一种固有特性,也是产品的开发者可以控制的; 产品使用可靠性则是产品在实际使用过程中表现出的一种 性能的保持能力的特性,它除了考虑固有可靠性的影响因 素之外,还要考虑产品安装、操作使用和维修保障等方面 因素的影响。

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五、面向质量的设计—可靠性设计
?

系统的失效规律
?

早期失效期。发生在产品使用的初期,特别是“磨合”阶 段。其特点是故障发生概率大,但失效率随时间的增加而 迅速下降。故障发生的原因是产品内部存在缺陷和工艺质 量欠佳。设计的主要任务是找出原因,采取措施,使失效 率尽快稳定下来。

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五、面向质量的设计—可靠性设计
?

系统的失效规律
?

偶然失效期是产品的正常工作时期,此时产品的失效是随 机的,失效率基本是一常数。这一阶段的失效是不能预测 的,事前更换元件也是无效的。

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五、面向质量的设计—可靠性设计
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系统的失效规律
?

耗损失效期。耗损失效是由于系统老化、疲劳、耗损所造 成的失效,出现在系统工作的后期,表现为失效率迅速上 升,直至报废。改善损耗失效的方法在于不断提高零部件 的使用寿命,或及时更换即将失效的零部件,从而延长产 品的使用寿命。

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五、面向质量的设计—可靠性设计
?

?

系统可靠性设计目的就是在综合考虑产品的性能、可 靠性、费用和时间等因素的基础上,通过采用相应的 可靠性设计技术,使产品在寿命周期内符合所规定的 可靠性要求。 系统可靠性设计往往是从设计系统的可靠性逻辑框图 入手,建立组成系统的各单元间的可靠性数学模型, 然后进行系统可靠性预测或通过可靠性分配确定每个 功能单元的可靠性指标。在此过程中揭示系统的薄弱 环节,运用可靠性设计技术提高系统的可靠性指标, 保证系统的固有可靠性达到设计要求。

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五、面向质量的设计—可靠性设计
?

系统可靠性主要特征量
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不可维修(失效后无法修复或不修复,仅进行更换)产品
?

可靠度、不可靠度、失效率、失效概率密度、平均寿命和可靠寿 命

?

可维修(发生故障后经修理或更换零件即恢复功能)产品
?

维修度、维修率、维修密度、平均维修时间和可用度等。

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五、面向质量的设计—可靠性设计
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可靠度与不可靠度
? ?

?

通常用R表示可靠度 R(t)称为可靠度函数,它表示在规定的使用条件下和规定的 时间内,无故障地完成规定功能而工作的产品占全部工作 产品的百分比,故其取值范围为[0,1]。 R(t)可靠度可以描述为产品正常工作时间的概率分布

R(t ) ? p{E } ? P(T ? t ) 0 ? t ? ?

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五、面向质量的设计—可靠性设计
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可靠度与不可靠度
?

对于不可修复的产品,可靠度的观测值是指直到规定的时 间,能完成规定功能的产品数与在该区间开始时刻投入工 作的产品数之比。 N为开始时刻投入工作产品数;Ns(t)为 到t时刻完成规定功能产品数;Nf(t)为到t时刻未完成规定功 能产品数
N f (t ) N s (t ) R (t ) ? ? 1? N N

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五、面向质量的设计—可靠性设计
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可靠度与不可靠度
?

不可靠度F ,表示产品在规定的条件下和规定的时间内不 能完成规定功能的概率,因此又称为累积失效概率。累积 失效概率F也是时间t的函数,故又称为累积失效概率密度 函数或不可靠度函数,记为F(t)。

R(t ) ? F (t ) ? 1

F (t ) ? 1 ? R(t ) ? P(T ? t )

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五、面向质量的设计—可靠性设计
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失效概率密度函数
?

