系统可靠性课件：Failure Mode Effect Analysis

1、Failure Mode Effect Analysis(FMEA)1957年美国国防部成立电子设备可靠度顾问小组对可靠度下一定义 ，此定义如下： 可靠度为物品于即定的时间内，在特定的使用条 件，执行特定的性能或功能，圆满成功达成任务 的机率。从此一定义可以看出，可靠度基本上是由功能、使用条件、 时间和成功机率四个要素组成。可靠度的基本定义自用轿车在一般市区的行驶条件时速在30-60 km/小时，10-12 km/每公升的燃料费轻踩就能安全地停止煞车维持购买时的水平如果将可靠度的定义对照到上图，所谓的可靠度是指系统(汽车)在规定的使用条件(在一般市区行驶)在期望或即定的期间(时间)(10万公里

2、)执行的功能(可以行驶)达成任务的机率10万公里可靠度定义说明(1)使用的条件(1)环境条件：包含温度、湿度、压力、风、雷电、 盐雾、尘埃、加速、地震等情况。(2)操作条件：依使用的型式而造成的负荷、冲击、 振动、加热、加速度等操作情况。(2)规定的时间(1)依使用型式规定的时间：间歇性的使用次数、行 驶距离等。(2)若为连续使用的系统，则为总使用时数、或任务 时间、总行驶距离等。(3)对于限用一此的项目，如火箭、安全气囊，则无 时间的规定。(3)要求的功能在无故障的情况下操作。(4)成功的机率使用信赖水平、寿命、失效率，与MTBF等表示。 FMEA的历史演进美国1950年代初期葛鲁曼公司应用

3、在海军战机的主操控系统的设计开发，得到很大的成果。1960年代初期航空太空总署(NASA)将FMEA成功地应用于航天计划1965年应用在产业界，使FMEA有关安全性的一种设计工具1957 年波音(Boeing)与马丁(Martin Marietta)公司在其工程手册中正式列出FMEA之程序1974年同时美国军方也开始应用FMEA技术，并于1974年出版军用标准FMECA程序MIL-STD-1629 ，于1980年改版为MIL-STD-1629A，至今仍为全球重要之FMEA参考标准1985年由国际电工技术委员会所出版之国际标准IEC 812即为参考MIL-STD-1629A加以部份修改而成之FM

4、EA程序美国三大汽车厂完成潜在失效模式与效应分析(FMEA)参考手册，确立了FMEA在汽车工业的必要性，并统一其分析程序与表格，在1995年完成修定二版，并成为SAE正式技术文件SAE J-17391993年 FMEA的历史演进(续)日本1973年于日本科学技术连盟机械工业信赖性部会中，发表FMEA/FMECA的解说1976年1973年活用在汽车零件工业的开发设计与工程设计于日本科学技术连盟举办地一届的实务讲座，持续到现在 失效模式与效应分析 (FMEA) 是评估设计过程中，使 用一种特定规则，列举产品所有可能潜在的失效，以 决定每一个失效对整个系统操作之影响，以及认定单 一的失效对任务成功与

5、人员安全之关键性。 FMEA也可按失效影响之严重等级分类，列出失效关 键性之影响与可能发生之机率。 结合FMEA与关键性分析(Criticality Analysis, CA) 这两 种分析方法的过程称为失效模式效应与关键性分析 (Failure Mode Effect and Criticality Analysis, FMECA)。FMEA的基本概念 Blache and Shrivastava 在1994年的论文Defining Failure of Manufacturing Machinery &Equipment将失效的型式分类如 下：失效的基本定义失效间歇性的失效延伸性的失效完全

6、的失效部份的失效瞬间性的失效逐渐性的失效崩溃性的失效瞬间性的失效逐渐性的失效退化性的失效 间歇性的失效(Intermittent failure)：失效仅持续很短的时间 延伸性的失效(Extended failure)：失效会一直持续，直到将 失效的零件更换或修理完后才停止完全的(Complete)失效：导致所有的功能丧失部份的(Partial)失效：导致部份的功能丧失瞬间性(Sudden)的失效：无法藉由先前的测试或检查预 测失效的发生逐渐性(Gradual)的失效：可以藉由先前的测试或检查 预测失效的发生 完全又瞬间性的失效称为崩溃性(Catastrophic)的失效，而部份 又逐渐性的失

