DFMEA的案例分析

DFMEA是一種以預(yù)防為主的可靠性設(shè)計(jì)分析技術(shù)，該技術(shù)的應(yīng)用有助于企業(yè)提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低成本，縮短研發(fā)周期。目前，DFMEA已在航空航天以及國(guó)外的汽車行業(yè)得到了較為廣泛的應(yīng)用，并顯示出了巨大的威力；但在國(guó)內(nèi)汽車行業(yè)并沒(méi)有系統(tǒng)地展開(kāi)，也沒(méi)有發(fā)揮其應(yīng)有的作用。本文以DFMEA在國(guó)產(chǎn)汽油機(jī)節(jié)流閥體的改進(jìn)設(shè)計(jì)中的實(shí)施為例，對(duì)改進(jìn)后的DFMEA的實(shí)施方法和流程進(jìn)行闡述。

一、實(shí)施DFMEA存在的困難

發(fā)動(dòng)機(jī)為完成其相應(yīng)的功能，組成結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零部件的數(shù)量也很龐大，如不加選擇地對(duì)所有的零部件和子系統(tǒng)都實(shí)施DFMEA，將會(huì)耗費(fèi)大量人力、物力和時(shí)間，對(duì)于初次實(shí)施DFMEA的企業(yè)幾乎是不可能完成的工作。為此，需要開(kāi)發(fā)一種方法，能夠從發(fā)動(dòng)機(jī)的子系統(tǒng)/零部件中選擇出優(yōu)先需要進(jìn)行分析的對(duì)象。

發(fā)動(dòng)機(jī)由曲柄連桿機(jī)構(gòu)、配氣機(jī)構(gòu)、燃油供給系統(tǒng)、進(jìn)氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和潤(rùn)滑系統(tǒng)等組成，各機(jī)構(gòu)和系統(tǒng)完成相應(yīng)的功能。子系統(tǒng)的下級(jí)部件或組件通常需要配合完成相應(yīng)的功能，在描述這些部件或組件的功能時(shí)，不僅應(yīng)該描述其獨(dú)立完成的功能，還應(yīng)描述與其他部件配合完成的功能。

組成發(fā)動(dòng)機(jī)的零部件種類很多，不僅包括機(jī)械零部件還有電子元件，電子部件的故障模式已經(jīng)較為規(guī)范和完整，但機(jī)械系統(tǒng)及其零部件的故障模式相當(dāng)復(fù)雜，不僅沒(méi)有完整且規(guī)范的描述，二者之間還有一定的重復(fù)，為DFMEA工作的開(kāi)展帶來(lái)了困難，故需要為機(jī)械系統(tǒng)及其零部件建立相應(yīng)的故障模式庫(kù)。

二、實(shí)施DFMEA的準(zhǔn)備工作

由于在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中實(shí)施DFMEA要遇到較多困難，故作者建議，在具體實(shí)施DFMEA之前，需要做好建立較為完善的故障模式庫(kù)并確定DFMEA的詳細(xì)分析對(duì)象等準(zhǔn)備工作。

1. 建立故障模式庫(kù)的方法

發(fā)動(dòng)機(jī)的組成零部件多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，大多數(shù)零部件在運(yùn)行時(shí)還會(huì)有相互作用，導(dǎo)致零部件、子系統(tǒng)和系統(tǒng)的故障模式不僅復(fù)雜，各層次的故障模式還會(huì)相互重復(fù)，需要為發(fā)動(dòng)機(jī)建立一個(gè)故障模式庫(kù)；該模式庫(kù)不僅應(yīng)該包含發(fā)動(dòng)機(jī)中所有子系統(tǒng)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(gè)零部件或系統(tǒng)，其建模流程如下圖所示。

（1）建立系統(tǒng)結(jié)構(gòu)樹(shù)

為建立故障模式庫(kù)，首先要建立系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)樹(shù)，它并不依賴于某一特定的產(chǎn)品，而是依據(jù)同一類產(chǎn)品建立。如建立一個(gè)汽油機(jī)的結(jié)構(gòu)樹(shù)時(shí)，應(yīng)考慮該廠所有的汽油機(jī)，分析出其共同特點(diǎn)后建立結(jié)構(gòu)樹(shù)；對(duì)于組成結(jié)構(gòu)有重大改變的產(chǎn)品，可以考慮為其改變的部分建立一個(gè)分支，掛接在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)樹(shù)的相應(yīng)節(jié)點(diǎn)上。

