曾利,汪小林
(四川九洲電器集團(tuán)有限責(zé)任公司,四川 綿陽(yáng) 621000)
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測(cè)試性試驗(yàn)的FMECA方法研究
曾利,汪小林
(四川九洲電器集團(tuán)有限責(zé)任公司,四川綿陽(yáng)621000)
故障模式、影響及危害性分析 (FMECA)是開展測(cè)試性分析的重要基礎(chǔ)之一。通過對(duì)某機(jī)載設(shè)備測(cè)試性驗(yàn)證試驗(yàn)實(shí)例中的FMECA的分析過程進(jìn)行研究,提出了適用于測(cè)試性試驗(yàn)的FMECA方法,保證了FMECA分析工作的適用性和準(zhǔn)確性,對(duì)于今后測(cè)試性試驗(yàn)的FMECA工作的開展具有一定的借鑒和指導(dǎo)意義。
約定層次;故障模式;故障原因;故障影響;測(cè)試性試驗(yàn)
故障模式、影響及危害性分析 (FMECA:Fai1ure Mode,Effects and Critica1ity Ana1ysis)是開展測(cè)試性分析的重要基礎(chǔ)之一。FMECA的結(jié)果,尤其是獲得的故障模式等內(nèi)容,能夠?yàn)楫a(chǎn)品的測(cè)試性指標(biāo)分配、測(cè)試性預(yù)計(jì)、故障注入或模擬、優(yōu)選測(cè)試點(diǎn)和具體操作等方面提供支持[1]。FMECA是測(cè)試性試驗(yàn)的重點(diǎn)設(shè)計(jì)輸入,有嚴(yán)格而系統(tǒng)的遞進(jìn)分析要求,分析的內(nèi)容主要包括受試產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)信息、功能信息、測(cè)試性設(shè)計(jì)信息、外場(chǎng)試驗(yàn)故障數(shù)據(jù)和其他研制試驗(yàn)故障數(shù)據(jù)等,其結(jié)果的完備性與合理性,是確保測(cè)試性試驗(yàn)設(shè)計(jì)輸入適用性的前提條件[2-3]。
1.1約定層次需求
不同層別的FMECA,可獲得不同約定層次的故障模式、影響和故障率數(shù)據(jù)等信息,根據(jù)分析結(jié)果,可進(jìn)行測(cè)試性指標(biāo)的分配、測(cè)試點(diǎn)的選取和固有測(cè)試性及機(jī)內(nèi)測(cè)試 (BIT)的設(shè)計(jì);若進(jìn)行覆蓋各層級(jí) (包括元器件級(jí)別)的FMECA分析,結(jié)合可靠性預(yù)計(jì)的結(jié)果,不但可以通過建模預(yù)計(jì)出測(cè)試性檢測(cè)率和各層級(jí)隔離率,同時(shí)依照一定的抽樣算法,在此FMECA分析中抽取用例,模擬器件的故障,還可以完成測(cè)試性驗(yàn)證試驗(yàn),為裝備的測(cè)試性指標(biāo)的達(dá)標(biāo)情況提供科學(xué)的依據(jù)。
將FMECA用于測(cè)試性驗(yàn)證試驗(yàn)時(shí),產(chǎn)品的構(gòu)成已明確、其結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)圖紙資料已確定,已經(jīng)可以形成詳細(xì)和嚴(yán)格的可靠性框圖,硬件與功能能夠?qū)?yīng),因此須采用硬件法分析,即對(duì)產(chǎn)品的實(shí)物硬件設(shè)計(jì)的缺陷及薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行詳細(xì)的分析,而非僅僅分析其功能。產(chǎn)品的約定層次即分析的對(duì)象,按照其復(fù)雜程度,可以分為元器件、功能電路、SRU、LRU/LRM、分機(jī)和整機(jī)等,當(dāng)約定層次不同,其初始約定層次和最低約定層次也應(yīng)作出相應(yīng)的調(diào)整,分析的過程中需填寫各個(gè)約定層次的故障模式、故障影響、檢測(cè)方法和各級(jí)影響等,并由下往上按約定層次的級(jí)別不斷地進(jìn)行分析,即由元器件通過功能電路、SRU、LRU/LRM、分機(jī)、整機(jī)等逐級(jí)往上分析,直到初始約定層次相鄰的下一個(gè)層次為止,進(jìn)而構(gòu)成完整產(chǎn)品的FMECA,以支撐測(cè)試性驗(yàn)證試驗(yàn)的開展。