7、效称为退化(Degradation)的失效性。失效的基本定义(续) 功能分析法(Function Approach)：根据硬品的输出功能，分析 造成失效的可能原因，由于设计数据欠缺与硬件型态仍未固 定，因此适合在设计初期使用，属于由上而下分析法。 硬品分析法(Hardware Approach)：当系统的组合层次定义相 当清楚，已经有完整的图样、工程设计规格等详细数据可供 参考时，属于由下向上分析法。FMEA分析的方式Radio本体耳机线圈蜂鸣器电源供应器天线喇叭麦克风 硬件分解范例Radio 功能分解范例RadioRadio发射电能线圈蜂鸣器电源供应器天线喇叭麦克风接收蜂鸣 MIL-STD-

8、1629A过去最被熟知的参考数据， 广受国防工业与一般业界参考使用。内容涵盖 Task 101-104，已被美国国防部取消。 SAE J1739 美国三大汽车厂共同制定，成为 QS 9000的执行参考文件。现已成为各界执行 FMEA的标准。FMEA的参考数据 选择适当的FMEA工作表格，为分析之首要工作。 表一系摘录自美军规范 MIL-STD-1629A 的表格，也是最 早使用的分析表格。 美国三大汽车厂则改用以评点的方式评估其严重等级（参 考SAE J1739）如表二所示。FMEA的分析表格系统名称：层次：参考图号页次：分析者审核者：表一： Failure Mode and Effect A

9、nalysisProcess 1 Scheduled Production Release 6Primary Process Responsibility 2 Engineer 7Other Division/PEO Involved 3 Section Supervisor 8 Outside Suppliers Affected 4 FMEA Date Original Revised 9Model Year/Product(s) 5 表二：制程之FMEA 由于产品的发展阶段特性，FMEA分成两类型式：设计FMEA(DFMEA)制程FMEA(PFMEA) DFMEA 与 PFMEA主要的区

10、分是目的不同SAE J1739 FMEA的型式设计FMEA：一开始就针对所分析的系统、次系统，及 或 组件着手建立方块图，建立方块图(block diagram)的主要目 的是了解方块的输入量、在方块内部的制程(功能) 、方块 的输出量，主要是表示如信息、能量、力与流体等的输入 与输出流程。制程FMEA：一开始就针对一般的制程建立流程图 风险评 估，而流程图应确认与每一项操作步骤有关的产品 制程的 特性，当确认某些步骤为高风险时，就要评估是否要执行 FMEA。SAE J1739 FMEA的型式(续)PFMEA：流程图 风险评估的范例车门内部喷蜡的应用 制程的步骤 风险评估1)从支撑座取得喷蜡棒

11、2)打开车门3)*插入喷蜡棒并拉开扳机12秒4)松开扳机等3秒5)移开喷蜡棒6)关车门7)将喷蜡棒放回支撑座低风险低风险高风险中度风险中度风险低风险低风险注：*因属于高风险，表示需要执行 FMEAD/P FMEA 的区分 执行DFMEA时，分析小组成员会问？当某个设计失效时，会造成什么的效应？我们应该如何去预防这些潜在性的设计失效？ 执行PFMEA时，分析小组成员会问？当某个制程失效时，会造成什么的效应？我们应该如何去预防这些潜在性的制程失效？ 确认要执行实施FMEA的系统，辅助系统之任务明确设定系统之可靠度目标 设定系统的硬件分解结构制定系统的可靠度方块图列举每一个方块图内的失效模式 设计F

12、MEA的实施程序依各选出的失效模式列举其失效原因记录在FMEA的工作表格参考设计条件、严重等级分类基准、归纳整理FMEA从严重等级高者优先归纳出矫正措施，检讨是否要进行设计变更对矫正措施（包括设计变更）明确 5 W l H设计FMEA的实施程序(续) 产品设计逻辑的图面 以长方形的方式图示组件或次系统之间的接口关系 在建构FMEA时，方块图可做为分析的参考数据，以确保所有的功 能皆有纳入考虑可靠度方块图(block diagram) 制作可靠度方块图的理由：于方块图内假设该项目的潜在失效， 完整地检讨在系统里发生的失效及其影响。 制作可靠度方块图的分析层次：多半使用在次系统、组合件层次 ，若分

