可靠性与可靠性工程 Reliability Engineering.ppt
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1、1,汽车可靠性技术,第二十八讲,主讲教师:杨志发学时:32,汽车失效分析,2,2,3,内容提纲,一、失效模式二、FMEA-失效模式影响分析三、FAT-故障树分析 四、汽车零部件失效机理,3,一、失效模式,4,汽车零部件失效分析,是研究汽车零部件丧失其功能的原因、特征和规律;目的在于:分析原因,找出责任,提出改进和预防措施,提高汽车可靠性和使用寿命。,1.1 概述,5,1)故障的危害与分级 产品在规定的条件下,在规定的时间内,不能完成规定功能的现象称为失效,也称为故障。,6,1.1 概述,通常,故障和失效具有同等概念,但“失效”更多的用于不可修复产品(即丧失规定功能,等待报废),而“故障”则用于
2、可修复产品(即丧失规定功能,等待修复)。,7,1.1 概述,2)汽车零件失效的概念 汽车零部件失去原设计所规定的功能称为失效。失效不仅是指完全丧失原定功能,而且还包含功能降低和有严重损伤或隐患、继续使用会失去可靠性和安全性的零部件。3)失效分析的目的和意义 目的:了解产品失效的真实情况,对产品进行系统地分析,鉴别其失效模式、失效机理、失效部位、失效时间、失效影响并进行后果分析,把失效影响和后果分析及时反馈给设计和制造部门,并据以制订改进措施,以防止同类失效再度发生,是产品获得更高的可靠性。 意义:是提高产品质量的重要手段。,8,1.2 失效模式,1)定义 按失效模式和失效机理对失效进行分类是研
3、究失效的重要内容。 失效模式:失效所表现出的形式。 汽车及其零部件的失效模式并不是固定不变的,即同一种产品出现故障可以有不同的形式。零部件失效模式与它的结构、材料、设计、制造、储存、保养、工作环境等因素有关。 汽车零部件失效方式有磨损、疲劳断裂、变形、腐蚀及老化等五类。 一个零件可能同时存在几种失效模式或失效机理。,1.2 失效模式,2)零件失效的基本原因,有工作条件、设计制造、使用维修等方面造成的影响。,9,1.2 失效模式,10,11,汽车零件失效分类,1.2 失效模式,12,1.2 失效模式,3)失效模式,13,1.2 失效模式,14,1)失效分析的步骤 失效分析三要素:对象状态、失效原
4、因、失效结果 失效分析的主要步骤:失效调查 通过调查,收集零部件的失效数、应力、时间、任务、次数等有关数据资料。在收集数据的同时,作现场记录。失效模式的鉴定 根据收集的失效数据的调查和失效现象的描述,鉴别失效与哪些零部件有关,并鉴别出失效模式。,1.3 失效分析,15,失效机理的推断 根据前两项资料,结合零部件的结构、材料及收集制造情况和历史经验,寻找失效的规律和导致失效的内在原因,推断失效的机理。 实验论证 用实验的方法论证失效机理的推断是否准确。改进措施 根据实验所论证的失效机理,针对产生失效的诸方面因素,拟定消除失效的各种措施,如设计、工艺、材质、公差配合、使用环境、质量控制等方面。,1
5、.3 失效分析,16,1.3 失效分析,2)失效分析方法按失效检验项目进行失效分析 零件的失效是由于工作应力大于失效抗力时所造成的。首先从零件的受力状态、环境介质、温度等考虑失效原因,然后根据资料和现场调查就可以确定主要的分析项目。按失效模式进行分析 根据零件的残骸(断口或磨屑等)的特征和残留的有关失效过程信息,首先判断失效模式,进而推断失效的根本原因。,17,1.3 失效分析,按系统工程分析方法 这种方法把产品看出一个系统,采用数学方法或计算机等现代化工具,研究系统故障率的原因和结果之间的逻辑关系,对系统构成要素、组织结构、信息交换等功能进行分析、设计、制造、维护等,从而达到最优设计、最优控
