基于FMEA方法的电子设备结构可靠性分析

马建章，高驰名，吴 迪

（中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081）

基于FMEA方法的电子设备结构可靠性分析

马建章，高驰名，吴 迪

（中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081）

主要研究故障模式及影响分析（FMEA）方法在电子设备结构可靠性设计中的应用。简要介绍了FMEA方法的工作流程，阐述了定义约定层次、建立方框图、确定故障模式和风险分析评定的方法等内容。以电子设备为例，详细说明了FMEA在电子设备结构可靠性设计中如何分析设备结构潜在的故障模式、故障影响、故障原因和风险度等，并提出纠正措施对设备结构进行改进。根据分析结果编写了FMEA报告，并进行FMEA评审。经试验验证，该方法适合于电子设备结构可靠性设计与分析。

FMEA；结构可靠性设计；故障模式；风险分析评定

0 引言

随着电子设备性能的不断提升，设备集成化程度越来越高，这对设备结构可靠性提出了更高的要求。设备结构类产品的可靠性设计目前还没有一套成熟、简便的经验和章程可循，电子产品的可靠性方法和通用准则，只要使用得当，它对结构可靠性水平的提高也是具有参考意义的［1］。故障模式及影响分析方法（Failure Mode and Effects Analysis，FMEA）是一种可靠性分析和安全性评估方法，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、轨道交通以及汽车工业等领域广泛应用。

在电子设备结构设计中，运用FMEA方法能帮助确定设备结构中的潜在薄弱环节，根本上排除或使其影响为最小，从而提高了结构可靠性，进而保证了设备的可靠性［2］。本文以车载电子设备为例，详细介绍了如何使用FMEA方法进行结构可靠性设计，提高设备结构的可靠性。

1 FMEA方法

FMEA方法是一种“自下而上”的定性分析方法。该方法通过分析系统中的每一个潜在的故障模式，确定其对系统所产生的影响，并把每一个潜在的故障模式按它的严酷度进行分类。根据故障分析，进一步针对故障原因和失效机理采取预防和纠正措施，从而提高产品的可靠性［3］。

1.1 FMEA分析流程

FMEA常用2种基本方法：功能分析法和硬件分析法，针对不同的系统选择不同的方法。在结构可靠性设计中采用硬件法结合功能法进行分析［4］。电子设备结构可靠性FMEA分析的主要步骤一般包括：收集信息、设计结构方案、定义系统、实施FMEA分析、查找薄弱环节、生成FMEA报告、FMEA评审等。

进行FMEA分析前要进行准备工作，主要包括收集信息和系统定义，其中系统定义主要包括建立系统的功能方框图和可靠性方框图、定义约定层次、确定故障判据和严酷度类别等。实施FMEA分析主要包括确定故障模式、进行风险分析评定和提出补偿措施等。FMEA报告是对整个分析过程进行整理，包括故障判据、严酷度定义、FMEA方法、FMEA的约定层次、系统定义、FMEA表格、FMEA清单、结论与建议等［5］。FMEA报告完成后进行FMEA评审，如果评审通过则分析结束，未通过则修改结构方案继续前面流程。

1.2 风险分析评定

风险分析和评定的目的是对产品每一个故障模式的严酷度、发生的概率以及可探测度的综合情况进行分析，以全面评价产品中所有可能出现的故障模式的影响。对产品每个故障模式的风险优先系数RPN值进行优先排序，并采取相应的措施，使RPN值达到可接受的最低水平。风险优先系数RPN值为严重度、探测度、发生频度的乘积［6，7］。

1.2.1 严重度S

严重度是一种给定失效模式最严重的影响后果的级别，是一种相对指标，其指标值并无绝对意义，对分析者评分时并不要求一个数值上绝对准确性，只需要有一个分区度即可［8］，评分准则如表1所示。

表1 严酷度类别（严酷度等级的评分准则）

1.2.2 探测度D

探测度是与设计控制中所列的最佳探测控制相关联的定级数，是对产品故障探测能力的一种度量。在设计预防和控制方法中，探测得越早越好，对于潜在故障模式，应尽可能设计事前探测方法，评分准则如表2所示。

表2 故障模式可探测度（D）的评分准则

1.2.3 发生频度O

发生频度是对事件发生的可能性的一个度量。可根据设计经验和设备的具体功能、原理，结构相近的产品和历史信息，基于逻辑推理评价故障的发生频度［9］，评分准则如表3所示。