以汽油機(jī)的節(jié)流閥體為例，該閥體大致都由閥體、怠速控制閥、節(jié)氣門位置傳感器等組成，細(xì)節(jié)部分會(huì)有所不同，節(jié)流閥體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)樹(shù)如下圖所示。

（2）確定故障數(shù)據(jù)源

為確定故障模式，先要找到相應(yīng)的數(shù)據(jù)源；建議選擇同類產(chǎn)品的試驗(yàn)數(shù)據(jù)或三包數(shù)據(jù)，因?yàn)檫@兩種數(shù)據(jù)中較為詳細(xì)地記錄了產(chǎn)品在試驗(yàn)和使用過(guò)程中出現(xiàn)的故障。由于發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性試驗(yàn)的成本很高，一般企業(yè)中都不會(huì)有充分的試驗(yàn)數(shù)據(jù)；盡管三包數(shù)據(jù)記錄的不是十分規(guī)范，但通過(guò)歸納和整理，仍然可以從中抽象出故障模式。所以，在試驗(yàn)數(shù)據(jù)不充足的情況下，一般推薦采用三包數(shù)據(jù)。

（3）篩選所分析子系統(tǒng)的故障數(shù)據(jù)

一般來(lái)講，故障數(shù)據(jù)來(lái)自于系統(tǒng)，需要將故障數(shù)據(jù)逐層篩選，才能最終得到系統(tǒng)、每一級(jí)子系統(tǒng)以及零部件的故障數(shù)據(jù)，為確定其故障模式作準(zhǔn)備。
（4）確定關(guān)鍵字

三包數(shù)據(jù)來(lái)自于不同的維修點(diǎn)，并非由專業(yè)的試驗(yàn)人員收集，難免存在不規(guī)范的現(xiàn)象，比如對(duì)于“密封不嚴(yán)”這一故障現(xiàn)象，故障數(shù)據(jù)中就會(huì)有“密封不嚴(yán)、不密封、密封性差、密封性不好”等多種描述。

針對(duì)這種現(xiàn)象，建議數(shù)據(jù)歸納人員先要了解各種故障現(xiàn)象的描述，在此基礎(chǔ)上確定關(guān)鍵字，對(duì)所選子系統(tǒng)的故障數(shù)據(jù)進(jìn)行歸類。關(guān)鍵字確定的原則是，能篩選到95%以上的同種故障現(xiàn)象，盡量做到不遺漏；不同故障現(xiàn)象間盡量做到不重復(fù)。因此，篩選同一種故障現(xiàn)象很可能需要確定幾個(gè)關(guān)鍵字。

（5）對(duì)系統(tǒng)的故障數(shù)據(jù)進(jìn)行分類

依據(jù)確定的關(guān)鍵字對(duì)系統(tǒng)的故障數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，分類后的故障數(shù)據(jù)就可以用來(lái)抽象出故障模式。

（6）故障模式的抽象

根據(jù)分類后的故障數(shù)據(jù)，可以抽象出相應(yīng)的故障模式。故障模式要求用術(shù)語(yǔ)表示，汽車產(chǎn)品可以參照標(biāo)準(zhǔn)QC—900；標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有的故障模式，需由工程師商量之后統(tǒng)一確定。

（7）故障模式掛接在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)樹(shù)的節(jié)點(diǎn)上

系統(tǒng)、子系統(tǒng)及零部件等不同層次都會(huì)有相應(yīng)的故障模式，需要將其掛接在相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)上，至此故障模式庫(kù)就搭建完成。隨著分析工作的深入和故障數(shù)據(jù)的持續(xù)歸納，故障模式庫(kù)會(huì)越來(lái)越完整。

對(duì)節(jié)流閥體的故障數(shù)據(jù)進(jìn)行以上的處理之后，得到了各級(jí)組件及零部件的故障模式，建立了節(jié)流閥體的故障模式庫(kù)，下圖示出故障模式庫(kù)的一部分。

需要指出，實(shí)施DFMEA時(shí)分析對(duì)象的故障模式不僅來(lái)源于故障模式庫(kù)，還來(lái)自于工作小組的分析。

2. 確定DFMEA的詳細(xì)分析對(duì)象

根據(jù)實(shí)施DFMEA需要耗費(fèi)大量時(shí)間的具體情況，本研究的參考文獻(xiàn)[2]提出了一種新方法來(lái)確定需要詳細(xì)實(shí)施DFMEA的對(duì)象；思路是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行逐級(jí)分析，根據(jù)一定的標(biāo)準(zhǔn)確定需要詳細(xì)分析的分支(以下稱為重要分支)，對(duì)重要分支一直細(xì)化到最底層，不可再分的重要分支即為需要詳細(xì)分析的對(duì)象。方法分為3步，即建立系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)樹(shù)、確定閾值、選擇所需分析的對(duì)象。