1.2編碼需求
以某機(jī)載設(shè)備為例,該設(shè)備整機(jī)由3個(gè)LRU組成,其中LRU1和LRU2為不可再劃分的SRU,LRU3可劃分為3個(gè)SRU,這3個(gè)SRU各自又可再劃分為多個(gè)功能電路,直至近千個(gè)電子元器件。為了確定惟一的對(duì)應(yīng)關(guān)系,首先應(yīng)對(duì)分析對(duì)象逐層、逐個(gè)地進(jìn)行編碼,如表1所示。
清楚地劃分了設(shè)備的層級(jí),按硬件的組成梳理清楚構(gòu)架后,按照上述編碼組成對(duì)元器件級(jí)別的故障模式逐一地進(jìn)行分析,并填寫相關(guān)的內(nèi)容。需要填寫的內(nèi)容可分為4種:1)包括序號(hào)、器件編碼、器件型號(hào)、名稱和故障模式編碼等,該類內(nèi)容只需要按程序填寫,不需要太多的技巧,仔細(xì)地梳理不出錯(cuò)即可;2)包括任務(wù)階段或工作模式、嚴(yán)酷度、故障檢測(cè)方法、設(shè)計(jì)改進(jìn)措施和故障影響概率等,需根據(jù)設(shè)備的運(yùn)行和維護(hù)的情況判斷,因而只能由具有經(jīng)驗(yàn)的填寫者填寫;3)包括故障率、數(shù)據(jù)來(lái)源、故障模式頻數(shù)比、工作時(shí)間、故障模式危害度和產(chǎn)品危害度等,是設(shè)計(jì)師根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),并結(jié)合產(chǎn)品的情況計(jì)算推導(dǎo)而來(lái)的,有一定的難度但有算法可依循;4)包括功能、故障模式、故障原因和故障影響 (對(duì)本級(jí)的影響、對(duì)上一級(jí)的影響和最終影響),涉及到產(chǎn)品設(shè)計(jì)的核心構(gòu)架和實(shí)現(xiàn)過程,內(nèi)容龐大而復(fù)雜。FMECA工作的核心內(nèi)容便是理清其傳遞關(guān)系。
元器件級(jí)的FMECA分析內(nèi)容示例如表2所示。
對(duì)于每個(gè)器件的每種故障模式,表格中都應(yīng)有單獨(dú)的一列,逐一地進(jìn)行分析。假設(shè)任一失效為單一失效,無(wú)從屬失效和多重失效。
下面就上述填寫內(nèi)容中幾個(gè)容易發(fā)生偏頗的要點(diǎn)進(jìn)行闡述。
2.1故障模式編碼
器件的故障模式編碼為該器件的編碼加后綴(01、02、03…)組成,例如:某器件的編碼為01-01-00-01-01,則該器件的第1種故障模式編碼為01-01-00-01-01.01,第2種故障模式編碼為01-01-00-01-01.02,以此類推進(jìn)行排序,以便在功能電路級(jí)別的FMECA表格分析中可傳遞、可追溯。完成器件級(jí)分析后,進(jìn)入上一級(jí)功能電路的分析,其編碼原則與元器件級(jí)別的相同。按照表1編碼表確定的原則,依次向上分析,直至整機(jī)為止。
2.2故障模式
故障模式的定義應(yīng)準(zhǔn)確、清晰,應(yīng)根據(jù)對(duì)象的功能和硬件,進(jìn)行細(xì)化和量化分析,失效形式應(yīng)盡量地多樣。分級(jí)闡述如下。