失效概率密度函数f(t)是累积失效概率F(t)的导数
f (t ) ? dF (t ) dR(t ) ?? dt dt
t

F (t ) ? ? f (t )dt
0

R(t ) ? 1 ? F (t ) ? 1 ? ? f (t )dt ? ? f (t )dt
0 t

t

?

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五、面向质量的设计—可靠性设计
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失效率
?

失效率(又称故障率,瞬时故障率)是指工作到某时刻t时 尚未失效(发生故障)的产品,在该时刻t以后的下一个单 位时间内发生失效(故障)的概率,其观测值为“在某时 刻t以后的下一个单位时间内失效的产品数与工作到该时刻 尚未失效的产品数之比”。

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五、面向质量的设计—可靠性设计
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平均寿命
?

产品的寿命则是产品无故障工作时间,而平均寿命则是产 品寿命的平均值。

?

对于不可修复产品,其寿命是指它失效前的工作时间。平 均寿命就是指该产品从开始使用到失效前的工作时间(或 工作次数)的平均值,或称为失效前平均时间,记为MTTF (Mean Time To Failure)
1 MTTF ? N ti ? i ?1
N

N为测试产品总数;ti为第i个产品失效前的工作时间
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五、面向质量的设计—可靠性设计
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平均寿命
?

对于可修复产品,其寿命是指相邻两次故障间的工作时间,则其平 均寿命即为平均无故障工作时间或称为平均故障间隔,记为MTBF( Mean Time Between Failures)
N ni

MTBF ?

1 ni ? i ?1
N

t ij ?? i ?1 j ?1

N为测试的产品总数;ni为第i个测试产品的故障数; tij为第i个产品从第j-1次故障到第j次故障的工作时间。

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五、面向质量的设计—可靠性设计
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产品可靠性指标之间的关系
失效概率密度函数 f (t )

? ? E (t ) ? ?0 tf (t )dt

?

MTBF,MTTF

) f (t
失效率? ( t )

??

f (t ) ? (t ) ? ? R(t )

÷

不可靠度函数 F ( t )

R( t)

?e xp [

?

?0

t

(t ) dt ]

可靠度函数 R ( t )

F (t ) ? 1 ? R(t )

f (t) ? F?(t)

? (t)

ex

?0 p[?

t

t] t)d ( ?

?

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五、面向质量的设计—可靠性设计
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常用失效分布函数
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指数分布。在可靠性理论中,指数分布是最基本、最常用 的分布类型 指数分布有一个重要特性,即产品工作了t0时间后,它再 工作t小时的可靠度与已工作过的时间t0无关,而只与时间t 长短有关。

?

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五、面向质量的设计—可靠性设计
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常用失效分布函数
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正态分布。正态分布常用于描述材料的强度、疲劳和机器 的磨损等。由概率论知,只要某个随机变量由大量相互独 立、微小的随机因素的总和所构成,而且每一个随机因素 对总和的影响都很微小,那么,就可断定这个随机变量近 似服从正态分布。

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五、面向质量的设计—可靠性设计
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常用失效分布函数
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对数正态分布。对数正态分布用于由裂痕扩展而引起的失 效分布,如疲劳、腐蚀失效等。此外,也用于恒应力加速 寿命试验后对样品失效时间进行的统计分析。

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五、面向质量的设计—可靠性设计
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常用失效分布函数
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威布尔分布。威布尔分布在可靠性理论中是适用范围铰广 的一种分布,当它的参数不同时,可以蜕化为指数分布、 瑞利分布或正态分布。实践表明,金属材料的疲劳寿命都 服从威布尔分布。

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五、面向质量的设计—可靠性设计
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系统可靠性模型的建立
?

?

系统的可靠性模型是指系统的可靠性结构模型(也称为可 靠性框图)及其数学模型。它是从可靠性角度表示系统各 单元、元件之间的逻辑关系的“概念”模型。 通常将可靠性分为基本可靠性与任务可靠性。
?

?

