設計故障模式及后果分析 (DFMEA) 是一種以 預防為主的可靠性設計分析技術 ,該技術的應用有 助于企業提高產品質量 ,降低成本 ,縮短研發周期。
目前 ,DFMEA 已在航空航天以及國外的汽車行業 得到了較為廣泛的應用 ,并顯示出了巨大的威力 ;但 在國內汽車行業并沒有系統地展開 ,也沒有發揮其 應有的作用。作者通過對國內汽車行業的設計、開 發以及故障模式及后果分析(FMEA) 的使用現狀進 行了調研 ,發現共存在以下幾個方面的問題 :
進行了一定的工作 ,但并沒有與設計工作相 結合 ,使 DFMEA 工作流于表面 ;
對 DFMEA 的理解不夠深入 ,不知該如何繼 續開展 ;
DFMEA 的前期準備工作不足 ,使其無法深 入開展。
針對國內 DFMEA 的工作現狀 ,作者對現有的DFMEA 方法進行了一定的改進 ,并加入自己的理 解使其具有更強的工程實施性 ,該方法在某國產汽 油機的改進型上進行了實施 ,收到了較好的效果。 本研究以 DFMEA 在該國產汽油機節流閥體的改 進設計中的實施為例 ,對改進后的 DFMEA 的實施 方法和流程進行闡述。
1 DFMEA 基本原則[1 ]
DFMEA 是在最初生產階段之前 ,確定潛在的 或已知的故障模式 ,并提供進一步糾正措施的一種 規范化分析方法 ;通常是通過部件、子系統/ 部件、系 統/ 組件等一系列步驟來完成的。最初生產階段是 明確為用戶生產產品或提供服務的階段 ,該階段的 定義非常重要 ,在該階段開始之前對設計的修改和 更正都不會引起嚴重的后果 ,而之后對設計的任何 變更都可能造成產品成本的大幅提高。DFMEA 應當由一個以設計責任工程師為組長 的跨職能小組來進行 ,這個小組的成員不僅應當包 括可能對設計產生影響的各個部門的代表 ,還要包 括外部顧客或內部顧客在內。DFMEA 的過程包括 產品功能及質量分析、分析故障模式、故障原因分 析 、確定改進項目 、制定糾正措施以及持續改進等6 個階段。
2 實施 DFMEA 存在的困難
發動機為完成其相應的功能 ,組成結構復雜 ,零 部件的數量也很龐大 ,如不加選擇地對所有的零部 件和子系統都實施 DFMEA ,將會耗費大量人力、物 力和時間 ,對于初次實施 DFMEA 的企業幾乎是不 可能完成的工作。為此 ,需要開發一種方法 ,能夠從 發動機的子系統/ 零部件中選擇出優先需要進行分 析的對象。
發動機由曲柄連桿機構、配氣機構、燃油供給系 統、進氣系統、冷卻系統和潤滑系統等組成 ,各機構 和系統完成相應的功能。子系統的下級部件或組件 通常需要配合完成相應的功能 ,在描述這些部件或 組件的功能時 ,不僅應該描述其獨立完成的功能 ,還 應描述與其他部件配合完成的功能。
組成發動機的零部件種類很多 ,不僅包括機械 零部件還有電子元件 ,電子部件的故障模式已經較 為規范和完整 ,但機械系統及其零部件的故障模式 相當復雜 ,不僅沒有完整且規范的描述 ,二者之間還 有一定的重復 ,為 DFMEA 工作的開展帶來了困 難 ,故需要為機械系統及其零部件建立相應的故障 模式庫。
3 實施 DFMEA 的準備工作
由于在發動機設計中實施 DFMEA 要遇到較 多困難 ,故作者建議 ,在具體實施 DFMEA 之前 ,需 要做好建立較為完善的故障模式庫并確定 DFMEA的詳細分析對象等準備工作。
3. 1 建立故障模式庫的方法
發動機的組成零部件多、結構復雜 ,大多數零部 件在運行時還會有相互作用 ,導致零部件、子系統和 系統的故障模式不僅復雜 ,各層次的故障模式還會 相互重復 ,需要為發動機建立一個故障模式庫 ;該模 式庫不僅應該包含發動機中所有子系統和零部件的 故障模式 ,還能夠反映出該故障模式究竟屬于哪一 個零部件或系統 ,其建模流程如圖 1 所示。
圖 1 建立故障模式庫的流程