13、析层次分的太细的话，则失效的检讨将窒碍难行，无法呈 现其效果。可靠度方块图(续) 可靠度方块图的制定程序 功能方块图最好是在同一分析层次 在同一个方块图里不要放其他功能的物品 达成同一任务的几种功能方块，若互相独立时要以串联方式接续 达成同一任务的几种功能方块，具有复连时要以并联方式接续 可靠度功能方块图串联系统并联系统复杂系统复杂系统的可靠度方块图ABC系统方块名称方块编号A11.11.02.03.0A21.2A31.3B12.1B22.2C13.1C2a3.2aC2b3.2bC33.3 FMEA 的分析流程系统功能模式 失效1.机制2.模式失效侦测方法 次系统1.组件2.界面危险优先指数1

14、.严重等级2.发生机率3.侦测难检度失效效应1.系统2.任务输入至其他工作1.危害分析2.质量管理3.后勤支援分析数据源1. 现场报告2. 其他规格、蓝图制程矫正行动有效吗?否是数据源1. 现场报告2. 其他FMEA的期待成效 具体的指出设计上的可靠度与安全性的缺陷，以便能提出对 策建议。 在所要求的操作、环境条件下，对于不适当的设计可立即提 出改善。 透过实施有效的FMEA，可望缩短开发成本与时间。 FMEA是对产品责任(Product Liability)有帮助的工具规格：XXXXXX页次：功能失效模式效应SEV原因OCCDETRPN改进建议状况 FMEA分析表格 字段的说明效应(effe

15、ct)描述失效模式的结果严重度(SEVerity)描述发生该失效模式所导至效应的严重程度 (等级 110)原因(cause)描述引发该失效模式的条件或理由发生率(OCCurrence)分为两种(等级110) ，第一种是描述该失效模式 发生的频率，第二种是描述引发该失效模式的原因所发生的频率难检度(DETection)描述侦测出失效模式或失效原因的能力(等级110)风险优先指数(Risk Priority Number, RPN) SEV * OCC * DET (等级 11000) 失效模式应以物理性或技术性的词汇表示，而不是以顾客 所注意的征兆表示。典型的失效模式如破裂的、变形、松 开、泄漏

16、、短路、氧化、断裂等。失效效应是以顾客所察觉或经验表示。效应必须根据指定 的分析系统、次系统或零件之间的层次表示。例如某个零 件断裂 ，可能引起组件振动，倒致系统间歇性的操作，因 此可能引起性能退化，最终引起顾客不满。失效模式与失效效应现有的设计管制：有三种型式的设计管制可提供考虑预防失效原因机制或模式效应发生，或降低发生率侦测到失效原因机制后，并采取矫正行动 侦测到失效模式优先级：假如可能的话是第一种型式为第一优先考虑， 接着第二、三种型式分别为第二、三顺位设计管制 失效原因确认原因的七个步骤如下：1. 记录失效模式2. 审查对应的方块图3. 以脑力激荡的方式探讨所有可能的原因4. 使用鱼骨

17、图(或称Ishikawa diagram)建构所有的原因5. 假如鱼骨图很明显不够完整的话，执行失效树分析6. 审查鱼骨图，筛选出真正的根本原因(root cause)7. 将根本原因转成 FMEA 格式失效原因 机制尽可能愈简洁与完整地列举，如此才可针 对切题的原因采取对策解决。典型的失效原因如使用的材料错误、过应力、润滑不够、 维修指令错误等。典型的失效机制如弯曲疲劳、材料不稳定、潜变、磨耗腐 蚀 等。失效原因(续) 依照国际电工委员会出版的IEC 50(191)针对失效原因的分类如下：失效原因(续)失效原因设计设计上的失效脆弱性的失效制造使用制造性的失效寿限性的失效误用上的失效处理不当的

