设计故障模式及后果分析 (DFMEA) 是一种以 预防为主的可靠性设计分析技术 ,该技术的应用有 助于企业提高产品质量 ,降低成本 ,缩短研发周期。
目前 ,DFMEA 已在航空航天以及国外的汽车行业 得到了较为广泛的应用 ,并显示出了巨大的威力 ;但 在国内汽车行业并没有系统地展开 ,也没有发挥其 应有的作用。作者通过对国内汽车行业的设计、开 发以及故障模式及后果分析(FMEA) 的使用现状进 行了调研 ,发现共存在以下几个方面的问题 :
进行了一定的工作 ,但并没有与设计工作相 结合 ,使 DFMEA 工作流于表面 ;
对 DFMEA 的理解不够深入 ,不知该如何继 续开展 ;
DFMEA 的前期准备工作不足 ,使其无法深 入开展。
针对国内 DFMEA 的工作现状 ,作者对现有的DFMEA 方法进行了一定的改进 ,并加入自己的理 解使其具有更强的工程实施性 ,该方法在某国产汽 油机的改进型上进行了实施 ,收到了较好的效果。 本研究以 DFMEA 在该国产汽油机节流阀体的改 进设计中的实施为例 ,对改进后的 DFMEA 的实施 方法和流程进行阐述。
1 DFMEA 基本原则[1 ]
DFMEA 是在最初生产阶段之前 ,确定潜在的 或已知的故障模式 ,并提供进一步纠正措施的一种 规范化分析方法 ;通常是通过部件、子系统/ 部件、系 统/ 组件等一系列步骤来完成的。最初生产阶段是 明确为用户生产产品或提供服务的阶段 ,该阶段的 定义非常重要 ,在该阶段开始之前对设计的修改和 更正都不会引起严重的后果 ,而之后对设计的任何 变更都可能造成产品成本的大幅提高。DFMEA 应当由一个以设计责任工程师为组长 的跨职能小组来进行 ,这个小组的成员不仅应当包 括可能对设计产生影响的各个部门的代表 ,还要包 括外部顾客或内部顾客在内。DFMEA 的过程包括 产品功能及质量分析、分析故障模式、故障原因分 析 、确定改进项目 、制定纠正措施以及持续改进等6 个阶段。
2 实施 DFMEA 存在的困难
发动机为完成其相应的功能 ,组成结构复杂 ,零 部件的数量也很庞大 ,如不加选择地对所有的零部 件和子系统都实施 DFMEA ,将会耗费大量人力、物 力和时间 ,对于初次实施 DFMEA 的企业几乎是不 可能完成的工作。为此 ,需要开发一种方法 ,能够从 发动机的子系统/ 零部件中选择出优先需要进行分 析的对象。
发动机由曲柄连杆机构、配气机构、燃油供给系 统、进气系统、冷却系统和润滑系统等组成 ,各机构 和系统完成相应的功能。子系统的下级部件或组件 通常需要配合完成相应的功能 ,在描述这些部件或 组件的功能时 ,不仅应该描述其独立完成的功能 ,还 应描述与其他部件配合完成的功能。
组成发动机的零部件种类很多 ,不仅包括机械 零部件还有电子元件 ,电子部件的故障模式已经较 为规范和完整 ,但机械系统及其零部件的故障模式 相当复杂 ,不仅没有完整且规范的描述 ,二者之间还 有一定的重复 ,为 DFMEA 工作的开展带来了困 难 ,故需要为机械系统及其零部件建立相应的故障 模式库。
3 实施 DFMEA 的准备工作
由于在发动机设计中实施 DFMEA 要遇到较 多困难 ,故作者建议 ,在具体实施 DFMEA 之前 ,需 要做好建立较为完善的故障模式库并确定 DFMEA的详细分析对象等准备工作。
3. 1 建立故障模式库的方法
发动机的组成零部件多、结构复杂 ,大多数零部 件在运行时还会有相互作用 ,导致零部件、子系统和 系统的故障模式不仅复杂 ,各层次的故障模式还会 相互重复 ,需要为发动机建立一个故障模式库 ;该模 式库不仅应该包含发动机中所有子系统和零部件的 故障模式 ,还能够反映出该故障模式究竟属于哪一 个零部件或系统 ,其建模流程如图 1 所示。
图 1 建立故障模式库的流程
