1.4 FMEA 过程详解

1.4 FMEA 过程详解
1.4.1 故障模式分析
故障是产品或产品的一部分不能或将不能完成预定功能的事件或状态（对某些产品如电
子元器件、弹药等称为失效）。而故障模式是故障的表现形式，如短路、开路、断裂、过度
耗损等。一般在研究产品的故障时往往是从产品的故障现象人手，进而通过现象（即故障模
式）找出故障原因。故障模式是FMECA 分析的基础，同时也是进行其它故障分析（如故障
树分析、事件树分析等）的基础之一。
产品的故障与产品所属系统的规定功能和规定条件密切相关，在对具体的系统进行故障
分析时，必须首先明确系统在规定的条件下丧失规定功能的判别准则，即系统的故障判据，
这样才能明确产品的某种非正常状态是否为该产品的故障模式。
在进行故障模式分析时，应注意区分两类不同性质的故障，即功能故障和潜在故障。
功能故障是指产品或产品的一部分不能完成预定功能的事件或状态。即产品或产品的一
部分突然、彻底地丧失了规定的功能。
潜在故障是指产品或产品的一部分将不能完成预定功能的事件或状态。潜在故障是一种
指示功能故障将要发生的一种可鉴别（人工观察或仪器检测）的状态。例如，轮胎磨损到一
定程度（可鉴别的状态），即发生爆胎故障（功能故障）。图 1-2 中给出了某金属材料的功能
故障与潜在故障的示例。
需要指出的是并不是所有的故障都经历潜在故障再到功能故障这一变化过程。在进行故
障模式分析时，区分潜在故障模式与功能故障模式是十分必要的（如潜在故障模式可用于产
品的故障监控与检测）。
在进行故障模式分析时还应注意，应确定和描述产品在每一种功能下的可能的故障模
式。一个产品可能具有多种功能，而每一种功能又可能具有多种故障模式，分析人员的任务
就是找出产品每一种功能的全部可能的故障模式。
此外，复杂系统一般具有多种任务功能。在武器装备的研制中常用任务剖面描述不同的
任务功能，而每个任务剖面又由多个任务阶段组成，产品在每一个任务阶段中又具有不同的
工作模式。因此，在进行故障模式分析时，还要说明产品的故障模式是在哪一个任务剖面的
哪一个任务阶段的哪种工作模式下发生的。
从表 1-1 中可知，在系统的寿命周期内，分析人员经过各种目的 FMECA 即可掌握系
统的全部故障模式，但首先遇到的问题是在系统研制初期如何分析各产品可能的故障模式。
一般来说，可通过统计、试验或分析预测来解决，即可遵循如下原则：
对系统中直接采用的现有产品，可以以该产品在过去的使用中所发生的故障模
式为基础，再根据该产品使用环境条件的异同进行分析修正，得到该产品的故
障模式；
对系统中的新产品，可根据该产品的功能原理进行分析预测，得到该产品的故
障模式，或以与该产品具有相似功能的产品所发生的故障模式作为基础，分析
判断该产品的故障模式。
表 1-2 中列出了常见的一些典型故障模式，这些故障模式基本上概括了大多数产品可
能发生的故障现象。

图 1-2 功能故障与潜在故障的关系 #p#副标题#e#
1.4.2 故障原因分析
故障模式分析只说明了产品将以什么模式发生故障，并未说明产品为何发生故障的问
题。因此，为了提高产品的可靠性，还必须分析产生每一故障模式的所有可能原因。分析故
障原因一般从两个方面着手，一方面是导致产品功能故障或潜在故障的产品自身的那些物
理、化学或生物变化过程等直接原因；另一方面是由于其他产品的故障、环境因素和人为因
素等引起的间接故障原因。直接故障原因又称为故障机理。
正确区分故障模式与故障原因是非常重要的。故障模式是可观察到的故障表现形式，而
直接故障原因描述的是由于设计缺陷、质量缺陷、元部件误用和其他故障过程而导致故障的
机理。例如，在晶体管内基片上有一个裂缝，可以导致集电极到发射极开路，在这里“集电
极到发射极开路”是故障模式，而“晶体管内基片上有裂缝”是故障原因（机理）。

表 1-2 典型故障模式
1.4.3 故障影响分析 #p#副标题#e#
复杂系统通常具有层次性结构，随着系统设计的进展，系统的层次划分方式也是不同的。
一般情况下在设计的早期按系统的功能划分层次关系，随着设计的深入则既可按系统的功能
也可按系统的结构化分层次关系，因此，FMEA 既可以基于功能层次关系进行，也可以基于
结构层次关系进行。图 1-3 给出了某型步话机的功能层次与结构层次的对应关系。在进行
FMEA 之前，应首先规定FMEA 从哪个产品层次开始到哪个产品层次结束，这种规定的
FMEA 层次称为约定层次。一般将最顶层的约定层次称为初始约定层次，最底层的约定层次
称为最低约定层次。
产品的功能层次关系 产品的结构层次关系

