FMECA：对于装备通用质量特点的浸染分析

关键词： 故障模式影响及危害性剖析；可靠性；安全性；维修性；测试性；保障性；环境适应性

0 弁言

故障模式、 影响及危害性剖析技能（FMECA：Failure Mode Effects and Critically Analysis） 包括两部分：故障模式与影响剖析（FMEA：Failure Mode and Effects Analysis） 和危害性剖析（CA：Critrcality Analysis）。

FMEA 是指剖析装备中每一个可能的故障模式， 并确定其对该装备和上层装备所产生的影响， 以及把一个故障模式按其影响的严重程度予以分类的一种剖析技能。
FMECA 是指同时考虑故障发生概率与故障危害程度的FMEA[1]。

自从1950 年代美国提出将FMEA 方法运用于翱翔掌握系统取获胜利以来[2]， FMEA/FMECA 首先在航空航天领域得到了运用， 随后迅速扩展到电子工业、 汽车工业等各个领域， 国际、 海内的订定了相应标准[1，3-5]。

但是， FMEA/FMECA 在实际进行时存在一些困难， 例如：

1） 各干系方关于FMECA 对质量担保的主要性认识不足， 而且FMECA 剖析结果的浸染发挥得也不充分， 致使其事情的代价没有得到充分的表示；

2） 由于FMECA 采取自底向上的事情办法， 须要剖析每一种装备或装备组成部分的各种故障模式， 参与职员多，事情量大， 因而其成为了一项劳动密集型任务， 而且不可避免地需占用科研周期。

由于以上缘故原由， 当面对须要大量的人力投入和需占用研制周期时， 对付非逼迫哀求进行FMECA 的装备研制， 每每不系统地开展FMECA 事情。
而由于缺少全面的FMECA作为支撑， 许多质量担保事情难以有效开展。

本文详细地剖析了FMECA 对付装备的各种通用质量特性的浸染， 指出了对付装备特殊是繁芜装备系统全面地开展FMECA 事情的必要性。

1 FMECA 的事理剖析1.1 FMECA 的目的

FMEA 通过将装备或过程分解为一组要素， 对付每个要素， 识别并剖析其故障模式及影响。
通过肃清其不利影响或者降落其发生的可能性或严厉度， 来确定该当进行哪些改进。
增加CA， 目的是为了确定对故障模式采纳应对方法时的优先顺序[3]。

FMEA 或FMECA 作为一种通用的剖析方法， 既可用于各层级产品， 也可用于过程。
根据浸染的工具， 可以把FMECA 进一步分为 功能FMECA、 硬 件FMECA、 软件FMECA、 过程FMECA 和工艺FMECA 等表现形式。
在装备寿命周期的各个阶段， FMECA 方法均可发挥浸染[4]。
例如：在论证与方案阶段， 通过开展功能FMECA， 可以为产品功能设计的改进， 以及在多种方案中择优供应依据；在工程研制与定型阶段， 可以为硬件、 软件、 生产工艺、 生存性和易损性设计的改进供应依据；在生产阶段， 可以为装备生产工艺的改进供应依据；在利用阶段， 可以为提高装备的利用可靠性， 进行装备的改进、 改型、 新装备的研制和利用维修决策供应依据。

1.2 紧张事情及流程

以下将以硬件FMECA 为例， 先容其事情流程及各个步骤的紧张事情。
事情流程如图1 所示[4]， 详细内容如下所述。

1.2.1 系统定义

图1 硬件FMECA 的步骤

作为全体FMECA 的根本， 它明确待剖析的产品并规定其边界或者范围。
剖析产品的紧张功能、 事情办法和组成；绘制功能框图， 描述各个组成部分所承担的任务或功能间的相互关系， 以及每个约定层次间的功能逻辑顺序、数据（信息） 流和接口。
绘制任务可靠性框图， 描述产品整体可靠性与其组成部分的可靠性之间的关系。
如果产品具有多项任务或多个事情模式， 则应分别建立相应的任务可靠性框图。