3. 1. 1 建立系统结构树 为建立故障模式库 ,首先要建立系统的结构树 ,它并不依赖于某一特定的产品 ,而是依据同一类产 品建立。如建立一个汽油机的结构树时 ,应考虑该 厂所有的汽油机 ,分析出其共同特点后建立结构树 ;对于组成结构有重大改变的产品 ,可以考虑为其改 变的部分建立一个分支 ,挂接在系统结构树的相应 节点上。 以汽油机的节流阀体为例 ,该阀体大致都由阀 体、怠速控制阀、节气门位置传感器等组成 ,细节部 分会有所不同 ,节流阀体的系统结构树如图 2 所示。
图 2 节流阀体的系统结构树
3. 1. 2 确定故障数据源 为确定故障模式 ,先要找到相应的数据源 ;建议 选择同类产品的试验数据或三包数据 ,因为这两种 数据中较为详细地记录了产品在试验和使用过程中 出现的故障。由于发动机可靠性试验的成本很高 ,一般企业中都不会有充分的试验数据 ;尽管三包数 据记录的不是十分规范 ,但通过归纳和整理 ,仍然可 以从中抽象出故障模式。所以 ,在试验数据不充足 的情况下 ,一般推荐采用三包数据。
3. 1. 3 筛选所分析子系统的故障数据 一般来讲 ,故障数据来自于系统 ,需要将故障数 据逐层筛选 ,才能最终得到系统、每一级子系统以及 零部件的故障数据 ,为确定其故障模式作准备。
3. 1. 4 确定关键字 三包数据来自于不同的维修点 ,并非由专业的 试验人员收集 ,难免存在不规范的现象 ,比如对于 “密封不严”这一故障现象 ,故障数据中就会有“密封 不严、不密封、密封性差、密封性不好”等多种描述。 针对这种现象 ,建议数据归纳人员先要了解各种故 障现象的描述 ,在此基础上确定关键字 ,对所选子系 统的故障数据进行归类。关键字确定的原则是 ,能 筛选到 95 %以上的同种故障现象 ,尽量做到不遗 漏 ;不同故障现象间尽量做到不重复。因此 ,筛选同 一种故障现象很可能需要确定几个关键字。
3. 1. 5 对系统的故障数据进行分类 依据确定的关键字对系统的故障数据进行分 类 ,分类后的故障数据就可以用来抽象出故障模式。
3. 1. 6 故障模式的抽象 根据分类后的故障数据 ,可以抽象出相应的故 障模式。故障模式要求用术语表示 ,汽车产品可以 参照标准 QC —900 ;标准中没有的故障模式 ,需由 工程师商量之后统一确定。
3. 1. 7 故障模式挂接在系统结构树的节点上 系统、子系统及零部件等不同层次都会有相应 的故障模式 ,需要将其挂接在相应的节点上 ,至此故 障模式库就搭建完成。随着分析工作的深入和故障 数据的持续归纳 ,故障模式库会越来越完整。 对节流阀体的故障数据进行以上的处理之后 ,得到了各级组件及零部件的故障模式 ,建立了节流 阀体的故障模式库 ,图 3 示出故障模式库的一部分。
图 3 节流阀体的故障模式库
需要指出 ,实施 DFMEA 时分析对象的故障模 式不仅来源于故障模式库 ,还来自于工作小组的分 析。
3. 2 确定 DFMEA 的详细分析对象
根据实施 DFMEA 需要耗费大量时间的具体 情况 ,本研究的参考文献[ 2 ]提出了一种新方法来确 定需要详细实施 DFMEA 的对象 ;思路是对系统进 行逐级分析 ,根据一定的标准确定需要详细分析的 分支(以下称为重要分支) ,对重要分支一直细化到 最底层 ,不可再分的重要分支即为需要详细分析的 对象。方法分为 3 步 ,即建立系统的组成结构树、确 定阈值、选择所需分析的对象。
3. 2. 1 建立系统的组成结构树 此处系统的组成结构树与第
3. 1. 1 节中的系统 结构树类似 ,但本质上不同。这里的系统组成结构 树是与系统的组成完全相同 ,依照系统的结构和功 能逐级向下建立 ,直到系统的零部件为止(称为组成 结构树的叶结点) ,组成结构树的示意图见图 4。
图 4 系统组成结构树