基本可靠性定义为产品在规定的条件下无故障的工作时间或概率 。基本可靠性模型用来估计产品及其组成单元所需要的维修及保 障要求。 任务可靠性则定义为产品在规定的任务内,完成规定功能的能力 。任务可靠性模型则是用来估计产品在执行任务过程中完成规定 功能的概率,描述完成任务过程中产品各单元的预定作用,用以 度量工作有效性的一种模型。

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五、面向质量的设计—可靠性设计
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系统可靠性框图
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对于复杂产品的一个或一个以上的功能模式,用方框表示 的各组成都分的故障或它们的组合如何导致产品故障的逻 辑图,称为可靠性框图(Reliability Block Diagram,RBD) 系统的工程结构图是表示组成系统的单元之间的物理关系 和工作关系,而可靠性框图则是表示系统的功能与组成系 统的单元之间的可靠性功能关系。可靠性框图与工程结构 图并不完全等价。

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五、面向质量的设计—可靠性设计
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典型系统可靠性模型
? ?

典型系统的可靠性模型有串联系统、并联系统、串并混合 系统、表决系统及复杂系统等多种类型。 串联系统是指系统中只要有一个单元失效就会导致整个系 统失效的系统,或者说只有当系统中所有单元都正常工作 时,系统才能正常工作的系统。
1 2 … … … n

独立串联系统的可靠度等于各单元可靠度的乘积,系统的失效率 等于各单元失效率之和。串联系统的单元越多,系统购可靠性就 越低
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五、面向质量的设计—可靠性设计
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典型系统可靠性模型
?

并联系统。对于n个相互独立的单元组成的并联系统中,只 要有一个单元正常工作,系统就能正常运行;反之,只有 当系统的n个单元全部失效,系统才失效。
1 2


并联系统的不可靠度等于各单元不可靠度的连乘积。





n

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五、面向质量的设计—可靠性设计
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典型系统可靠性模型
?

串并联系统
11 21 n1

12 . . . 1m1

22 . . . . . . 2m2

n2 . . . nmn

由于串并联模型中具有功能冗余单元,因此其系统可靠性 比单纯串联系统可靠性高,但其系统成本也较高。

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五、面向质量的设计—可靠性设计
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典型系统可靠性模型
?

并串联系统
11 12 . . . 1n1

21 . . . m1

22 . . . m2

. . .

2n2 . . .

. . .

mnm

并串联系统的可靠性高于任一子系统的可靠性,其原因 是使用了功能冗余单元。

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五、面向质量的设计—可靠性设计
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典型系统可靠性模型
?

表决系统。在组成系统的n个单元中,如果至少有k个单元 失效,则系统失效,这样的系统称为表决系统或k/n系统。 当k=1时,得到串联模型:而当k=n时,得到并联模型。
1 2

k/n(G)
. . . n

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五、面向质量的设计—可靠性设计

L

L

C

阀1 流入

阀2 流出

2

1

2
1

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五、面向质量的设计—可靠性设计
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系统可靠性预计
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系统可靠性预计是为了估计产品在给定工作条件下的可靠 性而进行的工作,它运用以往的工程经验、故障数据、当 前的技术水平,尤其是以元器件、零部件的失效率为依据 ,预报产品(零部件、子系统或系统)实际可能达到的可 靠度。这是一个由局部到整体、由小到大、由下到上的过 程,是一个综合的过程。

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五、面向质量的设计—可靠性设计
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系统可靠性预计
?

系统的可靠性预计,通常分为早期预计和后期预计。早期 预计用于方案论证等初始设计阶段,有元件计数法、上下 限法、相似设备法、相似功能法等;后期预计用于具体设 计阶段,有数学模型法、应力分析法、布尔真值法、蒙特 卡洛法等。

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五、面向质量的设计—可靠性设计
?

系统可靠性预计
?

?

?

