故障模式和影響分析（ Failure Model and Effects Analysis ，簡稱 FMEA ）是對系統(tǒng)各組成部分、組件進(jìn)行分析的重要方法，他是由可靠性工程發(fā)展起來的。這種方法主要分析系統(tǒng)中各子系統(tǒng)及組件可能發(fā)生的各種故障模式，查明各種類型故障對鄰近子系統(tǒng)或組件的影響以及最終對系統(tǒng)的影響，提出可能采取的預(yù)防改進(jìn)措施，以提高系統(tǒng)的可靠性和安全性。

　　早期的故障模式和影響分析只能做定性分析，后來在分析中包括了故障發(fā)生難易程度或發(fā)生概率的評價，從而把他與致命度分析（ Critical Analysis ）結(jié)合起來，構(gòu)成故障模式和影響、致命度分析（ FMECA ）。這樣，若確定了每個組件的故障發(fā)生概率，就可以確定設(shè)備、系統(tǒng)或裝置的故障發(fā)生概率，從而定量地描述故障的影響。

　　（一）故障模式

　　系統(tǒng)、子系統(tǒng)或組件在運行過程中，由于性能低劣而不能完成規(guī)定的功能時，則稱為故障發(fā)生。

　　系統(tǒng)或組件發(fā)生故障的機(jī)理十分復(fù)雜，故障機(jī)理是指誘發(fā)零件、產(chǎn)品、系統(tǒng)發(fā)生故障的物理與化學(xué)過程、電學(xué)與機(jī)械學(xué)過程，也可以說是形成故障源的原因。換句話說，就是要考慮某個故障模式是如何發(fā)生的，以及他們發(fā)生的可能性有多大。

　　故障模式是從不同表現(xiàn)形態(tài)來描述故障的，故障模式是由不同故障機(jī)理顯現(xiàn)出來的各種故障現(xiàn)象的表現(xiàn)形式。因此，一個系統(tǒng)或一個組件往往有多種故障模式。

　　從可靠性的定義出發(fā)，系統(tǒng)或組件的故障模式，一般可從五個方面來考慮：①運行過程中的故障；②提前動作；③在規(guī)定的時間不動作；④在規(guī)定的時間不停止；⑤運行能力下降、超量或受阻。

　　一般說來，產(chǎn)品或系統(tǒng)不同，故障模式也不同，上述五類故障模式進(jìn)一步細(xì)化如表 3-1-4 所示。

表 3-1-4 一般故障模式

　　表 3-1-4 介紹了各種不同的故障模式，但產(chǎn)品不同，故障模式也不同。例如汽車、鋼軌等機(jī)械產(chǎn)品的故障模式表現(xiàn)為磨損、疲勞、折斷、沖擊、變形、破裂等。

　　只有及時了解和掌握產(chǎn)品、設(shè)備、組件的故障模式、產(chǎn)生原因及其影響，才能正確地采取相應(yīng)措施。若忽略了某些故障模式，則這些故障可能因為沒有采取防止措施而引發(fā)事故。

　　（二）分析程序

　　故障模式和影響分析程序如下：

　　1 ．掌握和了解對象系統(tǒng)

　　對故障模式和影響進(jìn)行分析之前，必須掌握被分析對象系統(tǒng)的有關(guān)資料，以確定分析的詳細(xì)程度。確定對象系統(tǒng)的邊界條件包括以下內(nèi)容：

　　•了解作為分析對象的系統(tǒng)、裝置或設(shè)備。

　　•確定分析系統(tǒng)的物理邊界，劃清對象系統(tǒng)、裝置、設(shè)備與子系統(tǒng)、設(shè)備的界線，圈定所屬的元素（設(shè)備、組件）。

　　•確定系統(tǒng)分析的邊界，應(yīng)明確兩方面的問題：

　　•分析時不需考慮的故障模式、運行結(jié)果、原因或防護(hù)裝置等，如分析故障原因時不考慮飛機(jī)墜落到系統(tǒng)外和地震、龍卷風(fēng)等對系統(tǒng)的影響；

　　•最初的運行條件或元素狀態(tài)等，例如對于初始運行條件，在正常情況下閥門是開啟還是關(guān)閉的必須清楚。

　　•收集元素的最新資料，包括其功能、與其它元素之間的功能關(guān)系等。

　　分析的詳細(xì)程度取決于被分析系統(tǒng)的規(guī)模和層次。例如，選定載運工具作為對象系統(tǒng)時，故障模式和影響分析應(yīng)著眼于組成載運工具的各個系統(tǒng)，如制動系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)等，對這些系統(tǒng)的故障模式及其對載運工具的影響進(jìn)行分析。當(dāng)把構(gòu)成載運工具的某個子系統(tǒng)作為對象系統(tǒng)時，應(yīng)對構(gòu)成該子系統(tǒng)的部件的故障模式及其影響進(jìn)行分析。當(dāng)以某一部件為分析對象時，則應(yīng)對該部件的各組成零件進(jìn)行故障模式及其對部件的影響進(jìn)行分析。當(dāng)然，分析各層次故障模式和影響時，最終都要考慮他們對整個系統(tǒng)（載運工具）的影響。

