潛在故障模式影響分析（FMEA）和故障樹分析（FTA）

   FMEA可以描述為一組系統化的活動，其目的是：

(a)發現和評價產品/過程中的潛在的失效及其失效后果；

(b)找到能夠避免或減少這些潛在失效發生的措施；

(c)將上述整個過程文件化。

       FMEA是對設計過程的更完善化，以明確必須做什么樣的設計和過程才能滿足顧客的需要。所有的FMEA的重點在于設計，無論是用在設計產品或工藝制造過程。

       適時性是成功實施FMEA的重要因素之一，它是一個事發前的行為，而不是“后見之明”的行動。為了達到效果。FMEA必須在設計或過程失效模式被無意納入產品或過程之前進行。事前花時間適當完成FMEA能夠更容易低成本地對產品/過程進行修改，從而減輕事后修改的危機。FMEA小組應有充分的溝通和整合。

       FMEA是世界上公認的有效的可靠性設計分析技術，在工程實際中得到廣泛應用。目前典型的FMEA方法有兩種：一種是美國軍標MIL-STD-1629和我國軍標GJB1391/z《故障模式、影響與危害度分析》；另一種是美國QS-9000《潛在失效模式及影響分析》。前一種方法在全國質量專業技術人員職業資格考試用書(中級)已有介紹。下面僅對QS-9000的FMEA作簡要說明，在QS-9000中，把FMEA分為設計的FMEA(簡稱DFMEA)和過程工藝的FMEA(簡稱PFMEA)。下面僅對設計的FMEA作介紹。

   設計FMEA主要是負責設計的工程師/小組采用的一種分析技術，用于保證在可能范圍內已充分考慮到，并指明各種潛在的失效模式及其相關的起因/機理。應評估最終產品以及每個與之相關的系統、子系統和零部件。FMEA以其嚴密的形式總結了設計一個零部件、子系統或系統時，一個工程師和設計小組的設計思想（包括：根據以往的經驗和教訓，對可能出現問題的分析）。這種系統化的方法體現工程師在任何設計過程中正常經歷的思維過程，并使之規范化、文件化。

    設計FMEA能夠通過以下幾個方面支持設計過程，以降低失效的風險。

(1)有助于對設計要求和設計方案進行客觀評價；

(2)有助于制造、裝配、服務和回收要求的設計；

(3)提高設計開發過程中，考慮潛在失效模式及其對產品可靠性影響；

(4)為、有效的設計實驗和開發項目的策劃，提供更多信息；

(5)根據潛在失效模式對“顧客”的影響程度進行分級，進而建立一套設計改進、開發和驗證試驗的優先控制程序；

(6)為建議和跟蹤降低風險的措施，提供一個公開討論形式；

(7)為將來分析研究售后市場關切情況，評價設計更改及展開更先進的設計提供參考。

    FMEA應該是一個小組的活動，負責設計的工程師應直接地、主動地聯系有關部門的代表，如裝配、制造、設計、分析/實驗、可靠性、材料、服務等。同時還應聯系系統不同層次的設計部門代表。FMEA應成為促進相關部門間充分交換意見的催化劑，從而提高整個產品的工作水平。除非負責設計工程師是有FMEA和小組協調的經驗，在活動中擁有一位有經驗的FMEA專家以協助FMEA小組工作是有一定幫助的。

      設計FMEA是一份動態文件，且應該在一個設計概念最終形成之時或之前就開始；在產品開發各階段中，當設計有變更或獲得信息增加時要及時不斷修改；在最終產品加工圖樣完成之前全部完成。

    設計FMEA不是靠過程控制來克服設計中潛在的缺陷，但的確要考慮制造/裝配過程中技術的/物質的限制。例如表面處理的限制，裝配空間，公差等

     設計FMEA應該從系統、子系統或零部件的框圖開始分析。

      QS-9000給出了設計FMEA的專用表格如表1所示，表中給出了分析時必須填寫的22項內容。表中還以車門內板下部腐蝕的失效模式為例，說明如何分析及填寫這22項內容。

(表1續)

下面按照表中的序號對每一項內容分別簡要說明：

（1）FMEA編號。填入FMEA文件編號，以便查詢。

（2）系統、子系統或零部件名稱及編號。系統FMEA重點是確保所有接口和互動都涵蓋了整個由不同子系統所組成的系統；子系統的重點是確保所有接口和互動都涵蓋了整個由不同零組件所組成的子系統；一個零組件FMEA一般重點是在于一子系統的子組件的FMEA。