数学模型法就是根据组成系统的各单元间的可靠性数学模 型,按概率运算法则,预测系统的可靠度的方法,它是一 种经典的方法。 性能参数法。该方法的特点是统计了大量相似系统的性能 参数与可靠性的关系,在此基础上进行回归分析,得出一 些经验公式及系数,以便在方案论证及初步设计阶段,能 根据初步确定的系统性能及结构参数预计系统可靠性。 相似产品类比论证法。其基本思想是根据仿制或改型的类 似国内和国外产品已知的失效率,分析两者在组成结构、 使用环境、原材料、元器件水平、制造工艺水平等方面的 差异,通过专家评分给出各修正系数,综合权衡后得出一 个失效率综合修正因子
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五、面向质量的设计—可靠性设计
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系统可靠性分配
?

系统可靠性指标分配是在要求时间、有限的性能和成本等 条件下,根据产品的可靠性指标,制订出组成该产品的元 器件、零部件、组件、部件的可靠性指标的工作过程,即 将产品可靠性质量要求分配到规定的产品层次,从而将整 个系统的可靠性要求转换为每一个分系统或单元的可靠性 要求,使之协调一致。

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五、面向质量的设计—可靠性设计
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系统可靠性分配原则
? ? ? ? ?

对于复杂度高的分系统、设备等,应分配较低的可靠性指 标 对于技术上不成熟的产品,分配较低的可靠性指标 对于处于恶劣环境条件下工作的产品,应分配较低的可靠 性指标 对于需要长期工作的产品,分配较低的可靠性指标 对于重要度高的产品,应分配较高的可靠性指标

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五、面向质量的设计—可靠性设计
?

无约束条件的系统可靠性分配方法
?

AGREE分配法。该方法是以分系统、单元对系统的重要性 和分系统、单元的相对复杂性为基础来进行可靠性指标分 配的。
? ?

所谓重要度是指某个单元发生故障时对系统可靠性的影响程度 所谓复杂度是指某个单元的元器件数与系统总元器件数之比

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五、面向质量的设计—可靠性设计
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无约束条件的系统可靠性分配方法
?

?

评分分配法。当缺乏有关产品的可靠性数据时,可按照几 种因素进行评分,这种评分可以由有经验的工程师用投票 的方法给出。 系统可靠性的再分配法。所设计的系统不能满足规定的可 靠度指标的要求,那么就需要进一步改进原设计以提高其 可靠度,也就是要对各分系统的可靠性指标进行再分配。 可靠度的再分配就是用来解决这个问题的。
?

“可靠度再分配法”的基本思想是:把原来可靠性较低的分系统 的可靠度全部提高到某个值,而对原来可靠度较高的分系统的可 靠度仍保持不变。

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五、面向质量的设计—可靠性设计
?

?

?

?

(1)系统可靠性分配应在研制阶段早期即开始进行,这样可以使设计 人员尽早明确其设计要求,研究实现这个要求的可能性;同时为外购 件及外协件提出可靠性指标提供初步依据以及根据所分配的可靠性要 求估算所需人力和资源等管理信息。 (2)系统可靠性分配应反复多次进行。在方案论证和初步设计工作中 ,分配是较粗略的,经粗略分析后,应与经验数据进行比较、权衡; 也可和不依赖于最初分配的可靠性预计结果相比较,来确定分配的合 理性,并根据需要重新进行分配;随着设计工作的不断深入,可靠性 模型逐步细化,可靠性分配亦须随之反复进行。 (3)为了尽量减少可靠性分配的反复次数,在规定的可靠性指标的基 础上,可考虑留出一定的余量。这种做法为在设计过程中增加新的功 能元件留下了考虑的余地,因而可以避免为适应附加的设计而必须进 行的反复分配。 (4)可靠性分配的主要目的是使各级设计人员明确其可靠性设计目标 ,因此,必须按成熟期规定值(或目标值)进行分配。
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五、面向质量的设计—故障模式影响分析
?

故障模式及影响分析
?