图中的系统由子系统 1 和子系统 2 组成 ,两个 子系统分别完成相应的功能。子系统 1 由子总成 1和 2 组成 ,子总成 1 又可以向下划分为零部件 ;子系 统 2 由两个零部件组成。其中 S12 ,S21 ,S22 ,S111和 S112 都是该组成结构树的叶结点。
3. 2. 2 确定阈值
阈值是确定重要分支所依据的条件。根据DFMEA 的原理 ,推荐确定重要度 ( S ) 和风险顺序 数( R PN ) 两个参数的阈值 ,只要某分支的 S 和R PN 两参数中的任意一个等于或超过阈值 ,该分支 就被确定为重要分支。除 S 和 R PN 以外 ,DFMEA中还有发生度( O ) 和探测度( D ) 两个参数 , S 用来 描述故障后果 , O 表明故障原因的发生概率 , D 是 对探测措施有效程度的度量 , R PN 是 S , O , D 3 者 的乘积。O 和 D 的阈值根据类似产品的故障数据确 定 ,原则是要比 DFMEA 中的阈值低。
3. 2. 3 选择所需分析的对象
对产品的组成结构树逐级向下分析 ,首先确定 第一级分支的所有的 S , O , D 值 ,并计算得到 R PN值 ;然后根据第 3. 2. 2 节中的阈值来确定哪一个分 支为重要分支 ,被确定为重要分支的仍然重复以上 过程直到组成结构树的叶结点 ,非重要分支则不再 继续分析。 以图 2 所示的系统组成结构树为例 ,选择需要 分析的对象。假设 S 和 R PN 的阈值分别为 6 和70 ,组成结构树中分支的各参数情况如图 5 所示 ,有 “3 ”的部分为重要分支。
图 5 确定分析对象
由图可见 ,子系统 S1 的 S 和 R PN 都达到阈 值 ,被确定为重要分支 ;子系统 S2 的 R PN 虽未达 到阈值 ,但 S 已经超过阈值 ,也被确定为重要分支 ;
S12 ,S22 和 S111 被确定为分析对象 ,需要对其进行 详细的 DFMEA 。 分析节流阀体的故障数据 ,确定 S 和 R PN 的 阈值分别为 5 和 30 ,分析结果见图 6。由分析结果 可知 ,需要对节气门位置传感器、怠速控制阀、阀片、 阀体本体进行详细的 DFMEA 。
图 6 确定节流阀体分析对象
4 实施 DFMEA 的流程
为 增 加 DFMEA 的 可 用 度 , 使 初 次 进 行DFMEA 的工作人员也能顺利地实施 DFMEA ,针 对发动机设计的特点 ,对 DFMEA 的流程进行了进 一步的归纳和改进(见图 7) 。
为加深对实施阶段的理解 ,提高分析效率 ,将实 施阶 段 分 成 确 定 基 础 项、确 定 衍 生 项 及 生 成DFMEA 报告等 3 步。
实施阶段中 ,功能、潜在故障模式、潜在故障影 响、故障原因和现有控制措施等 5 个加“ 3 ”的为基 础项 ,它们的分析是决定 DFMEA 实施成功与否的 关键 ; S , O , D , R PN 和建议的纠正措施为衍生项 ;基础项确定之后 ,衍生项可以随之确定。
4. 1 分析基础项
4. 1. 1 功能 分析项目的功能 ,用尽可能简明的文字来说明 被分析项目满足设计意图的功能 ;阀体的功能是与 阀片配合保证最小流量 ;与怠速控制阀配合保证怠 速流量 ;与节气门位置传感器配合保证主进气量。
4. 1. 2 潜在故障模式 每项功能会对应一种或一种以上的故障模式 ,填写故障模式要遵循"破坏功能"的原则 ,即尽量列 出破坏该功能的所有可能的模式 ;故障模式大部分 来源于故障模式库 ,还有一部分是新出现的故障模 式以及小组分析的结果 ,阀体的潜在故障模式为磨 损、裂纹、断裂以及积碳等。
图 7 DFMEA 流程
4. 1. 3 潜在故障后果 每种故障模式都会有相应的故障后果 ;分析故 障后果时 ,应尽可能分析出故障的最终影响 ,即最严 重的影响 ;阀体的潜在故障后果为发动机无力、燃油 消耗率高、怠速高。