　　2 ．對系統(tǒng)組件（元素）的故障模式和產(chǎn)生原因進(jìn)行分析

　　在對系統(tǒng)組件的故障模式進(jìn)行分析時，要將其看作是故障原因產(chǎn)生的結(jié)果。首先，找出所有可能的故障模式，同時盡可能找出每種故障模式的所有原因，然后確定系統(tǒng)組件的故障模式。故障模式的確定，可依據(jù)以下兩方面：

　　•若分析對象是已有元素，則可根據(jù)以往運行經(jīng)驗或試驗情況確定元素的故障模式。

　　•若分析對象是設(shè)計中的新元素，則可以參考其它類似元素的故障模式，或者對元素進(jìn)行可靠性分析來確定元素的故障模式。

　　一般來說，一個元素至少有 4 種可能的故障模式：意外運行；運行不準(zhǔn)時；停止不及時；運行期間故障。

　　為了區(qū)分故障模式和故障原因，必須明確元素的故障是故障原因?qū)υ�素功能影響的結(jié)果。故障原因可以從內(nèi)部原因和外部原因兩個方面來分析。

　　在分析時要把元素進(jìn)一步分解為若干組成部分，如機(jī)械部分、電氣部分等，然后研究這些部分的故障模式（內(nèi)部原因）和這些部分與外界環(huán)境之間的功能關(guān)系，找出可能的外部原因。一般來說，外部原因主要是元素運行的外部條件方面的問題，同時也包括鄰近的其它元素的故障。

　　3 ．故障模式對系統(tǒng)和組件的影響

　　故障模式的影響是指系統(tǒng)正常運行的狀態(tài)下，詳細(xì)地分析一個元素各種故障模式對系統(tǒng)的影響。分析過程的基本出發(fā)點，不是從故障已發(fā)生開始考慮，而是分析現(xiàn)有設(shè)計方案，會有哪種故障發(fā)生，即對每一種輸出功能的偏差，預(yù)測可能發(fā)生的故障，對部件、子系統(tǒng)、系統(tǒng)有什么影響及其程度，列出可能發(fā)生的全部故障模式。

　　故障模式的影響可以從下面三種情況來分析：

　　•元素故障類型對相鄰元素的影響，該元素可能是其它元素故障的原因。

　　•元素故障類型對整個系統(tǒng)的影響，該元素可能是導(dǎo)致重大故障或事故的原因。

　　•元素故障類型對子系統(tǒng)及周圍環(huán)境的影響。

　　4 ．匯總結(jié)果和提出改正措施。

　　根據(jù)故障類型和影響分析表，系統(tǒng)地、全面和有序地進(jìn)行分析，最后將分析結(jié)果匯總于表中，可以一目了然地顯示全部分析內(nèi)容。根據(jù)研究對象和分析的目的，故障類型和影響分析表可設(shè)置成多種形式。表 3-1-5 為美國杜幫公司的 FMEA 表。

表 3-1-5 美國杜幫公司的 FMEA 表

　　危險重要度：⑴安全 ⑵臨界狀態(tài) ⑶不安全

　　（三）故障模式和影響、致命度分析

　　故障模式和影響、致命度分析包括故障模式和影響以及致命度分析。致命度分析的目的在于評價每種故障類型的危險程度。通常，采用概率 — 嚴(yán)重度來評價故障模式的危險度。概率是指故障模式發(fā)生的概率，嚴(yán)重度是指故障后果的嚴(yán)重程度。采用該方法進(jìn)行致命度分析時，通常把概率和嚴(yán)重度分別劃分為若干等級。如美國杜幫公司把概率劃分為 6 個等級：非常容易發(fā)生 — 1×10^-1，容易發(fā)生 — 1×10^-2，較常發(fā)生 —1×10^-3，不易發(fā)生 — 1×10^-4，難以發(fā)生 — 1×10^-5，極難發(fā)生 —1×10^-6；把危險程度劃分為 3 個等級：大 — 危險，中 — 臨界，小 — 安全。

　　當(dāng)用致命度指標(biāo)來評價時，可按下式計算：

　　 　　　(3-1-1)

　　式中C—— 致命度指數(shù)。表示相應(yīng)系統(tǒng)組件每 100 萬次運行造成系統(tǒng)故障的次數(shù)；

　　n—— 導(dǎo)致系統(tǒng)重大故障或事故的故障類型數(shù)目；

　　i—— 致命性故障模式的第i個序號；

　　λ—— 元素的基本故障率；

　　t—— 元素的運行時間；

　　k₁—— 實際運行狀態(tài)的修正系數(shù)；

　　k₂—— 實際運行環(huán)境條件的修正系數(shù)；

　　α—— 導(dǎo)致系統(tǒng)重大故障或事故的故障類型數(shù)目占全部故障類型數(shù)目的比例；

　　β—— 導(dǎo)致系統(tǒng)重大故障或事故的故障類型出現(xiàn)時，系統(tǒng)發(fā)生重大故障或事故的概率，其參考值如表 3-1-6 所示。

表 3-1-6     β參考值