基于FMEA方法的電子設(shè)備結(jié)構(gòu)可靠性分析

馬建章，高馳名，吳 迪

（中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081）

基于FMEA方法的電子設(shè)備結(jié)構(gòu)可靠性分析

馬建章，高馳名，吳 迪

（中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081）

主要研究故障模式及影響分析（FMEA）方法在電子設(shè)備結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。簡(jiǎn)要介紹了FMEA方法的工作流程，闡述了定義約定層次、建立方框圖、確定故障模式和風(fēng)險(xiǎn)分析評(píng)定的方法等內(nèi)容。以電子設(shè)備為例，詳細(xì)說明了FMEA在電子設(shè)備結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)中如何分析設(shè)備結(jié)構(gòu)潛在的故障模式、故障影響、故障原因和風(fēng)險(xiǎn)度等，并提出糾正措施對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。根據(jù)分析結(jié)果編寫了FMEA報(bào)告，并進(jìn)行FMEA評(píng)審。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，該方法適合于電子設(shè)備結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)與分析。

FMEA；結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)；故障模式；風(fēng)險(xiǎn)分析評(píng)定

0 引言

隨著電子設(shè)備性能的不斷提升，設(shè)備集成化程度越來越高，這對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)可靠性提出了更高的要求。設(shè)備結(jié)構(gòu)類產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)目前還沒有一套成熟、簡(jiǎn)便的經(jīng)驗(yàn)和章程可循，電子產(chǎn)品的可靠性方法和通用準(zhǔn)則，只要使用得當(dāng)，它對(duì)結(jié)構(gòu)可靠性水平的提高也是具有參考意義的［1］。故障模式及影響分析方法（Failure Mode and Effects Analysis，F(xiàn)MEA）是一種可靠性分析和安全性評(píng)估方法，它是目前可靠性分析中具有最高效益比的方法之一，在航空、航天、船舶、軌道交通以及汽車工業(yè)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

在電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，運(yùn)用FMEA方法能幫助確定設(shè)備結(jié)構(gòu)中的潛在薄弱環(huán)節(jié)，根本上排除或使其影響為最小，從而提高了結(jié)構(gòu)可靠性，進(jìn)而保證了設(shè)備的可靠性［2］。本文以車載電子設(shè)備為例，詳細(xì)介紹了如何使用FMEA方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)，提高設(shè)備結(jié)構(gòu)的可靠性。

1 FMEA方法

FMEA方法是一種“自下而上”的定性分析方法。該方法通過分析系統(tǒng)中的每一個(gè)潛在的故障模式，確定其對(duì)系統(tǒng)所產(chǎn)生的影響，并把每一個(gè)潛在的故障模式按它的嚴(yán)酷度進(jìn)行分類。根據(jù)故障分析，進(jìn)一步針對(duì)故障原因和失效機(jī)理采取預(yù)防和糾正措施，從而提高產(chǎn)品的可靠性［3］。

1.1 FMEA分析流程

FMEA常用2種基本方法：功能分析法和硬件分析法，針對(duì)不同的系統(tǒng)選擇不同的方法。在結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)中采用硬件法結(jié)合功能法進(jìn)行分析［4］。電子設(shè)備結(jié)構(gòu)可靠性FMEA分析的主要步驟一般包括：收集信息、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)方案、定義系統(tǒng)、實(shí)施FMEA分析、查找薄弱環(huán)節(jié)、生成FMEA報(bào)告、FMEA評(píng)審等。

進(jìn)行FMEA分析前要進(jìn)行準(zhǔn)備工作，主要包括收集信息和系統(tǒng)定義，其中系統(tǒng)定義主要包括建立系統(tǒng)的功能方框圖和可靠性方框圖、定義約定層次、確定故障判據(jù)和嚴(yán)酷度類別等。實(shí)施FMEA分析主要包括確定故障模式、進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析評(píng)定和提出補(bǔ)償措施等。FMEA報(bào)告是對(duì)整個(gè)分析過程進(jìn)行整理，包括故障判據(jù)、嚴(yán)酷度定義、FMEA方法、FMEA的約定層次、系統(tǒng)定義、FMEA表格、FMEA清單、結(jié)論與建議等［5］。FMEA報(bào)告完成后進(jìn)行FMEA評(píng)審，如果評(píng)審?fù)ㄟ^則分析結(jié)束，未通過則修改結(jié)構(gòu)方案繼續(xù)前面流程。

1.2 風(fēng)險(xiǎn)分析評(píng)定

風(fēng)險(xiǎn)分析和評(píng)定的目的是對(duì)產(chǎn)品每一個(gè)故障模式的嚴(yán)酷度、發(fā)生的概率以及可探測(cè)度的綜合情況進(jìn)行分析，以全面評(píng)價(jià)產(chǎn)品中所有可能出現(xiàn)的故障模式的影響。對(duì)產(chǎn)品每個(gè)故障模式的風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先系數(shù)RPN值進(jìn)行優(yōu)先排序，并采取相應(yīng)的措施，使RPN值達(dá)到可接受的最低水平。風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先系數(shù)RPN值為嚴(yán)重度、探測(cè)度、發(fā)生頻度的乘積［6，7］。