4. 1. 4 潜在故障起因 所谓故障的潜在起因是指设计薄弱部分的迹 象 ,其结果就是故障模式 ;根据阀体结构和对其进行 的功能分析 ,可以知道阀体磨损的潜在故障原因为 ,阀体喉口与阀片直径不匹配 ;阀杆与阀片螺钉孔的 位置不匹配 ;怠速控制阀与怠速通道的孔径不匹配 ;怠速通道的孔系不同轴。
4. 1. 5 现有控制措施 根据故障的潜在起因可确定预防与探测的措施 ,这些都是已有的或将要有的措施。 阀体的现有控制措施为配合设计阀体喉口和阀 片直径 ,保证其配合间隙 ;配合设计阀杆和阀片螺钉 孔位置 ,保证其同心度 ;配合设计怠速控制阀和怠速 通道的孔径 ,保证其配合间隙。
4. 2 分析衍生项 根据潜在故障后果确定 S ,根据潜在故障原因 以及同型产品的三包数据确定 O ,根据探测措施确 定 D ;根据确定的 S , O , D 计算得到 R PN 值。如果 需要修正 ,可以提出适当的建议措施 ,作为改进的依 据 ,最后生成统一的 DFMEA 报告。
美国汽车工业行动集团(AIA G) 颁布的 FMEA标准中 ,提供了严重度、O 和 D 的评定准则[3 ],其 中 , O 准则非常直观 ,根据计算得到的频率即可得。
D 和严重度判定准则的操作性较差 ,作者推荐 企业根据 A IA G的 D 准则 ,结合企业现有的控制措 施制定适用于企业自身的 D 判定准则。
至于严重度的判定 ,提倡仍沿用 AIA G 的准 则 ,但为了增强其可操作性 ,作者对其进行了进一步 的归纳总结 ,生成如图 8 所示的流程 ;根据该流程即 可很容易地判定每种故障的严重度。
图 8 严重度判别流程
阀体磨损的严重度 影响了发动机的基本功 能 ,但未完全丧失 ,所以严重度为 7 ;
阀体磨损的 O 根据故障数据的统计结果 ,结 合专家组的分析 ,确定 O 为 3 ;
阀体磨损的检测度 现有的控制措施除硬度检 测外 ,均为对两零部件的配合检测 ,有较多的机会能 找出潜在的起因 ,检测度为 4。
专家组确定 S 和 R PN 的阈值为 7 和 80 ,当 S超过 7 (含 7) , R PN 超过 80 (含 80) 时 ,必须对其进 行改进。因此 ,提出了以下建议措施 :
a) 阀体喉口和阀片直径、阀片和阀杆影响全闭 泄漏量 ,除保证其配合间隙外 ,还应通过设计保证装 配后阀体喉口和阀片的同轴度 ,并进行全闭泄漏量 检测 ;
b) 怠速控制阀和怠速通道影响怠速流量 ,先需 要通过设计保证怠速通道孔系的同轴度 ,然后保证 怠速控制阀和怠速通道的同轴度和间隙。 完成以上分析后 ,要根据建议措施对设计进行 修正(实际采取的措施可能与建议措施不同) ,修正 后再重复以上步骤 ,直至 S 和 R PN 低于确定的DFMEA 的 S 和 R PN 阈值。
4. 3 生成 DFMEA 报告 完成每轮 DFMEA 之后 ,要及时生成 DFMEA报告 ,包括需改进的零部件、建议措施和改进措施 等。
5 结论
a) 提出的确定详细 DFMEA 对象的方法 ,大大 减少了 DFMEA 分析对象的数量和分析时间 ;
b) 将 DFMEA 准备工作纳入 DFMEA 的流 程 ,并将 DFMEA 的分析项目分成基础项和衍生项 加以分析 ,增强了 DFMEA 的工程实用性 ,使初次 进行 DFMEA 工作的小组也能顺利实施 DFMEA ;
c) 对原有 DFMEA 严重度的判定准则进行的 说明和改进 ,使判定更加直观和准确。
参考文献 :
[ 1 ] Stamatis D H. Failure Mode and Effect Analysis FMEA from Theory to Execution (故障模式影响分 析 FMEA 从理论到实践) [ M ]. 陈晓彤 ,姚绍华 ,译.北京 : 国防工业出版社 , 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
来源：Internet
关键词：
汽车发动机
DFMEA