a)器件級(jí)故障模式可以參考GJB/Z 299C-2006[4]和MIL-HDBK-217F,但需要對(duì)其中的故障模式進(jìn)行適當(dāng)?shù)募舨煤脱a(bǔ)充,例如:污染、漏電和腐蝕等故障模式須酌情地刪減,剪裁或補(bǔ)充后的故障模式頻數(shù)比需重新進(jìn)行歸一化處理。對(duì)于大規(guī)模集成電路,應(yīng)首先按功能將其劃分成不同的功能區(qū) (例如:時(shí)鐘、IO等),然后對(duì)不同的功能區(qū)分別進(jìn)行分析;對(duì)于多通道器件,應(yīng)對(duì)每一個(gè)通道分別進(jìn)行分析;功能板間對(duì)插的電連接器和功能板與母板間的電連接器應(yīng)按元器件進(jìn)行分析,電連接器的故障模式應(yīng)細(xì)化到針,且要體現(xiàn)到功能電路級(jí)(無(wú)功能電路的體現(xiàn)到SRU級(jí))故障模式應(yīng)對(duì)的故障原因中。
表1 編碼表
b)對(duì)于功能電路級(jí)/SRU/LRU/LRM/子系統(tǒng)級(jí)/系統(tǒng)級(jí)故障模式,應(yīng)根據(jù)實(shí)際的情況來(lái)考慮整體失效和部分失效,應(yīng)按各功能區(qū)細(xì)化分析故障模式。對(duì)于有余度的功能電路SRU/LRU/LRM/子系統(tǒng)級(jí)/系統(tǒng)級(jí),如果故障模式為主功能喪失,其故障模式應(yīng)定義為“××失效,轉(zhuǎn)為××備份”;如果故障模式為備份功能喪失,則定義為“××備份失效”。
c)對(duì)于母板等SRU,如果無(wú)法劃分功能電路,則其故障模式按照SRU級(jí)故障模式分析,即對(duì)電連接器的插針進(jìn)行功能區(qū)域劃分,按照功能進(jìn)行故障模式分析,其故障模式為電連接器插針故障模式。
初始約定層:XXX設(shè)備約定層次:元器件
表2 元器件級(jí)FMECA分析表
d)在各級(jí)故障模式分析中,相似產(chǎn)品發(fā)生過的故障模式也必須納入其中。
2.3故障原因
除元器件級(jí)別的故障原因外,F(xiàn)MECA表中的故障原因均由下一層次的故障模式傳遞而來(lái),應(yīng)在故障原因一欄中填寫所有導(dǎo)致本故障模式的下一層次的故障模式及其編碼。如果一個(gè)故障模式有多個(gè)故障原因,必須將這些原因逐一羅列,不得漏項(xiàng)。功能電路級(jí) (無(wú)功能電路的體現(xiàn)到SRU級(jí))故障模式對(duì)應(yīng)的故障原因中應(yīng)體現(xiàn)所包含的電連接器管腳的故障模式。
2.4故障影響的傳遞關(guān)系
在器件級(jí)FMEA中,器件級(jí)故障的影響主要考慮兩種:1)器件發(fā)生故障后對(duì)與其直接互聯(lián)的相關(guān)器件的影響,對(duì)于這類故障影響,應(yīng)在FMECA表格中填寫出相關(guān)器件的故障模式編碼及名稱;2)對(duì)上一級(jí)的影響,即故障模式發(fā)生后會(huì)對(duì)器件所屬的功能電路 (電連接器則對(duì)應(yīng)SRU)的影響或部件所屬的SRU級(jí)的影響,對(duì)于此類影響,應(yīng)在FMECA表格中填寫出功能電路/SRU故障模式編碼及名稱。
功能電路級(jí)、SRU級(jí)、LRU/LRM級(jí)和整機(jī)級(jí)的故障影響的寫法與器件級(jí)類似,均采用提升層級(jí)、類推完成的方式進(jìn)行。原則上,一種故障模式對(duì)上一級(jí)產(chǎn)品只有一種影響,而下一級(jí)傳遞來(lái)的故障原因則可能有多個(gè),即故障原因-故障模式-故障影響的傳遞方式是一種故障從多到少、原因到模式可多對(duì)一,但模式到影響不可一對(duì)多的收斂式傳遞。下一級(jí)對(duì)上一級(jí)的故障影響,就是上一級(jí)的故障原因,在各級(jí)FMECA表格中可以追溯地查詢。如果某種故障模式有多個(gè)故障原因,則應(yīng)將這些故障原因全部羅列出來(lái),不能漏項(xiàng),并且應(yīng)注明編碼和描述,以換行符將這些故障原因隔開,即一個(gè)故障原因一行。