1.2.1 嚴(yán)重度S

嚴(yán)重度是一種給定失效模式最嚴(yán)重的影響后果的級(jí)別，是一種相對(duì)指標(biāo)，其指標(biāo)值并無絕對(duì)意義，對(duì)分析者評(píng)分時(shí)并不要求一個(gè)數(shù)值上絕對(duì)準(zhǔn)確性，只需要有一個(gè)分區(qū)度即可［8］，評(píng)分準(zhǔn)則如表1所示。

表1 嚴(yán)酷度類別（嚴(yán)酷度等級(jí)的評(píng)分準(zhǔn)則）

1.2.2 探測(cè)度D

探測(cè)度是與設(shè)計(jì)控制中所列的最佳探測(cè)控制相關(guān)聯(lián)的定級(jí)數(shù)，是對(duì)產(chǎn)品故障探測(cè)能力的一種度量。在設(shè)計(jì)預(yù)防和控制方法中，探測(cè)得越早越好，對(duì)于潛在故障模式，應(yīng)盡可能設(shè)計(jì)事前探測(cè)方法，評(píng)分準(zhǔn)則如表2所示。

表2 故障模式可探測(cè)度（D）的評(píng)分準(zhǔn)則

1.2.3 發(fā)生頻度O

發(fā)生頻度是對(duì)事件發(fā)生的可能性的一個(gè)度量?？筛鶕?jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和設(shè)備的具體功能、原理，結(jié)構(gòu)相近的產(chǎn)品和歷史信息，基于邏輯推理評(píng)價(jià)故障的發(fā)生頻度［9］，評(píng)分準(zhǔn)則如表3所示。

表3 故障模式發(fā)生概率等級(jí)（O）的評(píng)分準(zhǔn)則

2 電子設(shè)備結(jié)構(gòu)可靠性FMEA分析

2.1 電子設(shè)備結(jié)構(gòu)方案

某電子設(shè)備為車載測(cè)試設(shè)備，上架使用，同時(shí)也能作為便攜式測(cè)試設(shè)備放置桌面使用。根據(jù)設(shè)備對(duì)密封性、電磁屏蔽性、耐沖擊振動(dòng)、三防、濕熱和高低溫等方面的要求，確定結(jié)構(gòu)方案，其結(jié)構(gòu)主要由盒體、面板、屏幕、鍵盤以及角件屏蔽材料等組成。

在方案設(shè)計(jì)階段要進(jìn)行設(shè)備結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)，分析設(shè)備結(jié)構(gòu)潛在的故障模式，確定薄弱環(huán)節(jié)并加以改進(jìn)，提高設(shè)備結(jié)構(gòu)可靠性，使其滿足設(shè)備環(huán)境適應(yīng)性的要求。

2.2 FMEA分析

根據(jù)設(shè)備結(jié)構(gòu)組成和各個(gè)部件的功能，采用硬件法結(jié)合功能法進(jìn)行結(jié)構(gòu)可靠性FMEA分析。首先進(jìn)行系統(tǒng)定義和建立框圖，再確定故障模式并進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)評(píng)定分析，最后填寫表格及報(bào)告進(jìn)行評(píng)審。

約定FMEA分析的初始約定層次為整機(jī)結(jié)構(gòu)；約定層次為盒體、面板、導(dǎo)電橡膠、角件和緊固件等；最低約定層次為：屏蔽玻璃、橡膠墊、屏幕壓板、橡膠鍵盤及鍵盤壓板等。系統(tǒng)組成與約定層次如圖3所示。

圖1 設(shè)備系統(tǒng)組成與約定層次

根據(jù)設(shè)備結(jié)構(gòu)的約定層次及相互之間的關(guān)系，分別建立設(shè)備結(jié)構(gòu)功能方框圖和可靠性方框圖，可靠性方框圖如圖2所示。

圖2 設(shè)備結(jié)構(gòu)可靠性

根據(jù)以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、相似設(shè)備試驗(yàn)和使用過程中出現(xiàn)過的故障和設(shè)備結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等因素，確定設(shè)備結(jié)構(gòu)各個(gè)組成單元潛在的故障模式，故障模式如表4所示。

表4 設(shè)備結(jié)構(gòu)FMEA表（節(jié)選）

根據(jù)表1、表2和表3對(duì)每個(gè)故障模式進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)定分析，并確定每個(gè)故障模式的影響，具體內(nèi)容如表4所示。