（1）建立系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)樹(shù)

此處系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)樹(shù)與上述中的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)樹(shù)類似，但本質(zhì)上不同。這里的系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)樹(shù)是與系統(tǒng)的組成完全相同，依照系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能逐級(jí)向下建立，直到系統(tǒng)的零部件為止(稱為組成結(jié)構(gòu)樹(shù)的葉結(jié)點(diǎn))，組成結(jié)構(gòu)樹(shù)的示意圖見(jiàn)下圖。

圖中的系統(tǒng)由子系統(tǒng)1和子系統(tǒng)2組成，兩個(gè)子系統(tǒng)分別完成相應(yīng)的功能。子系統(tǒng)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(tǒng)2由兩個(gè)零部件組成。其中S12,S21,S22,S111和S112都是該組成結(jié)構(gòu)樹(shù)的葉結(jié)點(diǎn)。

（2）確定閾值

閾值是確定重要分支所依據(jù)的條件。根據(jù)DFMEA的原理，推薦確定重要度(S)和風(fēng)險(xiǎn)順序數(shù)(RPN)兩個(gè)參數(shù)的閾值，只要某分支的S和RPN兩參數(shù)中的任意一個(gè)等于或超過(guò)閾值，該分支就被確定為重要分支。除S和RPN以外，DFMEA中還有發(fā)生度(O)和探測(cè)度(D)兩個(gè)參數(shù)，S用來(lái)描述故障后果，O表明故障原因的發(fā)生概率，D是對(duì)探測(cè)措施有效程度的度量，RPN是S,O,D3者的乘積。O和D的閾值根據(jù)類似產(chǎn)品的故障數(shù)據(jù)確定，原則是要比DFMEA中的閾值低。

（3）選擇所需分析的對(duì)象

對(duì)產(chǎn)品的組成結(jié)構(gòu)樹(shù)逐級(jí)向下分析，首先確定第一級(jí)分支的所有的S,O,D值，并計(jì)算得到RPN值；然后根據(jù)閾值來(lái)確定哪一個(gè)分支為重要分支，被確定為重要分支的仍然重復(fù)以上過(guò)程直到組成結(jié)構(gòu)樹(shù)的葉結(jié)點(diǎn)，非重要分支則不再繼續(xù)分析。

以下圖所示的系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)樹(shù)為例，選擇需要分析的對(duì)象。假設(shè)S和RPN的閾值分別為6和70，組成結(jié)構(gòu)樹(shù)中分支的各參數(shù)情況如圖5所示，有“3”的部分為重要分支。

由圖可見(jiàn),子系統(tǒng)S1的S和RPN都達(dá)到閾值，被確定為重要分支；子系統(tǒng)S2的RPN雖未達(dá)到閾值，但S已經(jīng)超過(guò)閾值，也被確定為重要分支；S12,S22和S111被確定為分析對(duì)象，需要對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)的DFMEA。

分析節(jié)流閥體的故障數(shù)據(jù)，確定S和RPN的閾值分別為5和30，分析結(jié)果見(jiàn)下圖。由分析結(jié)果可知，需要對(duì)節(jié)氣門位置傳感器、怠速控制閥、閥片、閥體本體進(jìn)行詳細(xì)的DFMEA。

三、實(shí)施DFMEA的流程

為增加DFMEA的可用度，使初次進(jìn)行DFMEA的工作人員也能順利地實(shí)施DFMEA，針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，對(duì)DFMEA的流程進(jìn)行了進(jìn)一步的歸納和改進(jìn)(見(jiàn)下圖)。

為加深對(duì)實(shí)施階段的理解，提高分析效率，將實(shí)施階段分成確定基礎(chǔ)項(xiàng)、確定衍生項(xiàng)及生成DFMEA報(bào)告等3步。

實(shí)施階段中，功能、潛在故障模式、潛在故障影響、故障原因和現(xiàn)有控制措施等5個(gè)加“3”的為基礎(chǔ)項(xiàng)，它們的分析是決定DFMEA實(shí)施成功與否的關(guān)鍵；S,O,D,RPN和建議的糾正措施為衍生項(xiàng)；基礎(chǔ)項(xiàng)確定之后，衍生項(xiàng)可以隨之確定。