6、制和最优管理的目的。 不仅是事故后采用的一种善后方法、可以在事故前采取必要的防范措施。 目前常用的方法有:失效模式影响及危害分析(Failure Mode Effect and Criticality Analysis,简称FMEACA)、故障树分析(Fault Tree Analysis,简称FTA)、特性要因图、摩擦学系统分析等。,17,1.3 失效分析,18,二、FMECA-失效模式影响分析,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,三、FAT-故障树分析,30,内容提要,概述故障树的基本概念定义目的、特点FTA工作要求常用事件、逻辑门符号故障树分析定性分析定量分
7、析重要度分析故障树的简化,31,切尔诺贝利核泄露事故、美国的挑战者号升空后爆炸和印度的博帕尔化学物质泄露。 FMECA:单因素分析法,只能分析单个故障模式对系统的影响。FTA可分析多种故障因素(硬件、软件、环境、人为因素等)的组合对系统的影响。FMECA和FTA是工程中最有效的故障分析方法,FMECA是FTA的基础。各工程领域广泛应用:核工业、航空、航天、机械、电子、兵器、船舶、化工等。,3.1 概述,32,泰坦尼克海难,海难后果,船体钢材不适应海水低温环境,造成船体裂纹,观察员、驾驶员失误,造成船体与冰山相撞,船上的救生设备不足,使大多数落水者被冻死,距其仅20海里的California号无
8、线电通讯设备处于关闭状态,无法收到求救信号,不能及时救援,顶事件,逻辑门,中间事件,底事件,3.1 概述,33,电机故障树,3.1 概述,34,1)定义 故障树故障树指用以表明产品哪些组成部分的故障或外界事件或它们的组合将导致产品发生一种给定故障的逻辑图。故障树是一种逻辑因果关系图,构图的元素是事件和逻辑门事件用来描述系统和元、部件故障的状态逻辑门把事件联系起来,表示事件之间的逻辑关系,3.2 故障树的基本概念,35,故障树分析( FTA )通过对可能造成产品故障的硬件、软件、环境、人为因素进行分析,画出故障树,从而确定产品故障原因的各种可能组合方式和(或)其发生概率。定性分析主要任务是寻找导
9、致顶事件发生的所有可能失效模式-失效谱,或找出使系统成功的成功谱。即找出故障树的全部最小割集或全部最小路集。定量分析 主要任务是利用故障树作为计算模型,在已知底事件发生概率的条件下,求出顶事件(及系统失效)的发生概率,从而对系统的可靠性、安全性及风险作出评估。,3.2 故障树的基本概念,36,2)FAT的目的和特点 目的帮助判明可能发生的故障模式和原因;发现可靠性和安全性薄弱环节,采取改进措施,以提高产品可靠性和安全性;计算故障发生概率;发生重大故障或事故后,FTA是故障调查的一种有效手段,可以系统而全面地分析事故原因,为故障“归零”提供支持;指导故障诊断、改进使用和维修方案等。,3.2 故障
10、树的基本概念,37,特点是一种自上而下的图形演绎方法;有很大的灵活性;综合性:硬件、软件、环境、人素等;主要用于安全性分析;,3.2 故障树的基本概念,38,3)FTA工作要求,在产品研制早期就应进行FTA,以便早发现问题并进行改进。随设计工作进展,FTA应不断补充、修改、完善。“谁设计,谁分析。”故障树应由设计人员在FMEA基础上建立。可靠性专业人员协助、指导,并由有关人员审查,以保证故障树逻辑关系的正确性。,3.2 故障树的基本概念,39,应与FMEA工作相结合应通过FMEA找出影响安全及任务成功的关键故障模式(即I、II类严酷度的故障模式)作为顶事件,建立故障树进行多因素分析,找出各种故