根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)定分析值的大小，確定結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)并依次對(duì)每個(gè)故障模式進(jìn)行分析，提出改進(jìn)措施，使用糾正措施改進(jìn)設(shè)計(jì)方案后再次進(jìn)行FMEA分析，風(fēng)險(xiǎn)分析和評(píng)定系數(shù)有明顯下降。

2.3 FMEA結(jié)果

匯總以上FMEA分析內(nèi)容，填寫設(shè)備結(jié)構(gòu)的FMEA表格等，其具體內(nèi)容如表4所示。根據(jù)設(shè)備結(jié)構(gòu)FMEA表格，編寫設(shè)備結(jié)構(gòu)FMEA報(bào)告，與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案一起評(píng)審。

根據(jù)FMEA分析結(jié)果對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后進(jìn)行加工、裝配。設(shè)備在使用和試驗(yàn)過程中均未出現(xiàn)FMEA分析中的故障模式，表明FMEA方法能有效的改進(jìn)設(shè)備結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，提高設(shè)備結(jié)構(gòu)的可靠性。

3 結(jié)束語

FMEA方法作為最常用的可靠性分析方法之一，在國外可靠性設(shè)計(jì)中普遍應(yīng)用，已經(jīng)規(guī)定為設(shè)計(jì)階段必須進(jìn)行的工作［10］。合理運(yùn)用FMEA方法能有效地提高設(shè)備結(jié)構(gòu)可靠性，增強(qiáng)產(chǎn)品核心競(jìng)爭(zhēng)力，值得在結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)中推廣應(yīng)用。電子設(shè)備結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，相關(guān)研究尚屬于起步階段，有關(guān)可靠性數(shù)據(jù)信息記錄極不完全，失效模式種類繁多，相互之間并不完全獨(dú)立，因此需要有關(guān)人員共同努力、不斷積累和完善，提高電子設(shè)備結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)水平。

［1］焦超鋒，醋強(qiáng)一，任 召，等．機(jī)載電子設(shè)備結(jié)構(gòu)可靠性技術(shù)分析［J］．機(jī)械工程師，2014（4）：112－114．

［2］姚有順．船用電子設(shè)備結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)［J］．中國艦船研究，2007，2（2）：43－47．

［3］沈 政，牛從民，鄧連喜．FMEA在工程機(jī)械系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］．工程機(jī)械，2012，43（12）：38－42．

［4］蔡芝明，金家善，何春雨．柴油機(jī)燃油系統(tǒng)故障模式及影響分析［J］．裝備制造技術(shù)，2011（12）：63－65．

［5］程 卓，朱北園，谷巖，等．衛(wèi)星產(chǎn)品FMEA存在的問題及改進(jìn)建議［J］．質(zhì)量與可靠性，2011（3）：24－28．

［6］孟慶新，劉岱，吳瑤．關(guān)于FMEA飛機(jī)副翼感覺定中機(jī)構(gòu)故障分析［J］．中國民航大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，30（6）：56－59．

［7］陸春榮．FMEA在空壓機(jī)使用中的應(yīng)用［J］．化工技術(shù)與開發(fā)，2012，41（9）：63－65．

［8］GJB1391－2006，故障模式、影響及危害性分析程序［S］．

［9］曾聲奎．可靠性設(shè)計(jì)與分析［M］．北京：國防工業(yè)出版社，2011：212－214．

［10］郭彥濤．電子設(shè)備的可靠性設(shè)計(jì)［J］．無線電通信技術(shù)，1998，24（5）：5－7．

Reliability Analysis of Electronic Equipment Construction Based on FMEA

MA Jian-zhang，GAO Chi-ming，WU Di
（The 54th Research Institute of CETC，Shijiazhuang Hebei 050081，China）

The application of FMEA on the construction design of electronic equipment is mainly researched in this paper．This paper briefly introduces the process of FMEA．The methods defining indenture levels，setting up block diagram，confirming fault mode，calculating RPN is expounded．Taking electronic equipment as an example，it explicates the method of analyzing the potential fault mode，the cause of fault mode，the influence and RPN of fault mode．The Corrective measure is put forward to ameliorate the construction of electronic equipment．The FMEA report is compiled base on the analysis result and reviewed by experts．The experimental results have proved the method is suit for the design and analysis of electronic equipment construction．

FMEA；designing of electronic equipment construction；fault mode；risk priority number

TH136

A

1003－3106（2015）07－0075－04

10．3969／j．issn．1003－3106．2015．07．20

馬建章，高馳名，吳 迪．基于FMEA方法的電子設(shè)備結(jié)構(gòu)可靠性分析［J］．無線電工程，2015，45（7）：75－78．

馬建章男，（1982—），工程師。主要研究方向：電子通信設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2015-04-15

高馳名男，（1982—），工程師。主要研究方向：電子通信設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。