（3）設計責任。填入整個產品的部門和小組。

（4）編制人。填入負責FMEA工作的工程師。

（5）車型年度/項目。填入將使用和/或被分析的設計影響的預期車型、年度/項目。 

（6）關鍵日期。填入DFMEA初次預定完成的日期，該日期不應該超過計劃的量產設計發布日期。

（7）FMEA時期。填入編制FMEA原始稿的完成日期及修訂日期

（8）核心小組。列出被授權以確定和/或執行任務的責任人和部門名稱。

（9）項目/功能。應盡可能簡潔的文字說明清楚被分析項目要滿足設計意圖的功能，如該項目有多種功能，且有不同的失效模式，則要把所有功能都單獨列出。

（10）潛在失效模式。所謂失效模式是指系統、子系統或零部件有可能未達到（8）中所描述設計意圖的種類。潛在失效模式可能是更高一級子系統或系統的潛在失效模式的原因，也可能是比它低一級的零部件潛在失效模式的后果。汽車典型的失效模式如松動、泄漏、短裂、變形、無法傳遞扭力等。

（11）潛在失效后果。應根據顧客可能發現或經歷的情況來描述失效的后果，顧客可能是內部也可能是外部產品最終的顧客。汽車典型的失效后果如噪音、外觀不良、發熱、不穩定等。

（12）嚴重度（S）。嚴重度是一個已假定失效模式的嚴重影響的評價等級。要降低失效后果等級只能通過設計變更。汽車推薦的FMEA嚴重度評價準則見下表。

（13）分類。根據特性分類，如關鍵、重要、一般等

（14）潛在失效的起因/機理。失效起因是指一個設計弱點的跡象，其結果就是失效模式。典型的失效起因，如規定的材料不正確，流程規范錯誤、規定公差不當，潤滑能力不足等。典型的失效機理，如屈服、疲勞、磨損等。

（15）頻度（O）。頻度指在設計的壽命中某一特定失效起因/機理發生的可能性。描述頻度級別數是重在其含義，而不是具體數值。通過設計更改或設計過程更改（如設計查檢表、設計評審）來預防或控制該失效模式的起因/機理是降低頻度級別數的途徑。頻度級數是在FME范圍中的一個比較等級，其可能無法反映出真實發生的可能性。推薦的評價準則見表3。

（16）現行設計控制。現行設計控制指的是那些已經用于相同或相似設計的那些方法。FMEA小組應一再的把重點放在設計控制的改進上，設計控制有兩種基本方法：一是預防，即預防失效起因／機理或失效模式的出現，或減少其出現的頻度；二是探測，即在該項目投產之前，以任何解析的或物理的方法，查出失效。應優先應用預防控制措施。因此，在表中現行設計控制對應有兩欄，這有助于FMEA小組對這兩種控制能有清楚的辯識。在表中的示例里，現行預防控制一欄是空的，說明FMEA小組并未鑒別出任何預防控制，這可能是由于預防控制沒有被用在相同或相似的設計上。

（17）探測度（D）。探測度是結合了列在設計控制中的探測控制等級。探測度是在單獨的FMEA范圍中的一個比較的等級。為了取得較低的探測度數值，計劃的過程控制需要不斷地改進。推薦的探測度評價準則見表4。

（18）風險順序數（RPN）。風險順序數是產品失效影響嚴重度(S)、頻度(O)和探測度(D)的乘積。

               RPN=（S）×（O）×（D）

      在FMEA分析時，RPN值(1至1000之間)可被用來對設計中關注的等級排序。

（19）建議措施。在實施中，不論RPN大小如何，當嚴重度為9或10的失效模式必須要賦予特別注意。在所有狀況下，當一個已被鑒別的潛在失效模式的后果可能對最終使用者產生危害的時候，應該考慮預防/糾正措施，以排除、減輕或控制該起因，以避免失效模式的發生。在對9或10等級嚴重度特別的關注之后，FMEA小組應針對其他的失效模式，以滿足減少嚴重度、頻度、以及探測度的目的。建議的措施行動如，修改設計幾何尺寸/或公差、修改材料規范等。

（20）對建議措施的責任。把負責對每一項建議措施執行的組織和個人名稱，預計完成日期填入本欄。

（21）采取的措施。當實施某一項措施后，簡要記錄具體的措施和生效日期。

（22）措施執行后的RPN。當確定了預防/糾正措施后，估算并記錄執行結果的嚴重度、頻度和探測度級別。計算并記錄糾正后的RPN結果。如沒采取措施，將相關的等級欄位空白即可。

        所有更改后的等級都應該被評審，而且如果有必要考慮進一步的措施，則應重復該分析過程。重點應該隨時放在持續改進上。

         跟蹤行動。負責設計的工程師負責確保所有的建議措施己被實施或已妥善地落實。FMEA是一個動態文件，它不僅應該隨時體現的設計版本，還應該體現的有關糾正措施，包括開始批量生產后發生的事件。