11、障模式组合,为改进设计提供依据。FTA输出的设计改进措施,必须落实到图纸和有关技术文件中应采用计算机辅助进行FTA由于故障树定性、定量分析工作量十分庞大,因此建立故障树后,应采用计算机辅助进行分析,以提高其精度和效率。,3.2 故障树的基本概念,40,4)故障树常用事件和逻辑门符号,3.2 故障树的基本概念,常用事件符号,41,A,3.2 故障树的基本概念,42,常用逻辑门符号,3.2 故障树的基本概念,43,3.2 故障树的基本概念,44,3.2 故障树的基本概念,45,3.2 故障树的基本概念,46,示例,3.2 故障树的基本概念,47,建树步骤广泛收集并分析系统 及其故障的有关资料;选择
12、顶事件;建造故障树;简化故障树。,3.3 故障树分析,分析步骤建立故障树;故障树定性分析故障树定量分析重要度分析分析结论:薄弱环节确定改进措施,1)概述,48,2)故障树定性分析,目的 寻找顶事件的原因事件及原因事件的组合(最小割集)发现潜在的故障发现设计的薄弱环节,以便改进设计指导故障诊断,改进使用和维修方案 割集、最小割集概念割集:故障树中一些底事件的集合,当这些底事件同时发生时,顶事件必然发生;最小割集:若将割集中所含的底事件任意去掉一个就不再成为割集了,这样的割集就是最小割集。,3.3 故障树分析,49,最小割集的意义,最小割集对降低复杂系统潜在事故风险具有重大意义如果能使每个最小割集
13、中至少有一个底事件恒不发生(发生概率极低),则顶事件就恒不发生(发生概率极低) ,系统潜在事故的发生概率降至最低消除可靠性关键系统中的一阶最小割集,可消除单点故障可靠性关键系统不允许有单点故障,方法之一就是设计时进行故障树分析,找出一阶最小割集,在其所在的层次或更高的层次增加“与门”,并使“与门”尽可能接近顶事件。,3.3 故障树分析,50,最小割集可以指导系统的故障诊断和维修如果系统某一故障模式发生了,则一定是该系统中与其对应的某一个最小割集中的全部底事件全部发生了。进行维修时,如果只修复某个故障部件,虽然能够使系统恢复功能,但其可靠性水平还远未恢复。根据最小割集的概念,只有修复同一最小割集
14、中的所有部件故障,才能恢复系统可靠性、安全性设计水平。示例 根据与、或门的性质和割集的定义,可方便找出该故障树的割集是: X1, X2,X3, X1,X2,X3, X2,X1, X1,X3 根据与、或门的性质和割集的定义,可方便找出该故障树的最小割集是: X1,X2,X3,3.3 故障树分析,51,最小割集求解方法常用的有下行法与上行法两种,故障树,下行法求解最小割集,3.3 故障树分析,52,最小割集比较,根据最小割集含底事件数目(阶数)排序,在各个底事件发生概率比较小,且相互差别不大的条件下,可按以下原则对最小割集进行比较: 阶数越小的最小割集越重要 在低阶最小割集中出现的底事件比高阶最小
15、割集中的底事件重要 在最小割集阶数相同的条件下,在不同最小割集中重复出现的次数越多的底事件越重要,3.3 故障树分析,53,3)故障树定量分析,假设独立性:底事件之间相互独立;两态性:元、部件和系统只有正常和故障两种状态指数分布:元、部件和系统寿命故障树的数学描述结构函数典型逻辑门的结构函数结构函数示例单调关联系统典型逻辑门的概率计算顶事件发生概率计算,3.3 故障树分析,54,故障树结构函数,故障树的数学描述,故障树结构函数表示系统状态布尔函数:,3.3 故障树分析,55,典型逻辑门的结构函数,3.3 故障树分析,56,结构函数示例,3.3 故障树分析,57,结构函数示例,3.3 故障树分析
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