18、失效 设计上的失效(Design)：由于设计不当所造成 脆弱性的失效(Weakness)：由于系统本身的脆弱性，使得在一 般环境下无法抵挡外界应力 制造上的失效(Manufacturing)：由于制造上的不符合所造成 寿限上的失效(Aging)：由于寿限或使用年限的效应所造成 误用上的失效(Misuse)：由于系统误用(设计的系统与预期的操 作环境不一样)处理不当的失效(Mishandling)：由于不正确的处理、不小心、维 修所造成失效原因(续)原因原因原因原因失效模式鱼骨图失效模式原因原因原因原因原因原因失效树 改进的建议：应针对高的RPN与关键项目采取矫正行动， 主要的目的是降低S、O、

19、D其中之一或全部的评点。增加设计的验证与确认行动仅降低难检度的评点经由设计变更移除或管制某项或更多的失效原因 (或机制)可有效的降低发生率只有设计变更方可降低严重度等级采取的行动如实验设计、更改测试计划、更改设计、 更改材料规格等改进的建议严重度(Severity)等级顾客不会注意到效果影响很小，顾客虽注意到，但不会造成不便效果影响很小，虽已造成顾客的不便，但仍不至于寻求服务效果影响很小，顾客要求服务效果影响小，顾客要求立即的服务效果适度的影响，已造成顾客的不满效果适度的影响，已造成顾客的抱怨效果影响大，引起系统中断，属于硬性的失效效果影响很严重，系统完全当机，有安全之虞效果影响很严重，生命受

20、到威胁12345678910发生率(Occurrence)等级绝对不会发生几乎不会发生发生的机会极小发生的机会很小偶尔会发生适度的发生经常的发生发生的机会很高发生的机会极高一定会发生12345678910 25%难检度(Detection)等级不可能侦测到很困难侦测到侦测到的机会极小侦测到的机会很小侦测到的机会小侦测到的机会中等侦测到的机会有点高侦测到的机会高侦测到的机会很高一定可以侦测的到10987654321规格：XXXXXX页次：功能失效模式效应SEV原因OCCDETRPN改进建议状况要采取什么建议呢？预防该失效模式降低严重度等级减少发生的机率改进侦测的能力投影机 的可靠度功能方块图电线

21、马达开关灯泡面板支撑臂镜头FMEA小组的功能的描述：提供灯光影像的投射影像的扩大能够支持投影片可携式放大功能聚焦运转安静操作温度的维持物料与温度的隔离使操作人员与热隔离承受110/220电压的操作提供电力自我冷却必须能够对准影像讨论与审查后FMEA小组的功能的描述：提供灯光影像的投射影像的扩大能够支持投影片可携式放大功能聚焦运转安静操作温度的维持物料与温度的隔离使操作人员与热隔离承受110/220电压的操作提供电力自我冷却必须能够对准影像 功能的描述：提供灯光操作温度的维持聚焦影像的投射影像的扩大 失效模式：无法工作无法工作不能使用不能使用无法工作 效应：？ 功能的描述：提供灯光操作温度的维持

22、聚焦影像的投射影像的扩大 失效模式：无法提供灯光超出操作温度不能聚焦影像无法投射影像无法扩大FMEA小组针对失效模式的叙述改以负面功能的方式表示规格：XXXXXX页次：1功能失效模式效应SEV原因OCCDETRPN改进建议状况提供光线支持投影片对准影像操作温度的维持110/220的电压操作没有光线无法支持无法对准温度过高只有110的电压规格：XXXXXX页次：2功能失效模式效应SEV原因OCCDETRPN改进建议状况聚焦投射影象影像的扩大运转安静绝缘热不能调焦距无法投射无法扩大影像噪音绝缘效果差规格：XXXXXX页次：1功能失效模式效应SEV原因OCCDETRPN改进建议状况提供光线支持投影片