产品是分层次的， 例如：从上到下可以分为系统、 分系统、 设备、 分机或板卡、 模块和元器件等。
须要规定FMECA 事情的约定层次、 最低约定层次和初始约定层次。
约定层次是指当前组织履行的FMECA 产品的层次， 例如某设备；最低约定层次是指哀求最低从哪一装备层次开始进行剖析， 例如某模块；初始约定层次是指当考虑故障造成的影响或危害时所关注的装备层次， 例如某系统。

1.2.2 故障模式剖析

故障模式是指故障的表现形式。
例如：短路、 开路、断裂和过度消耗等[1]。

采取自底向上的事情办法， 从最低约定层次的每一种产品开始进行故障模式的识别。
根据产品的特点， 确定其所有可能的故障模式。

1.2.3 故障缘故原由剖析

故障缘故原由是指引起故障的设计、 制造、 利用和维修等有关成分[1]。

剖析每一种故障模式的缘故原由， 是为了剖析可能的预防或纠正方法。
导致故障发生的缘故原由一样平常来自两个方面：1）产品自身存在设计、 制造等方面的毛病， 或由于物理、 化学或生物等的变革过程而导致的故障；2） 来自于外部成分， 例如其他产品故障以及利用、 环境或人为成分等导致故障。

须要把稳的是， 下一约定层次产品的故障模式， 每每是上一约定层次产品的故障缘故原由。
因此， 不同约定层次产品的FMECA 是相互联系的而不是伶仃的。
其余， 当同一故障模式存在多种故障缘故原由时应全部列出。

1.2.4 故障影响及严厉度剖析

故障影响是指故障模式对产品的利用、 功能或状态所导致的结果[1]。
严厉度（severity） 是指故障模式所产生后果的严重程度[4]。

由于FMECA 的终极目的是为了剖析初始约定层次的装备的可靠性， 因此， 在每个层次进行故障模式影响剖析时， 不但是剖析故障模式给所剖析的产品自身可能造成的影响（局部影响）， 还要剖析对上一约定层次造成的影响（高一层次影响） 和对初始约定层次造成的影响（终极影响）， 进而根据终极影响有可能造成的最坏后果的严重程度确定严厉种别。
严厉度种别常日分为4 个种别， I 类：灾害的；II 类：致命的；III 类：中等的；IV 类：轻度的。

1.2.5 故障检测方法剖析

故障检测方法是指在故障发生时检测故障的方法， 例如：机内测试（BIT）、 声光电告警或自动感应装置等基本检测方法。

1.2.6 设计改进方法剖析

紧张针对高严厉度（例如开展FMEA 时严厉度为I 类、II 类） 或高风险（例如开展FMECA 时风险指数为1～9） 的故障模式， 在确定设计方案时， 根据故障缘故原由， 从设计、工艺、 元器件或材料选型、 试验和质量掌握等方面， 采纳降落故障发生的可能性或减轻故障后果的预防或纠正方法。

1.2.7 利用补偿方法剖析

利用补偿方法是指对付采纳设计改进方法后， 仍不能避免或减少故障对系统的影响时， 应在系统设计中采纳的方法或操作行为， 例如：冗余、 保险装置、 利用备用设备或系统、 维修和人工切换事情办法等。

1.2.8 危害性剖析

危害性（criticality） 是指对每个故障发生的概率及其危害程度的综合度量。
进行CA 的目的是通过对每一个故障模式进行危害性分类， 从而全面评价所有可能涌现的故障模式的影响。
CA 是在FMEA 的根本上开展的， 常日其工具是严厉度为I 类和II 类的故障模式。

进行CA 的方法， 分为定性法和定量法两种[5]。

a） 定性法

一样平常在元器件或产品的故障率数据不能利用时， 用故障模式发生的频度来表示故障模式发生的可能性， 结合故障FMEA 中得到的故障模式的严厉度， 综合确定该故障模式的危害性等级。
例如：在风险优先数法中， 将对付故障模式发生频度的定性描述， 如“非常高、 高、 中等、 较低、极低”， 进一步评分（OPR）， 对故障模式严厉度进行评分（ESR）， OPR 与ESR 的乘积即为该故障模式的风险优先数（RPN）。
对装备的故障模式的RPN 进行排序， 确定对故障模式采纳方法的优先顺序， 以及确定某些故障模式是否可接管。

b） 定量法

当有充分的故障率数据、 故障模式分布数据可用时，可通过确定的故障模式分布频数比、 故障影响概率和故障率数据， 来打算每一个故障模式的危害度值， 打算产品的危害度值。