2.5檢測(cè)手段
檢測(cè)手段的填寫,應(yīng)考慮設(shè)備的測(cè)試性指標(biāo)要求在哪個(gè)約定層次進(jìn)行驗(yàn)證。對(duì)于前述某機(jī)載設(shè)備,根據(jù)要求,故障檢測(cè)率需驗(yàn)證所有受試成品的周期BIT檢測(cè)率和所有BIT模式下 (含周期BIT、上電BIT和啟動(dòng)BIT等,以下部分不再解釋)的檢測(cè)率;故障隔離率需驗(yàn)證BIT下整機(jī)隔離到LRU/ LRM的隔離率和規(guī)定的受試設(shè)備 (LRU/LRM級(jí)產(chǎn)品)BIT下隔離到SRU/功能電路級(jí)的隔離率。
在故障檢測(cè)手段中,BIT方式包括上電BIT(簡(jiǎn)寫為PUBIT,其他名稱包括加電BIT和通電BIT)、周期BIT(簡(jiǎn)寫為PEBIT,其他名稱包括在線BIT)和啟動(dòng)BIT(簡(jiǎn)寫為IBIT)。
綜上所述,測(cè)試性試驗(yàn)驗(yàn)證的是所有受試成品的周期BIT檢測(cè)率、所有BIT模式下檢測(cè)率、整機(jī)級(jí)受試成品的所有BIT模式下隔離到LRU/LRM級(jí)產(chǎn)品的隔離率和LRU/LRM級(jí)受試設(shè)備在所有BIT模式下隔離到SRU/功能電路級(jí)的隔離率。
根據(jù)測(cè)試性的考核需求,在FMECA的檢測(cè)手段分析過程中,故障模式的檢測(cè)手段需要在初始約定層次上考慮,主要包括:上電BIT、周期BIT、啟動(dòng)BIT、采用測(cè)試設(shè)備和人工檢測(cè)等。如果針對(duì)某一故障模式有多種檢測(cè)手段,則應(yīng)將這些檢測(cè)手段同時(shí)列出。如果檢測(cè)手段定義了BIT或者測(cè)試設(shè)備,則可以不考慮人工檢測(cè)。如果故障模式的BIT檢測(cè)可以依靠初始約定層次的上一級(jí)完成,則應(yīng)在備注中寫明檢測(cè)方法。
2.6數(shù)據(jù)來(lái)源
FMECA表格中故障模式危害度Cmj表示在特定的嚴(yán)酷度下,某一故障模式發(fā)生的概率,其是特定的嚴(yán)酷度下產(chǎn)品危害度的一部分,同時(shí)也是最終的危害度分析的關(guān)鍵指標(biāo)。其組成為Cmj=λpβjαjt,其中,各參數(shù)在FMECA表格中的算法也應(yīng)適用于測(cè)試性驗(yàn)證試驗(yàn)的要求。
a)故障率λp
λp來(lái)源于產(chǎn)品的可靠性預(yù)計(jì)報(bào)告。器件級(jí)故障模式的故障率和頻數(shù)比可以參考GJB/Z 299C-2006和MIL-HDBK-217F獲得。
其他約定層次的故障率由元器件級(jí)別依托故障模式向上傳遞后相加計(jì)算而得到。
b)故障率影響概率β
β值表示如果故障模式發(fā)生,對(duì)相應(yīng)嚴(yán)酷度的影響概率。其取值由分析人員根據(jù)實(shí)際情況,參考表3的有關(guān)規(guī)定確定。大多數(shù)情況下,β=1,表示故障模式一旦發(fā)生就會(huì)導(dǎo)致相應(yīng)的嚴(yán)酷度;如果為了強(qiáng)調(diào)故障模式發(fā)生的特定狀態(tài)或需要確定故障模式的實(shí)際影響時(shí),則β值應(yīng)根據(jù)性能、裝配、特定的工作方式和外部因素等確定。在此情況下,應(yīng)在FMECA報(bào)告中單獨(dú)說明β取值的原因。
表3 β的取值
c)故障模式頻數(shù)比α