故障模式及影响分析(Failure Mode Effect Analysis, FMEA),是在产品设计过程中,通过对产品各组成单元潜 在的各种故障模式及其对产品功能的影响进行分析,并把 每一个潜在故障模式按它的严酷程度予以分类,提出可以 采取的预防改进措施,以提高产品可靠性的一种设计分析 方法。

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五、面向质量的设计—故障模式影响分析
?

故障模式影响分析
? ?

?
? ? ?

(1)能帮助设计者和决策者从各种方案中选择满足可靠性 要求的最佳方案; (2)保证所有元器件的各种故障模式及影响都经过周密考 虑; (3)能找出对系统故障有重大影响的元器件和故障模式并 分析其影响程度; (4)有助于在设计审议中对有关措施(如冗余措施)、检 测设备等做出客观的评价; (5)能为进一步定量分析提供基础; (6)能为进一步更改产品设计提供资料。

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五、面向质量的设计—故障模式影响分析
?

故障模式及影响分析
?

FMEA有两种基本方法:
?

?

(1)硬件法根据产品的功能对每个故障模式进行评价,并对可 能发生的故障模式及其影响进行分析。当产品可按设计图纸及其 他工程设计资料明确确定时,一般采用硬件法。 (2)功能法认为每个产品可以完成若干功能,而功能可以按输 出分类。当产品构成不能明确确定时(如在产品研制初期,各个 部件的设计上未完成,得不到详细的部件清单、产品原理图及产 品装配图),或当产品的复杂程度要求从自上而下分析时,一般 采用功能法。

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五、面向质量的设计—故障模式影响分析
?

故障模式及影响分析
?

典型的FMEA表:

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五、面向质量的设计—故障模式影响分析
?

FMEA的列表分析法步骤:
?

? ? ?

(1)明确系统组成、任务、功能、工作过程和各种工作方 法及其使用环境;明确系统可能失效的全部故障(失效) 模式,并对系统故障(失效)进行分类、分级。 (2)画出可靠性结构框图。这种框图自系统、子系统一直 往下面,逐级细分。 (3)列出所有元器件、零部件的各种失效形式(模式)。 (4)填写失效模式影响分析表。

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五、面向质量的设计—故障模式影响分析
?

设计FMEA
?

?

?

?

设计FMEA是在最初生产阶段之前,确定产品潜在的或已知 的故障模式。设计FMEA关注的是由于设计缺陷产生的故障 模式。 设计FMEA通常通过部件、分系统、系统等一系列步骤来完 成。设计FMEA是一种动态的演绎过程,应用各种方法和技 术来产生有效的设计输出,其结果将作为过程或组件以及 服务FMEA的输入。 关心的问题:尽量降低设计故障影响 目的:尽量提高设计质量、可靠性、价值和维修性

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五、面向质量的设计—故障模式影响分析

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五、面向质量的设计—故障模式影响分析

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五、面向质量的设计—故障模式影响分析
?

过程FMEA
? ?

?
?

在生产和组装的过程中进行分析。过程FMEA关注的是由于 生产或者组装缺陷而产生的故障模式。 过程FMEA通常通过人、机料、法、环考虑一系列步骤来完 成。 关心的问题:在所有过程中,使过程故障的数量达到最小 。 目的:尽量提高过程质量、可靠性、价值、维修性和生产 效率。

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五、面向质量的设计—故障模式影响分析

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五、面向质量的设计—故障模式影响分析
?

过程FMEA

系统FMEA的故障模式为设计FMEA和过程FMEA提供了所有的基本信息。 系统FMEA的故障原因会转变为设计FMEA的故障模式,而设计FMEA中的故 障模式相应的故障原因最终转变为过程FMEA中的故障模式
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五、面向质量的设计—故障模式影响分析
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过程FMEA

在过程FMEA中,通常需要迭代确定原因
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五、面向质量的设计—故障模式影响分析
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危害性分析
?