2 FMECA 对通用质量特性的担保浸染

除了装备的功能性会影响其可用性外， 通用质量特性同样对担保装备的可用性起着重要的浸染。
通用质量特性包括可靠性、 维修性、 保障性、 测试性、 安全性和环境适应性， 简称为“六性”。
FMECA 作为一种有效的可靠性剖析方法， 不仅对付可靠性的提高与担保具有不可或缺的浸染， 对付其他通用质量特性的担保， 由于其能够直接地或间接地供应信息或数据， 因而同样具有主要的代价， 详细剖析如下所述。

2.1 对可靠性的浸染

FMECA 采取自底向上的办法， 按照产品层次逐层剖析识别故障模式， 剖析造成故障的根本缘故原由， 剖析故障模式对局部、 对上层和对终极系统造成的影响及危害性， 对付担保装备的可靠性而言是一项必不可少的根本事情。
例如：FMECA 对付可靠性具有以下浸染。

a） 找出产品在设计、 加工制造和工艺中存在的薄弱环节， 并提出改进方法， 从而提高装备的可靠性。
因此，FMECA 过程本身， 便是对装备可靠性的提升过程。

b） 确定可靠性关键产品（或产品的组成部分）。
确定和掌握其故障对产品有重大影响的产品， 以及繁芜性高、新技能含量高或用度昂贵的产品[6]。
对列入可靠性关键产品清单的产品， 专门提出掌握方法和试验哀求， 履行重点掌握。

c） 通过FMECA 识别出改进方法（包括预防方法、 纠正方法）， 利用补偿方法， 可以降落故障发生的概率， 或者缩短故障持续韶光， 或者减轻故障造成的危害， 提高装备的可靠性。

d） 及时的、 透彻的FMECA， 可使得装备的可靠性估量更加准确。

e） 基于FMECA 剖析结果， 可以提高可靠性试验的效率和有效性。
例如：基于待试验产品的故障模式和故障缘故原由， 可以采取事宜压缩或韶光压缩办法[7]， 设计出节省试验韶光的可靠性加速试验方法。

f） 在生命周期的各个阶段， 产品发生故障后运行故障报告、 剖析和纠正方法系统（FRACAS） 或技能归零时，FEMCA 剖析结果可以为故障树剖析 （FTA） 供应支撑。
FTA 是一种自顶向下的剖析技能。
FMECA 供应了从最低产品层次向最高产品层次故障模式缘故原由与影响效果的通报，FTA 自顶事宜向下逐级递进展开剖析时， 可以利用FMECA的故障模式， 并且进行故障排查时， 可以按照FMECA 的剖析识别的发生概率， 优先从浩瀚故障模式中选择发生可能性大的故障模式；进一步地， 进行问题复现、 改进效果验证时， 可利用FMECA 识别的检测方法信息确定检测方法；故障定位后采纳纠正方法时， 针对FMECA 识别的根本缘故原由采纳方法， 以担保方法的有效性。

2.2 对维修性的浸染

开展装备维修性事情是为了确保研制、 生产或改型的装备达到规定的维修性哀求， 以提高装备的无缺性和任务成功性， 减少维修人力及其他维修保障资源哀求[9]。

维修工程师进行例行的和预防的维修性剖析， 以延长系统的事情韶光。
无论例行的， 还是预防性的维修任务的剖析方法， 都因此FMECA 结果作为基本的输入[8]。
维修性关注的是装备可能发生的故障， 以及故障可能造成的影响或危害， 而这正是FMECA 的剖析结果。