故障模式頻數(shù)比α值表示產(chǎn)品按某一故障模式發(fā)生的百分比,等于產(chǎn)品某一故障模式發(fā)生的次數(shù)與該產(chǎn)品總故障發(fā)生的次數(shù)之比。產(chǎn)品所有的故障模式頻數(shù)比α之和為1。
元器件的故障模式及頻數(shù)比來(lái)源于GJB/Z 299C中的表7-1《元器件及組件失效模式及其頻數(shù)比》;功能單元的故障模式及頻數(shù)比由元器件高一層次的影響及頻數(shù)比匯總計(jì)算得出;SRU的故障模式及頻數(shù)比由功能單元高一層次的影響及頻數(shù)比匯總計(jì)算得出;LRU的故障模式及頻數(shù)比由SRU高一層次的影響及頻數(shù)比匯總計(jì)算得出;設(shè)備的故障模式及頻數(shù)比由LRU高一層次的影響及頻數(shù)比匯總計(jì)算得出。
當(dāng)?shù)玫狡骷?jí)的故障模式和頻數(shù)比后,通過相乘,可以得到該器件某一種故障模式的失效率,而該故障模式是會(huì)向上一級(jí) (即功能電路級(jí)別)傳遞的,引起功能電路級(jí)別的某一種故障模式,將導(dǎo)致該功能電路此故障模式的所有下一級(jí)故障模式的失效率相加 (傳遞關(guān)系是收斂的),即可得到該功能電路該種故障模式的失效率A,將此功能電路的所有故障模式的失效率相加,即可得到此功能電路的失效率。由此可見,在測(cè)試性試驗(yàn)的FMECA中,功能電路的失效率并非其全部元器件的種種故障模式的失效率之和,而是傳遞上來(lái)的元器件各種故障模式的失效率之和,由于存在“無(wú)影響”的情況,其數(shù)值有可能小于功能電路的可靠性預(yù)計(jì)值。通過將功能電路的失效率A反向除以此功能電路的失效率,即可得到此功能電路該種故障模式的頻數(shù)比。
同理,上一級(jí)的SRU、LRU乃至整機(jī)的故障模式和頻數(shù)比也是相同傳遞方式和算法。
d)工作時(shí)間t
t為產(chǎn)品任務(wù)階段的工作時(shí)間。
e)嚴(yán)酷度等級(jí)
二審法院在判決敘明結(jié)論部分,主要按照最高人民法院司法批復(fù)的內(nèi)容進(jìn)行認(rèn)定,認(rèn)為:“該侵權(quán)是由陳曉琪、陳克政、騰州八中、騰州教委的故意和濟(jì)寧商校的過失造成的。這種行為從形式上表現(xiàn)為侵犯齊玉苓的姓名權(quán),其實(shí)質(zhì)是侵犯齊玉苓依照憲法所享有的公民受教育的基本權(quán)利?!?/p>
分析人員可以依據(jù)嚴(yán)酷度等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn),并根據(jù)故障影響中的重大影響確定每一種故障模式的嚴(yán)酷度等級(jí) (Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ)。當(dāng)余度存在時(shí),故障模式的嚴(yán)酷度等級(jí)的確定方法為:首先,分析其余度不存在時(shí)該故障模式對(duì)初始約定層次的影響,根據(jù)此影響和產(chǎn)品嚴(yán)酷度的定義來(lái)確定初步的嚴(yán)酷度等級(jí);然后,初步確定的嚴(yán)酷度等級(jí)的下一級(jí)即為該故障模式在FMEA中的嚴(yán)酷度等級(jí)。
f)產(chǎn)品的危害度Cr
產(chǎn)品的危害度Cr是該產(chǎn)品在給定的嚴(yán)酷度類別和任務(wù)階段下的各種模式危害度Cmj之和。
3.1形成FMECA報(bào)告
圖1 FMECA的流程
FMECA的流程如圖1所示[5]。在完成了FMEA和CA后,根據(jù)Exce1分析表中的整機(jī)級(jí)、LRU級(jí)、SRU級(jí)、功能電路級(jí)、器件級(jí)故障模式和危害度匯總,可分別繪制對(duì)應(yīng)層級(jí)的危害性矩陣圖,對(duì)FMECA的結(jié)果做出定量的分析。若FMECA的目的僅是為設(shè)計(jì)提供改進(jìn)措施的支撐,則添加相關(guān)文字描述后形成FMECA報(bào)告即可。