?

危害性分析(Critically Analysis,以下简称CA)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的故障模式 的影响。 危害性分析有定性分析和定量分析两种方法。定性分析是 绘制危害性矩阵;定量分析是计算故障模式危害度Cm和产 品危害度Cr,并填写危害性分析表。

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五、面向质量的设计—故障模式影响分析
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危害性分析
?

?

?

定性分析方法。在得不到产品技术状态数据或故障率数据 的情况下,可以按故障模式发生的概率来评价FMEA中确定 的故障模式,将各故障模式的发生概率按规定分成不同的 等级。 所谓危害性矩阵,就是横坐标为严酷度类别,纵坐标为故 障模式发生概率等级或危害度的矩阵图。通过绘制危害性 矩阵,可以确定和比较每一种故障模式的危害程度,进而 为确定改进措施的先后顺序提供依据。 定量分析方法。在具备产品的技术状态数据和故障数据的 情况下,采用定量的方法,可以得到更为有效的分析结果 。

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五、面向质量的设计—故障模式影响分析
?

危害性分析

危害性分析表

C mj ? ? p? j ? j t

C r ? ? C mj ?? ? p? j ? j t
j ?1 j ?1

n

n

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五、面向质量的设计—故障模式影响分析
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FMEA和QFD关系
?

?

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。 QFD必须在FMEA之前进行,FMEA则在QFD工作输出基础上展 开。

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五、面向质量的设计—故障模式影响分析
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故障树分析(FTA)
? ?

?

故障树分析是1961年由贝尔电话公司最先提出。 故障树分析是一种根据系统可能发生的事故或已经发生的 事故结果,去寻找与该事故发生有关的原因、条件和规律 ,同时可以辨识出系统中可能导致事故发生的危险源。 故障树分析是一种严密的逻辑过程分析,分析中所涉及到 的各种事件、原因及其相互关系,需要运用一定的符号予 以表达。故障树分析所用符号有三类,即事件符号,逻辑 门符号,转移符号。

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五、面向质量的设计—故障模式影响分析
?

故障树分析(FTA)
?

故障树的事件符号
? ?

? ?

矩形符号,它表示顶上事件或中间事件,也就是需要往下分析的 事件。将事件扼要记入矩形方框内。 圆形符号,它表示基本原因事件,或称基本事件。它可以是人的 差错,也可以是机械、元件的故障,或环境不良因素等。它表示 最基本的、不能继续再往下分析的事件。 屋形符号,主要用于表示正常事件,是系统正常状态下发生的正 常事件。 菱形符号,它表示省略事件,主要用于表示不必进一步剖析的事 件和由于信息不足,不能进一步分析的事件。

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五、面向质量的设计—故障模式影响分析
?

故障树分析(FTA)
?

故障树转移符号
? ?

转入符号。表示转入上面以对应的字母或数字标注的子故障树部 分符号 转出符号。表示该部分故障树由此转出

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A1―形成混合气;A2―遇火源 A3―液态烃泄漏;A4―未报警; A5―静电火花;A6―附近有机动车 通行;A7―罐爆裂;A8―静电未消 除;A9―罐超压;A10―安全阀未 起作用;A11―未报警;A12―未报 警;A13―无显示;A14―液面未显 示;A15―压力无显示 X1―烟头未掐灭;X2―阀门泄漏 ;X3―法兰垫片断裂;X4―报警器 故障;X5―无报警器;X6―收油或 油排入事故罐过快;X7―未安装阻 火器;X8―阻火器故障;X9―无接 地线;X10―接地线断开;X11―收 油过量;X12―安全阀下部阀门未 开;X13―安全阀故障;X14―无报 警器;X15―报警器故障;X16―液 面计上下阀门未开;X17―液面计 故障;X18―无液面计;X19―无压 力表;X20―压力表故障。

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现代质量工程

制造系统与质量工程研究所 西安交通大学

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