23、对准影像操作温度的维持110/220的电压操作没有光线无法支持无法对准温度过高只有110的电压不能看使用困难无法看清处喇叭投影机烧掉82396规格：XXXXXX页次：2功能失效模式效应SEV原因OCCDETRPN改进建议状况聚焦投射影象影像的扩大运转安静绝缘热不能调焦距无法投射无法扩大影像噪音绝缘效果差阅读困难不能看无法看远处听不清处5827喇叭投影机烧掉96规格：XXXXXX页次：1功能失效模式效应SEV原因OCCDETRPN改进建议状况提供光线支持投影片对准影像操作温度的维持110/220的电压操作没有光线无法支持无法对准温度过高只有110的电压不能看使用困难无法看清处喇叭投影机烧掉823

24、96灯泡烧调或损毁面板损坏绞链损坏风扇或传感器故障7314规格：XXXXXX页次：2功能失效模式效应SEV原因OCCDETRPN改进建议状况聚焦投射影象影像的扩大运转安静绝缘热不能调焦距无法投射无法扩大影像噪音绝缘效果差阅读困难不能看无法看远处听不清处5827喇叭投影机烧掉96旋钮损坏灯泡烧掉或故障风扇松动6429镜头或旋钮损坏风扇或传感器故障2规格：XXXXXX页次：1功能失效模式效应SEV原因OCCDETRPN改进建议状况提供光线支持投影片对准影像操作温度的维持110/220的电压操作没有光线无法支持无法对准温度过高只有110的电压不能看使用困难无法看清处喇叭投影机烧掉82396灯泡烧调或

25、损毁面板损坏绞链损坏风扇或传感器故障73144639224369324216规格：XXXXXX页次：2功能失效模式效应SEV原因OCCDETRPN改进建议状况聚焦投射影象影像的扩大运转安静绝缘热不能调焦距无法投射无法扩大影像噪音绝缘效果差阅读困难不能看无法看远处听不清处5827喇叭投影机烧掉96旋钮损坏灯泡烧掉或故障风扇松动6429镜头或旋钮损坏风扇或传感器故障26469180128241621087441规格：XXXXXX页次：1功能失效模式效应SEV原因OCCDETRPN改进建议状况提供光线支持投影片对准影像操作温度的维持110/220的电压操作没有光线无法支持无法对准温度过高只有110的

26、电压不能看使用困难无法看清处喇叭投影机烧掉82396灯泡烧调或损毁面板损坏绞链损坏风扇或传感器故障73144639224369324216增加一个备份灯泡提升热传感器的等级待成本研讨后再决定同意规格：XXXXXX页次：2功能失效模式效应SEV原因OCCDETRPN改进建议状况聚焦投射影象影像的扩大运转安静绝缘热不能调焦距无法投射无法扩大影像噪音绝缘效果差阅读困难不能看无法看远处听不清处5827喇叭投影机烧掉96旋钮损坏灯泡烧掉或故障风扇松动6429镜头或旋钮损坏风扇或传感器故障26469180128241621087441增加一个备份灯泡待成本研讨后再决定提升绝缘材料同意电线马达开关面板支撑臂

27、镜头没有灯光OR电力次系统灯光次系统机械次系统OROR电线马达灯泡开关接触0.020.010.02980.10.02980.010.020.15280.1现有的设计 组件：电线马达灯泡开关接触 发生之机率：0.020.010.10.010.02使用失效树分析(Fault Tree Analysis)的Logic Gate 观念计算失效模式的发生机率Logic Gate计算公式ANDORP(a) x P(b) x P(n)P(a + b) -P(a x b) = P(a) + P(b) - P(a x b)范例：电力次系统 = (0.02 + 0.01) - (0.02 x 0.01) = 0.

28、0298 灯光次系统 = 0.1 机械次系统 = (0.02 + 0.01) - (0.02 x 0.01) = 0.0298电线马达开关面板支撑臂镜头没有灯光OR电力次系统灯光次系统机械次系统OROR电线马达灯泡开关接触0.020.010.02980.010.02980.010.020.06810.1新的设计灯泡0.1AND检查 传统的分析方法 RPN = 严重度(Severity)发生率(Occurrence)难检度(Detection)XX RPN 高风险 中风险 低风险传统的RPN是主动式(SEV, OCC)与被动式(DET)设计的组合 新的分析方法 面积图(Area Chart)严重度(Severity)发生率(Occurrence)XX=8234567191012345678910高风险中风险低风险发生率严重度 范例