3. 1. 1 建立系統結構樹 為建立故障模式庫 ,首先要建立系統的結構樹 ,它并不依賴于某一特定的產品 ,而是依據同一類產 品建立。如建立一個汽油機的結構樹時 ,應考慮該 廠所有的汽油機 ,分析出其共同特點后建立結構樹 ;對于組成結構有重大改變的產品 ,可以考慮為其改 變的部分建立一個分支 ,掛接在系統結構樹的相應 節點上。 以汽油機的節流閥體為例 ,該閥體大致都由閥 體、怠速控制閥、節氣門位置傳感器等組成 ,細節部 分會有所不同 ,節流閥體的系統結構樹如圖 2 所示。
圖 2 節流閥體的系統結構樹
3. 1. 2 確定故障數據源 為確定故障模式 ,先要找到相應的數據源 ;建議 選擇同類產品的試驗數據或三包數據 ,因為這兩種 數據中較為詳細地記錄了產品在試驗和使用過程中 出現的故障。由于發動機可靠性試驗的成本很高 ,一般企業中都不會有充分的試驗數據 ;盡管三包數 據記錄的不是十分規范 ,但通過歸納和整理 ,仍然可 以從中抽象出故障模式。所以 ,在試驗數據不充足 的情況下 ,一般推薦采用三包數據。
3. 1. 3 篩選所分析子系統的故障數據 一般來講 ,故障數據來自于系統 ,需要將故障數 據逐層篩選 ,才能最終得到系統、每一級子系統以及 零部件的故障數據 ,為確定其故障模式作準備。
3. 1. 4 確定關鍵字 三包數據來自于不同的維修點 ,并非由專業的 試驗人員收集 ,難免存在不規范的現象 ,比如對于 “密封不嚴”這一故障現象 ,故障數據中就會有“密封 不嚴、不密封、密封性差、密封性不好”等多種描述。 針對這種現象 ,建議數據歸納人員先要了解各種故 障現象的描述 ,在此基礎上確定關鍵字 ,對所選子系 統的故障數據進行歸類。關鍵字確定的原則是 ,能 篩選到 95 %以上的同種故障現象 ,盡量做到不遺 漏 ;不同故障現象間盡量做到不重復。因此 ,篩選同 一種故障現象很可能需要確定幾個關鍵字。
3. 1. 5 對系統的故障數據進行分類 依據確定的關鍵字對系統的故障數據進行分 類 ,分類后的故障數據就可以用來抽象出故障模式。
3. 1. 6 故障模式的抽象 根據分類后的故障數據 ,可以抽象出相應的故 障模式。故障模式要求用術語表示 ,汽車產品可以 參照標準 QC —900 ;標準中沒有的故障模式 ,需由 工程師商量之后統一確定。
3. 1. 7 故障模式掛接在系統結構樹的節點上 系統、子系統及零部件等不同層次都會有相應 的故障模式 ,需要將其掛接在相應的節點上 ,至此故 障模式庫就搭建完成。隨著分析工作的深入和故障 數據的持續歸納 ,故障模式庫會越來越完整。 對節流閥體的故障數據進行以上的處理之后 ,得到了各級組件及零部件的故障模式 ,建立了節流 閥體的故障模式庫 ,圖 3 示出故障模式庫的一部分。
圖 3 節流閥體的故障模式庫
需要指出 ,實施 DFMEA 時分析對象的故障模 式不僅來源于故障模式庫 ,還來自于工作小組的分 析。
3. 2 確定 DFMEA 的詳細分析對象
根據實施 DFMEA 需要耗費大量時間的具體 情況 ,本研究的參考文獻[ 2 ]提出了一種新方法來確 定需要詳細實施 DFMEA 的對象 ;思路是對系統進 行逐級分析 ,根據一定的標準確定需要詳細分析的 分支(以下稱為重要分支) ,對重要分支一直細化到 最底層 ,不可再分的重要分支即為需要詳細分析的 對象。方法分為 3 步 ,即建立系統的組成結構樹、確 定閾值、選擇所需分析的對象。
3. 2. 1 建立系統的組成結構樹 此處系統的組成結構樹與第
3. 1. 1 節中的系統 結構樹類似 ,但本質上不同。這里的系統組成結構 樹是與系統的組成完全相同 ,依照系統的結構和功 能逐級向下建立 ,直到系統的零部件為止(稱為組成 結構樹的葉結點) ,組成結構樹的示意圖見圖 4。
圖 4 系統組成結構樹
圖中的系統由子系統 1 和子系統 2 組成 ,兩個 子系統分別完成相應的功能。子系統 1 由子總成 1和 2 組成 ,子總成 1 又可以向下劃分為零部件 ;子系 統 2 由兩個零部件組成。其中 S12 ,S21 ,S22 ,S111和 S112 都是該組成結構樹的葉結點。
3. 2. 2 確定閾值