图 1-3 某型步话机的功能层次与结构层次示意图
约定层次的划分应当从效能、费用、进度等方面进行综合权衡。在系统的不同研制阶段
内由于FMEA 的目的或侧重点不同，因而约定层次的划分不必强求一致。即使在同一研制
阶段，由于组成系统的复杂性，在约定层次的划分上也不必完全相同，应依据组成系统的产
品的实际情况确定约定层次。例如，对于由较多设计成熟，具有较好的继承性和经过了良好
的可靠性、维修性和安全性验证的产品组成的系统，其约定层次可划分的粗而少；反之，对
任何新设计的或虽有继承性但其可靠性、维修性和安全性水平未经验证的产品组成的系统，
其约定层次要划分的多而细，并做认真详细的分析。此外，在确定最低约定层次时，可参照 #p#分页标题#e#
约定的或预定的维修／修理级别上的产品层次来确定，如维修时的最小可更换单元。当系统
中某一产品的故障将直接引起灾难的或致命的后果时，则最低约定层次应至少划分到这一产
品所在的层次。值得指出的是约定层次划分的越多越细，则进行FMECA 的工作量越大。
故障影响系指产品的每一个故障模式对产品自身或其他产品的使用、功能和状态的影
响。当分析系统中某产品的故障模式对其他产品的故障影响时通常按预定义的约定层次结构
进行，即不仅要分析该故障模式对该产品所在相同层次的其他产品造成的影响，还要分析该
故障模式对该产品所在层次的更高层次产品的影响。通常将这些按约定层次划分的故障影响
分别称为局部影响、高（上）一层次影响和最终影响。
系统中各产品的故障模式产生的最终影响往往是不同的，为了划分不同故障模式产生的
最终影响的严重程度，在进行故障影响分析之前，一般需要对最终影响的后果等级进行预定
义，从而对系统中各故障模式按其严重程度进行分级。在某些系统（一般为武器系统）中，
最终影响的严重程度等级又称为严酷度（有时也称为严重度，系指故障模式所产生后果的严
重程度）类别。严重程度等级（严酷度类别）定义应考虑到故障所造成的最坏的潜在后果，
并根据最终可能出现的人员伤亡、系统损坏或经济损失的程度来确定。
应注意，在进行最终影响分析时，当所分析的产品在系统设计中已采用了余度设计、备
用工作方式设计或故障检测与保护设计时，应暂不考虑这些设计措施，即分析该产品的某一
故障模式可能造成的最坏的故障影响。在根据这种最终影响确定该故障模式的严酷度等级
时，应当指明系统中已采取的针对这种故障影响的设计措施，对于这种情况的更详细的分析
要借助于故障模式的危害性分析。
1.4.4 风险分析
风险分析的目的是按每一故障模式的严重程度及该故障模式发生的概率所产生的综合
影响对系统中的产品划等分类，以便全面评价系统中各种可能出现的产品故障的影响，它是
一种相对定量的分析方法，通常借助图形工具（如矩阵图）来辅助分析。
风险分析常用的方法有两种，即风险优先数（Risk Priority Number，RPN ）法和危害性
分析（Criticality Analysis）法，前者主要用于汽车等民用工业领域，后者主要用于航空、航
天等军用领域。在进行风险分析时可根据具体情况选择一种方法。
1.4.5 故障检测方法分析 #p#副标题#e#
针对分析找出的每一个故障模式，分析其故障检测方法，以便为系统的维修性、测试性
设计以及系统的维修工作提供依据。故障检测方法一般包括目视检查、离机检测、原位测试
等手段，如BIT （机内测试）、自动传感装置、传感仪器、音响报警装置、显示报警装置等。
故障检测一般分为事前检测与事后检测两类，对于潜在故障模式，应尽可能设计事前检
测方法。
1.4.6 补偿措施分析
补偿措施分析是针对每个故障模式的原因、影响、提出可能的补偿措施，这是关系到能
否有效地提高产品可靠性的重要环节。分析人员应提出并评价那些能够用来消除或减轻故障
影响的补偿措施。
补偿措施分为设计上的补偿措施和操作人员的应急补偿措施。
（1）设计补偿措施
．产品发生故障时，能继续工作的冗余设备；
．安全或保险装置（如监控及报警装置）；
．可替换的工作方式（如备用或辅助设备）；
．可以消除或减轻故障影响的设计或工艺改进（如优选元器件、热设计、降额设计、
环境应力筛选和工艺改进等）。
（2 ）操作人员补偿措施
．特殊的使用和维护规程，尽量避免或预防故障的发生；
．一旦出现某故障后操作人员应采取的最恰当的补救措施。
1.4.7 FMEA 的实施
1.4.8 FMEA 的注意事项
在实施FMEA 的过程中，应注意以下问题：
（1）FMEA 工作应与产品的设计同步进行，尤其应在设计的早期阶段就开始进行
FMECA，这将有助于及时发现设计中的薄弱环节并为安排改进措施的先后顺序提供依据。
（2 ）对产品研制的不同阶段，应进行不同程度、不同层次的FMECA。也就是说， FMECA
应及时反映设计、工艺上的变化，并随着研制阶段的展开而不断补充、完善和反复迭代。
（3）FMEA 工作应由设计人员负责完成，贯彻 “谁设计、谁分析”的原则，这是因
为设计人员对自己设计的产品最了解。
（4 ）FMEA 分析中应加强规范化工作，以保证产品FMEA 的分析结果具有可比性。开
始分析复杂系统前，应统一制定FMECA 的规范要求，结合系统特点，对FMECA 中的分析
约定层次、故障判据、严酷度与危害度定义、分析表格、故障率数据源和分析报告要求等均
应作统一规定及必要说明。
（ 5 ）应对FMEA 的结果进行跟踪与分析，以验证其正确性和改进措施的有效性。这
种跟踪分析的过程，也是逐步积累 FMECA 工程经验的过程。一套完整的 FMECA 资料，
是各方面经验的总结，是宝贵的工程财富，应当不断积累并归挡，以备查考。
（ 6 ）FMECA 虽是有效的可靠性分析方法，但并非万能。它们不能代替其它可靠性分
析工作。特别应注意， FMECA 一般是静态的单一因素分析方法，在动态分析方面还不完
善，若对系统实施全面的分析还应与其他分析方法相结合。