3.2FMECA報(bào)告的審查
同時(shí),根據(jù)FMECA的故障模式,確定測(cè)試性試驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)方案,即根據(jù)生產(chǎn)方風(fēng)險(xiǎn)、使用方風(fēng)險(xiǎn)、鑒別比、規(guī)定值和最低可接受值等參數(shù)計(jì)算定數(shù)試驗(yàn)或截尾序貫試驗(yàn)的相關(guān)參數(shù),并進(jìn)行試驗(yàn)樣本抽樣,確定故障樣本庫(kù)中各樣本的注入次數(shù)或注入序列,同時(shí)確定評(píng)價(jià)方法。然后,制定故障注入方法,針對(duì)每一個(gè)故障樣本,確定故障注入的位置和方法,同時(shí)制定相關(guān)測(cè)試方案,并確定故障注入成功判據(jù)和受試產(chǎn)品檢測(cè)/隔離判據(jù)。
最終,確定上述要素后,明確試驗(yàn)組織機(jī)構(gòu)、試驗(yàn)設(shè)備、環(huán)境條件、試驗(yàn)記錄、試驗(yàn)實(shí)施、故障處理和試驗(yàn)評(píng)估等要求,最后編寫形成測(cè)試性試驗(yàn)大綱,按照大綱實(shí)施測(cè)試性試驗(yàn),為產(chǎn)品測(cè)試性設(shè)計(jì)水平做出鑒定。
本文通過對(duì)某機(jī)載設(shè)備測(cè)試性驗(yàn)證試驗(yàn)實(shí)例中的FMECA的分析過程進(jìn)行研究,提出了適用于測(cè)試性試驗(yàn)的FMECA方法,保證了分析工作的適用性和準(zhǔn)確性,解決了測(cè)試性鑒定試驗(yàn)用例的可操作性,完善了測(cè)試性試驗(yàn)開展的設(shè)計(jì)輸入。
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Research on the FMECA Method Suitable for Testability Test
ZENG Li,WANG Xiao-1in
(Sichuan Jiuzhou E1ectric Group Co.,Ltd.,Mianyang 621000,China)
FMECA is one of the important bases for testabi1ity ana1ysis.By studing the ana1ysis process of FMECA in the testabi1ity verification test examp1e of an airborne equipment,a FMECA method suitable for testability verification test is proposed,which ensures the app1icabi1ity and correctness of FMECA,and has a certain reference and guiding significance for the future deve1opment of FMECA of testabi1ity verification.
indenture 1eve1;fai1ure mode;fai1ure cause;fau1t effect;testabi1ity test
TB 114.3
A
1672-5468(2016)03-0054-07
10.3969/j.issn.1672-5468.2016.03.011
2016-01-15
2016-05-16
曾利 (1983-)女,四川成都人,四川九洲電器集團(tuán)有限責(zé)任公司工程師,主要從事電子設(shè)備可靠性設(shè)計(jì)和元器件工程化工作。