閾值是確定重要分支所依據的條件。根據DFMEA 的原理 ,推薦確定重要度 ( S ) 和風險順序 數( R PN ) 兩個參數的閾值 ,只要某分支的 S 和R PN 兩參數中的任意一個等于或超過閾值 ,該分支 就被確定為重要分支。除 S 和 R PN 以外 ,DFMEA中還有發生度( O ) 和探測度( D ) 兩個參數 , S 用來 描述故障后果 , O 表明故障原因的發生概率 , D 是 對探測措施有效程度的度量 , R PN 是 S , O , D 3 者 的乘積。O 和 D 的閾值根據類似產品的故障數據確 定 ,原則是要比 DFMEA 中的閾值低。
3. 2. 3 選擇所需分析的對象
對產品的組成結構樹逐級向下分析 ,首先確定 第一級分支的所有的 S , O , D 值 ,并計算得到 R PN值 ;然后根據第 3. 2. 2 節中的閾值來確定哪一個分 支為重要分支 ,被確定為重要分支的仍然重復以上 過程直到組成結構樹的葉結點 ,非重要分支則不再 繼續分析。 以圖 2 所示的系統組成結構樹為例 ,選擇需要 分析的對象。假設 S 和 R PN 的閾值分別為 6 和70 ,組成結構樹中分支的各參數情況如圖 5 所示 ,有 “3 ”的部分為重要分支。
圖 5 確定分析對象
由圖可見 ,子系統 S1 的 S 和 R PN 都達到閾 值 ,被確定為重要分支 ;子系統 S2 的 R PN 雖未達 到閾值 ,但 S 已經超過閾值 ,也被確定為重要分支 ;
S12 ,S22 和 S111 被確定為分析對象 ,需要對其進行 詳細的 DFMEA 。 分析節流閥體的故障數據 ,確定 S 和 R PN 的 閾值分別為 5 和 30 ,分析結果見圖 6。由分析結果 可知 ,需要對節氣門位置傳感器、怠速控制閥、閥片、 閥體本體進行詳細的 DFMEA 。
圖 6 確定節流閥體分析對象
4 實施 DFMEA 的流程
為 增 加 DFMEA 的 可 用 度 , 使 初 次 進 行DFMEA 的工作人員也能順利地實施 DFMEA ,針 對發動機設計的特點 ,對 DFMEA 的流程進行了進 一步的歸納和改進(見圖 7) 。
為加深對實施階段的理解 ,提高分析效率 ,將實 施階 段 分 成 確 定 基 礎 項、確 定 衍 生 項 及 生 成DFMEA 報告等 3 步。
實施階段中 ,功能、潛在故障模式、潛在故障影 響、故障原因和現有控制措施等 5 個加“ 3 ”的為基 礎項 ,它們的分析是決定 DFMEA 實施成功與否的 關鍵 ; S , O , D , R PN 和建議的糾正措施為衍生項 ;基礎項確定之后 ,衍生項可以隨之確定。
4. 1 分析基礎項
4. 1. 1 功能 分析項目的功能 ,用盡可能簡明的文字來說明 被分析項目滿足設計意圖的功能 ;閥體的功能是與 閥片配合保證最小流量 ;與怠速控制閥配合保證怠 速流量 ;與節氣門位置傳感器配合保證主進氣量。
4. 1. 2 潛在故障模式 每項功能會對應一種或一種以上的故障模式 ,填寫故障模式要遵循"破壞功能"的原則 ,即盡量列 出破壞該功能的所有可能的模式 ;故障模式大部分 來源于故障模式庫 ,還有一部分是新出現的故障模 式以及小組分析的結果 ,閥體的潛在故障模式為磨 損、裂紋、斷裂以及積碳等。
圖 7 DFMEA 流程
4. 1. 3 潛在故障后果 每種故障模式都會有相應的故障后果 ;分析故 障后果時 ,應盡可能分析出故障的最終影響 ,即最嚴 重的影響 ;閥體的潛在故障后果為發動機無力、燃油 消耗率高、怠速高。
4. 1. 4 潛在故障起因 所謂故障的潛在起因是指設計薄弱部分的跡 象 ,其結果就是故障模式 ;根據閥體結構和對其進行 的功能分析 ,可以知道閥體磨損的潛在故障原因為 ,閥體喉口與閥片直徑不匹配 ;閥桿與閥片螺釘孔的 位置不匹配 ;怠速控制閥與怠速通道的孔徑不匹配 ;怠速通道的孔系不同軸。