FMECA 供应产品的故障条件、 故障影响的严厉度、 故障检测方法（如果有的话） 和故障缘故原由， 都为合理安排维修操持供应了依据， 既能担保装备的可用性， 又要兼顾维修本钱及维修韶光。

根据FMECA 报告， 针对一些具有高严厉度等级但是又没有检测方法的故障（称为隐蔽故障）， 作为维修事情的组成部分， 可以安排一些定期考验， 预防故障的发生。

其余， 在进行维修性验证明验时， 一样平常仅靠试验期间恰好自然发生的故障， 不能知足试验所需的故障样本量哀求， 须要仿照故障。
这时， FMECA 结果中故障模式及其相对发生频率， 成为故障仿照及抽样的依据。

2.3 对保障性的浸染

FMECA 报告中的检测方法字段， 表示了故障模式的检测定位办法是由操作职员还是由维修职员来履行的。
作为故障模式的补偿方法， FMECA 还可以提出一些任务前/任务后的检讨哀求。

据此， 保障工程师利用FMECA 结果， 可以准备故障检讨清单， 实行任务前/实行任务后检讨事情， 科学合理地安排装备维修所需的备品备件等。

2.4 对测试性的浸染

测试性是指装备能及时、 准确地确定其状态（可事情、 不可事情或性能低落程度）， 并隔离其内部故障的一种设计特性[10]。
FMECA 可识别出可能的故障模式， 以及该故障模式能否被检测， 并进一步地给出用什么方法检测。
一旦故障被检测到， 进行故障隔离， 可将故障定位到规定的范围。

装备的测试性关注的是故障， 紧张通过故障检测率（FDR） 和故障隔离率（FIR） 两个指标来表示。

FDR 是指用规定的方法精确检测到的故障总数与故障总数之比， 用百分数表示。
FIR 是指用规定的方法将检测到的故障精确隔离到不大于规定模糊度的故障数与检测到的故障数之比， 用百分数表示。
FDR 和FIR 通过FMECA 的“故障检测方法” 和“故障率” 栏来打算。

装备测试性包括测试性设计、 测试性核查、 测试性验证明验和测试性剖析评价等事情， 均以FMECA 结果为根本。

其余， 在进行FMECA 时， 已经识别并形成隐蔽故障（dormant failure） 列表。
测试性设计师该当根据装备的测试性哀求， 综合考虑技能可行性、 经济本钱、 故障模式发生可能性、 影响及危害性等成分， 确定是否须要对特定故障模式增加检测和隔离手段。

2.5 对安全性的浸染

装备安全性识别潜在危险， 采纳方法防止危险的发生， 或者降落危险可能带来的危害。
采取FMECA、 FTA 等方法， 结合以往事故信息和相似装备的履历教训， 综合考虑硬件、 软件、 环境及利用与维修等成分， 识别装备在全寿命周期中可能存在的危险。
只有识别了危险， 才能采纳相应的方法。

当对某种不期望发生的事宜（如以往类似装备发生的事件） 进行剖析时， 每每采取FTA 方法。
FMECA 以一种自底向上的办法进行， 为完成FTA 供应必要的定量的与定性的数据。
可以对FMECA 识别的故障按照其对特定层级装备的影响进行分组， 以此检讨FTA 是否覆盖了各种故障模式。

其余， 应从安全性角度对FMECA 结果中的隐蔽故障清单进行审查。
应根据装备所属行业、 用场和故障可能造成的后果等， 按照安全法规的哀求或者详细装备的安全性设计哀求， 在装备设计时尽可能地避免不可检测的故障。

2.6 对环境适应性的浸染

为了验证装备在其寿命周期内估量可能碰着的各种环境的浸染下能实现其所有预定功能和性能， 须要进行环境适应性试验。
试验时， 须要对受试品进行功能性能和事情状态等检测或监视， FMECA 识别的故障模式及相应的检测方法， 可为这种检测或监视的完备性评价供应支撑。