1.分析基礎(chǔ)項(xiàng)
（1）功能

分析項(xiàng)目的功能，用盡可能簡(jiǎn)明的文字來(lái)說(shuō)明被分析項(xiàng)目滿足設(shè)計(jì)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(jié)氣門位置傳感器配合保證主進(jìn)氣量。

（2）潛在故障模式

每項(xiàng)功能會(huì)對(duì)應(yīng)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(lái)源于故障模式庫(kù)，還有一部分是新出現(xiàn)的故障模式以及小組分析的結(jié)果，閥體的潛在故障模式為磨損、裂紋、斷裂以及積碳等。

（3）潛在故障后果

每種故障模式都會(huì)有相應(yīng)的故障后果；分析故障后果時(shí)，應(yīng)盡可能分析出故障的最終影響，即最嚴(yán)重的影響；閥體的潛在故障后果為發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)力、燃油消耗率高、怠速高。

（4）潛在故障起因

所謂故障的潛在起因是指設(shè)計(jì)薄弱部分的跡象，其結(jié)果就是故障模式；根據(jù)閥體結(jié)構(gòu)和對(duì)其進(jìn)行的功能分析，可以知道閥體磨損的潛在故障原因?yàn)?，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。

（5）現(xiàn)有控制措施

根據(jù)故障的潛在起因可確定預(yù)防與探測(cè)的措施，這些都是已有的或?qū)⒁械拇胧?/p>

閥體的現(xiàn)有控制措施為配合設(shè)計(jì)閥體喉口和閥片直徑，保證其配合間隙；配合設(shè)計(jì)閥桿和閥片螺釘孔位置，保證其同心度；配合設(shè)計(jì)怠速控制閥和怠速通道的孔徑，保證其配合間隙。

2. 分析衍生項(xiàng)

根據(jù)潛在故障后果確定S，根據(jù)潛在故障原因以及同型產(chǎn)品的三包數(shù)據(jù)確定O，根據(jù)探測(cè)措施確定D；根據(jù)確定的S,O,D計(jì)算得到RPN值。如果需要修正，可以提出適當(dāng)?shù)慕ㄗh措施，作為改進(jìn)的依據(jù)，最后生成統(tǒng)一的DFMEA報(bào)告。

美國(guó)汽車工業(yè)行動(dòng)集團(tuán)(AIAG)頒布的FMEA標(biāo)準(zhǔn)中，提供了嚴(yán)重度、O和D的評(píng)定準(zhǔn)則[3]，其中，O準(zhǔn)則非常直觀，根據(jù)計(jì)算得到的頻率即可得。

D和嚴(yán)重度判定準(zhǔn)則的操作性較差，作者推薦企業(yè)根據(jù)AIAG的D準(zhǔn)則，結(jié)合企業(yè)現(xiàn)有的控制措施制定適用于企業(yè)自身的D判定準(zhǔn)則。

至于嚴(yán)重度的判定,提倡仍沿用AIAG的準(zhǔn)則，但為了增強(qiáng)其可操作性，作者對(duì)其進(jìn)行了進(jìn)一步的歸納總結(jié)，生成如下圖所示的流程；根據(jù)該流程即可很容易地判定每種故障的嚴(yán)重度。

閥體磨損的嚴(yán)重度影響了發(fā)動(dòng)機(jī)的基本功能，但未完全喪失，所以嚴(yán)重度為7；

閥體磨損的O根據(jù)故障數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，結(jié)合專家組的分析，確定O為3；
閥體磨損的檢測(cè)度現(xiàn)有的控制措施除硬度檢測(cè)外，均為對(duì)兩零部件的配合檢測(cè)，有較多的機(jī)會(huì)能找出潛在的起因，檢測(cè)度為4。

專家組確定S和RPN的閾值為7和80，當(dāng)S超過(guò)7(含7)，RPN超過(guò)80(含80)時(shí)，必須對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)。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(yīng)通過(guò)設(shè)計(jì)保證裝配后閥體喉口和閥片的同軸度，并進(jìn)行全閉泄漏量檢測(cè)；b)怠速控制閥和怠速通道影響怠速流量，先需要通過(guò)設(shè)計(jì)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(jù)建議措施對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行修正(實(shí)際采取的措施可能與建議措施不同)，修正后再重復(fù)以上步驟，直至S和RPN低于確定的DFMEA的S和RPN閾值。

3. 生成DFMEA報(bào)告

完成每輪DFMEA之后，要及時(shí)生成DFMEA報(bào)告，包括需改進(jìn)的零部件、建議措施和改進(jìn)措施等。

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