4. 1. 5 現有控制措施 根據故障的潛在起因可確定預防與探測的措施 ,這些都是已有的或將要有的措施。 閥體的現有控制措施為配合設計閥體喉口和閥 片直徑 ,保證其配合間隙 ;配合設計閥桿和閥片螺釘 孔位置 ,保證其同心度 ;配合設計怠速控制閥和怠速 通道的孔徑 ,保證其配合間隙。
4. 2 分析衍生項 根據潛在故障后果確定 S ,根據潛在故障原因 以及同型產品的三包數據確定 O ,根據探測措施確 定 D ;根據確定的 S , O , D 計算得到 R PN 值。如果 需要修正 ,可以提出適當的建議措施 ,作為改進的依 據 ,最后生成統一的 DFMEA 報告。
美國汽車工業行動集團(AIA G) 頒布的 FMEA標準中 ,提供了嚴重度、O 和 D 的評定準則[3 ],其 中 , O 準則非常直觀 ,根據計算得到的頻率即可得。
D 和嚴重度判定準則的操作性較差 ,作者推薦 企業根據 A IA G的 D 準則 ,結合企業現有的控制措 施制定適用于企業自身的 D 判定準則。
至于嚴重度的判定 ,提倡仍沿用 AIA G 的準 則 ,但為了增強其可操作性 ,作者對其進行了進一步 的歸納總結 ,生成如圖 8 所示的流程 ;根據該流程即 可很容易地判定每種故障的嚴重度。
圖 8 嚴重度判別流程
閥體磨損的嚴重度 影響了發動機的基本功 能 ,但未完全喪失 ,所以嚴重度為 7 ;
閥體磨損的 O 根據故障數據的統計結果 ,結 合專家組的分析 ,確定 O 為 3 ;
閥體磨損的檢測度 現有的控制措施除硬度檢 測外 ,均為對兩零部件的配合檢測 ,有較多的機會能 找出潛在的起因 ,檢測度為 4。
專家組確定 S 和 R PN 的閾值為 7 和 80 ,當 S超過 7 (含 7) , R PN 超過 80 (含 80) 時 ,必須對其進 行改進。因此 ,提出了以下建議措施 :
a) 閥體喉口和閥片直徑、閥片和閥桿影響全閉 泄漏量 ,除保證其配合間隙外 ,還應通過設計保證裝 配后閥體喉口和閥片的同軸度 ,并進行全閉泄漏量 檢測 ;
b) 怠速控制閥和怠速通道影響怠速流量 ,先需 要通過設計保證怠速通道孔系的同軸度 ,然后保證 怠速控制閥和怠速通道的同軸度和間隙。 完成以上分析后 ,要根據建議措施對設計進行 修正(實際采取的措施可能與建議措施不同) ,修正 后再重復以上步驟 ,直至 S 和 R PN 低于確定的DFMEA 的 S 和 R PN 閾值。
4. 3 生成 DFMEA 報告 完成每輪 DFMEA 之后 ,要及時生成 DFMEA報告 ,包括需改進的零部件、建議措施和改進措施 等。
5 結論
a) 提出的確定詳細 DFMEA 對象的方法 ,大大 減少了 DFMEA 分析對象的數量和分析時間 ;
b) 將 DFMEA 準備工作納入 DFMEA 的流 程 ,并將 DFMEA 的分析項目分成基礎項和衍生項 加以分析 ,增強了 DFMEA 的工程實用性 ,使初次 進行 DFMEA 工作的小組也能順利實施 DFMEA ;
c) 對原有 DFMEA 嚴重度的判定準則進行的 說明和改進 ,使判定更加直觀和準確。
參考文獻 :
[ 1 ] Stamatis D H. Failure Mode and Effect Analysis FMEA from Theory to Execution (故障模式影響分 析 FMEA 從理論到實踐) [ M ]. 陳曉彤 ,姚紹華 ,譯.北京 : 國防工業出版社 , 2005 : 1032121 , 22622511
[2 ] Campatelli G A. Reliability Improvement of Diesel en2gine Using the FMEA Approach [J ]. Qual. Reliab. Eng. Int. ,2004 (20) : 14321541[3 ] AIA G. Potential Failure Mode and Effects Analysis ( Third Edition) [ M ]. Michigan : Automotive Industry Action Group , 20011
