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第六章故障模式影响与危害性分析

6.1

概述

故障模式影响与危害性分析

(Failure Mode and Criticality Analysis,

简记为

FMECA)

是一种可靠性定性分析技术。目的是在设计过程中，通过对系统

个组成单元潜在的各种故障模式及其对系统功能的影响，与产生后果的严重性

进行分析，提出可能采取的措施，以提高系统可靠性(

GB3187-82

)。当只进

行故障模式和影响分析时，简称

FMEA

。

FMECA

作为一种可靠性分析方法起源于美国。早在

世纪

年代，美国

格鲁门飞机公司在研制飞机主操纵系统时就采用了

FMECA

方法，取得了良好的

效果。到了

年代后期和

年代初期，

FMECA

方法开始广泛地应用于航

空、航天、舰船、兵器等系统的研制中，并逐渐渗透到机械、汽车、医疗设备

等民用工业设备领域。我国在

世纪

年代初，随着可靠性技术在工程中应

用，

FMECA

方法也逐渐被接受。目前在航天、航空、兵器、舰船、电子、机

械、汽车等工业领域，

FMECA

方

法均得到了一定的普及。

FMECA

在许多重要领域，被明确规定为设计人员必须

掌握的技术，

FMECA

有关资料被规定为不可缺少的设计文件。我国军用标准

GJB450- 88

在可靠性设计及评价一节明确指出，

FMECA

是找出设计上潜在缺陷

的手段，是设计审查中必须重视的资料之一。美国宇航局对于

FMECA

极为重

视，特别是对于长寿命通信卫星几乎无一例外地采用了这一手段，据称

FMECA

是卫星成功的关键

技术之一。它们在总结故障原因、研究故障对策时也把重点放在

FMEA

上。

在产品寿命周期内的不同阶段，

FMECA

的应用目的和方法略有不同，祥见

表

6.1

。从表中可以看出，在产品寿命周期的各个阶段虽然有不同形式的

FMECA

，但其根本目的只有一个，即从产品设计(功能设计、硬件设计、软件设

计) 、生产和产品使用角度发现各种缺陷与薄弱环节，从而提高产品的可靠性

水平。

表

6.1

在产品寿命周期内各阶段的

FMECA

方法

方案论证工程研制阶段生产阶段使用阶段

应用

方法

功能

FMECA

硬件

FMECA

软

件

FMECA

生产工艺

FMECA

生产设备

FMECA

统计

FMECA

应用

目的

分析研究系统

功能设计的缺

陷与薄弱环

节，为系统功

能设计的改进

和方案的权衡

提供依据

分析研究系统硬

件、软件设计的

缺陷与薄弱环

节，为系统的硬

件、软件设计改

进和方案权衡提

供依据

分析研究所设计的生产工艺

过程的缺陷和薄弱环节及其

对产品的影响，为生产工艺

的设计改进提供依据分析研

究生产设备的故障对产品的

影响，为生产设备的改进提

供依据

分析研究系统在使用过程

中实际发生的故障、原因

及其影响，为评估论证、

研制、生产各阶段的

FMECA

的有效性和进行产

品的改进、改型或新产品

的研制提供依据

6.2 FMECA

实施步骤

弄清与系统有关的全部情况。

与系统结构有关的资料必须首先熟悉系统的功能、构成和工作原理，详细

掌握各个部件的特性、功能及它们之间的关系。因此，事先应先掌握系统、

子系统及零部件的各种设计资料及与可靠性有关的设计资料。

与系统运行、控制和维护有关的资料必须知道系统的运行方式和运行的额

定参数以及参数的允许变化范围；各种运行方式的转换操作程序和控制等。

也必须知道系统的不同运行方式所对应的不同可靠性逻辑图；系统最低的性

能要求等。还必须知道系统每项任务的持续时间和周期性测试的时间间隔，

以及维修所采取的方式，所需时间、人力和设备。

与系统所处环境有关的资料包括系统装置中其它系统引起的环境和外界环

境，必须详细描述和定义系统和其它系统的关系，特别弄清人机关系。

这些资料在设计的初期阶段往往不能一下子都掌握，只能做某些假设，用

来确定一些很明显的故障模式，随着设计工作的深入，可利用的信息不断增

多，应重复进行

FMEA

和

FMECA

工作，根据需要和可能把分析扩展到更为具

体的层次。

根据产品功能方框图画出其可靠性框图

明确分析范围根据系统的复杂程度、重要程度、技术成熟性、分析工作的进

度、费用约束条件以及所需要的结果确定系统中进行

FMECA

的产品范围。

根据要求建立所分析产品故障模式清单，尽量不要遗漏。

分析造成故障模式的原因

分析各种故障模式可能导致分析对象自身的影响、对上一级的影响及对系统的

最终影响。

分析故障模式对其故障影响的检测方法。

针对各种故障模式、原因和影响提出可能的预防措施和纠正措施。

确定各种故障影响的严酷度等级。

10.

确定各种故障模式发生的概率

11.

估计危害度

12.

填写

FMEA

和

FMECA

表格，写出分析报告，总结设计上无法改正的问题，并

说明预防失效或控制失效危险性的必要措施。

6.3

故障模式、原因分析

故障模式分析

故障模式的基本概念

在国军标

GJB451-89

《可靠性维修性术语》中，故障模式的定义是：故

障的表现形式。更确切地说，故障模式一般是对产品所发生的、能被观察或测

量到的故障现象的规范描述。

在分析产品故障时，一般是从产品故障的现象入手，通过故障现象（故

障模式）找出原因和故障机理。对机械产品而言，故障模式的识别是进行故障

分析的基础之一。

故障模式一般按发生故障时的现象来描述。由于受现场条件的限制，观

察到或测量到的故障现象可能是系统的，如发动机不能起动；也可能是某一部

件，如传动箱有异常响；也可能就是某一具体的零件，如履带析断裂、油管

破裂等。因此，针对产品结构的不同层次，其故障模式有互为因果的关系。如

“发动机损坏”这一故障模式是它上一层次“汽车不能开动”的因，又是它下

一层次故障模式“连杆疲劳断裂”的结果，表

6.2

反映出故障模式的层次。

表

6.2

故障模式的层次表

故障现象（故障模

式）

故障产生的原因和机理

汽车不能开动发动机

损坏曲轴断裂曲轴

断裂

发动机损坏曲轴断裂疲劳硬度不合格、热

处理温度偏低、测温仪表故障、管理等

由于故障分析的目的是采取措施、纠正故障，因此在进行故障分析时，需要

在调查、了解产品发生故障现场所记录的系统可分系统故障模式的基础上，通

过分析、试验逐步追查到组件、部件或零件极（如曲轴）的故障模式，并找出

故障产生的机理。

故障模式不仅是故障原因分析的依据，也是产品研制过程中进行可靠性

设计的基础。如在产品设计中，要对组成系统的各部、组件潜在的各种故障模

式对系统功能的影响及产生后果的严重程度进行故障模式、影响及危害性分

析，以确定各故障模式的严酪度等级和危害度，提出可能采取的预防改进措

施。因此将故障的现象用规范的词句进行描述是故障分析工作中不可缺少的基

础工作。目前，一些行业、专业均编制了故障模式表。中国汽车工业总公司在

1992

年发布了标准

QC/T34-92

《汽车的故障模式及分类》。装甲兵组织有关

专家研究现役装备使用可靠性，编制了装甲车辆的故障模式表。

为了便于分析和统计故障模式，一般将故障模式进行分类，在

QC/T34-

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