表3 故障模式发生概率等级（O）的评分准则

2 电子设备结构可靠性FMEA分析

2.1 电子设备结构方案

某电子设备为车载测试设备，上架使用，同时也能作为便携式测试设备放置桌面使用。根据设备对密封性、电磁屏蔽性、耐冲击振动、三防、湿热和高低温等方面的要求，确定结构方案，其结构主要由盒体、面板、屏幕、键盘以及角件屏蔽材料等组成。

在方案设计阶段要进行设备结构可靠性设计，分析设备结构潜在的故障模式，确定薄弱环节并加以改进，提高设备结构可靠性，使其满足设备环境适应性的要求。

2.2 FMEA分析

根据设备结构组成和各个部件的功能，采用硬件法结合功能法进行结构可靠性FMEA分析。首先进行系统定义和建立框图，再确定故障模式并进行风险系数评定分析，最后填写表格及报告进行评审。

约定FMEA分析的初始约定层次为整机结构；约定层次为盒体、面板、导电橡胶、角件和紧固件等；最低约定层次为：屏蔽玻璃、橡胶垫、屏幕压板、橡胶键盘及键盘压板等。系统组成与约定层次如图3所示。

图1 设备系统组成与约定层次

根据设备结构的约定层次及相互之间的关系，分别建立设备结构功能方框图和可靠性方框图，可靠性方框图如图2所示。

图2 设备结构可靠性

根据以往的设计经验、相似设备试验和使用过程中出现过的故障和设备结构特点等因素，确定设备结构各个组成单元潜在的故障模式，故障模式如表4所示。

表4 设备结构FMEA表（节选）

根据表1、表2和表3对每个故障模式进行风险评定分析，并确定每个故障模式的影响，具体内容如表4所示。

根据风险评定分析值的大小，确定结构薄弱环节并依次对每个故障模式进行分析，提出改进措施，使用纠正措施改进设计方案后再次进行FMEA分析，风险分析和评定系数有明显下降。

2.3 FMEA结果

汇总以上FMEA分析内容，填写设备结构的FMEA表格等，其具体内容如表4所示。根据设备结构FMEA表格，编写设备结构FMEA报告，与结构设计方案一起评审。

根据FMEA分析结果对设备结构进行改进，结构设计完成后进行加工、装配。设备在使用和试验过程中均未出现FMEA分析中的故障模式，表明FMEA方法能有效的改进设备结构的薄弱环节，提高设备结构的可靠性。

3 结束语

FMEA方法作为最常用的可靠性分析方法之一，在国外可靠性设计中普遍应用，已经规定为设计阶段必须进行的工作［10］。合理运用FMEA方法能有效地提高设备结构可靠性，增强产品核心竞争力，值得在结构可靠性设计中推广应用。电子设备结构可靠性设计是一项系统工程，相关研究尚属于起步阶段，有关可靠性数据信息记录极不完全，失效模式种类繁多，相互之间并不完全独立，因此需要有关人员共同努力、不断积累和完善，提高电子设备结构可靠性设计水平。

［1］焦超锋，醋强一，任 召，等．机载电子设备结构可靠性技术分析［J］．机械工程师，2014（4）：112－114．

［2］姚有顺．船用电子设备结构可靠性设计［J］．中国舰船研究，2007，2（2）：43－47．

［3］沈 政，牛从民，邓连喜．FMEA在工程机械系统可靠性设计中的应用［J］．工程机械，2012，43（12）：38－42．

［4］蔡芝明，金家善，何春雨．柴油机燃油系统故障模式及影响分析［J］．装备制造技术，2011（12）：63－65．

［5］程 卓，朱北园，谷岩，等．卫星产品FMEA存在的问题及改进建议［J］．质量与可靠性，2011（3）：24－28．

［6］孟庆新，刘岱，吴瑶．关于FMEA飞机副翼感觉定中机构故障分析［J］．中国民航大学学报，2012，30（6）：56－59．

［7］陆春荣．FMEA在空压机使用中的应用［J］．化工技术与开发，2012，41（9）：63－65．

［8］GJB1391－2006，故障模式、影响及危害性分析程序［S］．

［9］曾声奎．可靠性设计与分析［M］．北京：国防工业出版社，2011：212－214．

［10］郭彦涛．电子设备的可靠性设计［J］．无线电通信技术，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

马建章，高驰名，吴 迪．基于FMEA方法的电子设备结构可靠性分析［J］．无线电工程，2015，45（7）：75－78．

马建章男，（1982—），工程师。主要研究方向：电子通信设备结构设计。

2015-04-15

高驰名男，（1982—），工程师。主要研究方向：电子通信设备结构设计。