其余， 当各种环境试验中受试品发生故障后运行FRACAS 时， FEMCA 可为故障剖析、 定位和纠正供应必要的信息。

3 结束语

本文阐发了FMECA 的目的和紧张事情内容， 进一步剖析指出， FMECA 不仅对付装备可靠性的担保和提高具有主要的浸染， 而且对付维修性、 保障性、 测试性、 安全性和环境适应性等其他通用质量特性， 其也能够供应必要的信息或数据， 同样有着不可替代的代价。
因此， 虽然存在参与职员多、 事情量大和占用科研生产周期长等困难， 但考虑到其对付装备质量通用特性的主要支撑浸染， 在装备特殊是繁芜装备的全生命周期中， 应更加广泛地开展FMECA 事情， 并充分地利用其剖析结果， 提高装备的质量。
至于如何提高FMECA 事情的效率， 提高剖析结果的完备性和准确性， 则是今后须要进一步研究的问题。

参考文献：

[1] 中国公民解放军总装备部电子信息根本部.可靠性维修性保障性术语：GJB 451A-2005 [S].北京：总装备部军标出版发行部， 2005.

[2] CHEN Ying， YE Cui， LIU Bingdong， et al.Status of FMECA research and engineering application [C] //2012 Prognostics & System Health Management Conference（PHM-2012 Beijing）：1-9.

[3] IEC.Failure modes and effects analysis （FMEA and FMECA）：IEC 60812-2018 [S].

[4] 中国公民解放军总装备部电子信息根本部.故障模式、影响及危害性剖析指南：GJB/Z 1391-2006 [S].北京：总装备部军标出版发行部， 2006.

[5] 国家国防科技工业局.航天产品故障模式、 影响及危害性剖析：QJ 3050A-2011 [S].北京：中国航天标准化研究所， 2011.

[6] 中国公民解放军总装备部电子信息根本部.装备可靠性事情通用哀求：GJB 450A-2004 [S].北京：总装备部军标出版发行部， 2004.

[7] 中国国家标准化管理委员会.产品加速试验方法：GB/T 34986-2017 [S].北京：中国标准出版社， 2017.

[8] CETIN Ebru Nihal.FMECA applications and lessons learnt[C] //Reliability and Maintainability Symposium （RAMS），2015：1-5.

[9] 中国公民解放军总装备部电子信息根本部.装备维修性事情通用哀求：GJB 368B-2009 [S].北京：总装备部军标出版发行部， 2009.

[10] 中国公民解放军总装备部电子信息根本部.装备测试性事情通用哀求：GJB 2547A-2012 [S].北京：总装备部军标出版发行部， 2012.

Analysis of the Role of FMECA for Common Quality Characteristics of Equipment

KANG Jingshan（The 54th Research Institute of CETC， Shijiazhuang 050081， China）

Abstract：FMECA analyzes the causes， effects and possible hazards to the system of various failures， and then finds out the weak links and implements the improvement by identifying the fault mode in the equipment， and it is a proven and effective reliability analysis technique.However， in practice， on the one hand， developers and other related parties have insufficient understanding of the role of FMECA in equipment quality assurance.On the other hand， FMECA has problems such as large number of participants， large workload， and long scientific research cycle.These two factors make some equipment does not effectively carry out FMECA during the development process.Through analysis， it is pointed out that FMECA not only plays an important role in ensuring and improving the reliability of equipment， but also provides necessary supporting information for other general quality characteristics such as maintainability， supportability，testability， safety and environmental adaptability， so it also has important value.Therefore，FMECA work should be carried out more promptly and extensively in the development of equipment， especially complex equipment.

Key words：FMECA；reliability；safety；maintainability；testability；supportability；environmental adaptability

中图分类号：TB 114.3

文献标志码：A

文章编号：1672-5468 （2020） 05-0062-05

doi:10.3969/j.issn.1672-5468.2020.05.015

收稿日期：2019-11-30

修回日期：2019-12-13

作者简介： 康京山（1965-）， 男， 河北晋州人， 中国电子科技集团公司第五十四研究所研究员， 硕士， 紧张从事通信网络、软件开拓与测试、 可靠性、 质量考验、 试验等方面的研究事情。