馬建章，高馳名，吳 迪

（中國電子科技集團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)計中的應(yīng)用。簡要介紹了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)險分析評定的方法等內(nèi)容。以電子設(shè)備為例，詳細說明了FMEA在電子設(shè)備結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計中如何分析設(shè)備結(jié)構(gòu)潛在的故障模式、故障影響、故障原因和風(fēng)險度等，并提出糾正措施對設(shè)備結(jié)構(gòu)進行改進。根據(jù)分析結(jié)果編寫了FMEA報告，并進行FMEA評審。經(jīng)試驗驗證，該方法適合于電子設(shè)備結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計與分析。

FMEA；結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計；故障模式；風(fēng)險分析評定

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)計目前還沒有一套成熟、簡便的經(jīng)驗和章程可循，電子產(chǎn)品的可靠性方法和通用準則，只要使用得當(dāng)，它對結(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)計中，運用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，詳細介紹了如何使用FMEA方法進行結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計，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)中的每一個潛在的故障模式，確定其對系統(tǒng)所產(chǎn)生的影響，并把每一個潛在的故障模式按它的嚴酷度進行分類。根據(jù)故障分析，進一步針對故障原因和失效機理采取預(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，針對不同的系統(tǒng)選擇不同的方法。在結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計中采用硬件法結(jié)合功能法進行分析［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)計結(jié)構(gòu)方案、定義系統(tǒng)、實施FMEA分析、查找薄弱環(huán)節(jié)、生成FMEA報告、FMEA評審等。

進行FMEA分析前要進行準備工作，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)和嚴酷度類別等。實施FMEA分析主要包括確定故障模式、進行風(fēng)險分析評定和提出補償措施等。FMEA報告是對整個分析過程進行整理，包括故障判據(jù)、嚴酷度定義、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報告完成后進行FMEA評審，如果評審?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)險分析評定

風(fēng)險分析和評定的目的是對產(chǎn)品每一個故障模式的嚴酷度、發(fā)生的概率以及可探測度的綜合情況進行分析，以全面評價產(chǎn)品中所有可能出現(xiàn)的故障模式的影響。對產(chǎn)品每個故障模式的風(fēng)險優(yōu)先系數(shù)RPN值進行優(yōu)先排序，并采取相應(yīng)的措施，使RPN值達到可接受的最低水平。風(fēng)險優(yōu)先系數(shù)RPN值為嚴重度、探測度、發(fā)生頻度的乘積［6，7］。

1.2.1 嚴重度S

嚴重度是一種給定失效模式最嚴重的影響后果的級別，是一種相對指標，其指標值并無絕對意義，對分析者評分時并不要求一個數(shù)值上絕對準確性，只需要有一個分區(qū)度即可［8］，評分準則如表1所示。

表1 嚴酷度類別（嚴酷度等級的評分準則）

1.2.2 探測度D

探測度是與設(shè)計控制中所列的最佳探測控制相關(guān)聯(lián)的定級數(shù)，是對產(chǎn)品故障探測能力的一種度量。在設(shè)計預(yù)防和控制方法中，探測得越早越好，對于潛在故障模式，應(yīng)盡可能設(shè)計事前探測方法，評分準則如表2所示。

表2 故障模式可探測度（D）的評分準則

1.2.3 發(fā)生頻度O

發(fā)生頻度是對事件發(fā)生的可能性的一個度量。可根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗和設(shè)備的具體功能、原理，結(jié)構(gòu)相近的產(chǎn)品和歷史信息，基于邏輯推理評價故障的發(fā)生頻度［9］，評分準則如表3所示。

表3 故障模式發(fā)生概率等級（O）的評分準則

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)備為車載測試設(shè)備，上架使用，同時也能作為便攜式測試設(shè)備放置桌面使用。根據(jù)設(shè)備對密封性、電磁屏蔽性、耐沖擊振動、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)計階段要進行設(shè)備結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計，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，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)組成和各個部件的功能，采用硬件法結(jié)合功能法進行結(jié)構(gòu)可靠性FMEA分析。首先進行系統(tǒng)定義和建立框圖，再確定故障模式并進行風(fēng)險系數(shù)評定分析，最后填寫表格及報告進行評審。

約定FMEA分析的初始約定層次為整機結(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)計經(jīng)驗、相似設(shè)備試驗和使用過程中出現(xiàn)過的故障和設(shè)備結(jié)構(gòu)特點等因素，確定設(shè)備結(jié)構(gòu)各個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對每個故障模式進行風(fēng)險評定分析，并確定每個故障模式的影響，具體內(nèi)容如表4所示。

根據(jù)風(fēng)險評定分析值的大小，確定結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)并依次對每個故障模式進行分析，提出改進措施，使用糾正措施改進設(shè)計方案后再次進行FMEA分析，風(fēng)險分析和評定系數(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報告，與結(jié)構(gòu)設(shè)計方案一起評審。

根據(jù)FMEA分析結(jié)果對設(shè)備結(jié)構(gòu)進行改進，結(jié)構(gòu)設(shè)計完成后進行加工、裝配。設(shè)備在使用和試驗過程中均未出現(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)計中普遍應(yīng)用，已經(jīng)規(guī)定為設(shè)計階段必須進行的工作［10］。合理運用FMEA方法能有效地提高設(shè)備結(jié)構(gòu)可靠性，增強產(chǎn)品核心競爭力，值得在結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計中推廣應(yīng)用。電子設(shè)備結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計是一項系統(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)計水平。

［1］焦超鋒，醋強一，任 召，等．機載電子設(shè)備結(jié)構(gòu)可靠性技術(shù)分析［J］．機械工程師，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［J］．中國艦船研究，2007，2（2）：43－47．

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

［4］蔡芝明，金家善，何春雨．柴油機燃油系統(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飛機副翼感覺定中機構(gòu)故障分析［J］．中國民航大學(xué)學(xué)報，2012，30（6）：56－59．

［7］陸春榮．FMEA在空壓機使用中的應(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［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。

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。