從上述對FMEA的說明中，有幾點應特別注意：

(1)FMEA是負責設計工程師應該做的一件重要的分析工作，以便隨時尋找或發現潛在失效并采取措施。

(2)FMEA應該由一個有各方面代表參加的小組工作，這樣才能有效和地發現薄弱環節。

(3)加強針對潛在失效模式的改進設計才能降低RPN值，才能提高產品可靠性。

(4)一種失效模式很有可能是由多個失效起因/機理引起的，一定要把起因/機理找準、找全。如示例中的腐蝕就有5種起因，應逐一分析透。

(5)開展FMEA時的S、O、D的數值只有相對的意義，只能比較在一個具體的FMEA時不同失效模式的相對等級和關注等級。

       故障樹分析是通過對可能造成產品故障的硬件、軟件、環境、人為因素進行分析，畫出故障樹，從而確定產品故障原因的各種可能組合方式和（或）其發生概率的一種分析技術。其目的是幫助設計師判斷潛在的故障，以便采取相應的改進設計措施，也可指導故障診斷，制定維修方案，同時FTA 還能計算復雜產品發生故障的概率。

    故障樹的建立是FTA 的關鍵，因為故障樹的完善程度將直接影響定性分析和定量計算的結果。現以一種演繹法建樹為例，作簡要介紹。

    首先寫出頂事件（即產品不希望發生的故障事件）表示符號作為行，在其下面并列寫出導致頂事件發生的直接原因（如硬件，軟件，環境，人為因素影響）作為第二行。把這些原因因素用相應的符號表示出來，并用適合邏輯門與頂事件相連。再將導致第二行的那些故障事件（稱為中間事件）發生的直接原因作為第三行，并用適合的邏輯門與相應的中間事件相連。按照這個線索自上而下步步深入。一直追溯到引起產品發生故障的全部最基本的原因（稱為底事件）為止。這樣就形成一棵以頂事件為“根”，中間事件為“節”，底事件為“葉”的倒立的故障樹。故障樹常用事件的符號見表5。

     故障樹中常用的邏輯門是邏輯“與門”和邏輯“或門”。其它邏輯門在某種程度上都可以簡化為“與門”和 “或門”。常用的邏輯門及符號見表6。

     下面以某電機控制電路為例，說明建樹過程。

    某電機控制電路如圖1所示，交流電源通過線路和開關控制電機的運轉。

      故障樹分析的頂事件選擇為“開關合上后電機不轉”，具體的建樹過程如下所述，對應的故障樹如圖2所示。

      （1）將頂事件“開關合上后電機不轉”作為輸出事件，對其原因進行分析，可能的直接原因包括“電機故障”和“開關合上后無電流”，將其作為輸入事件，并確定它們之間的邏輯關系為“或”，利用或門建立的故障樹如圖2（a）所示。其中“電機故障”作為底事件，不再展開。

2.1 故障樹的建立

     （2）將“開關合上后無電流”作為輸出事件，對其原因進行分析，可能的直接原因包括“電源故障”和“線路故障”，將其作為輸入事件，并確定之間的邏輯關系為“或”，利用或門建立的故障樹如圖2（b）所示。其中“電源故障”和“線路故障”作為底事件，不再展開。

       （3）對事件建立定義和表達符號，如表7所示。利用符號替換文字，得到故障樹的規范表達如圖2（c）所示。

      故障樹定性分析就是尋找導致頂事件發生的原因和原因組合，即找出全部最小割集。最小割集是指一些底事件的組合。它們都發生時頂事件必然發生，而這些底事件缺一個就不會導致頂事件發生的底事件集合。求最小割集的方法有上行法和下形法兩種。

       在最小割集全部求出后，當可靠性數據不足時，可對最小割集和底事件進行定性分析，首先根據每個最小割集所含底事件的數目（稱階數）排列，在各個底事件發生概率較小，且相互差別不大的條件下，可以按下列原則對最小割集和底事件進行比較：

(1) 階數越小的最小割集越重要；

(2) 在低階最小割集中出現的底事件比高階最小割集中的底事件重要。

(3) 在最小割集階數相同的條件下，在不同最小割集中重復出現的次數越多的底事件越重要。

       故障樹定量分析是根據底事件發生概率按故障樹的邏輯門關系，計算出頂事件發生的概率，以判斷是否滿足規定的安全性和可靠性要求。定量分析的另一個重要任務是計算底事件的重要度（即它們對頂事件發生的影響程度），從而確定改進的重點。

      總之，建立故障樹，定性分析，定量分析是故障樹分析的三步曲。 建樹是關鍵，建樹過程中，要化簡故障樹，就要運用布爾代數的運算規則，對于特殊門進行等效變換以及去除明顯復雜事件和明顯復雜門。故障樹分析，特別是復雜產品的故障樹分析，建樹和分析的工作是都很復雜，一般都要使用專門的故障樹分析軟件。