DFMEA在发动机设计中的应用

yangjian4335

DFMEA在发动机设计中的应用
  
　　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

　　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。

　　(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。

　　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。

　　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)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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

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。

　　(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。

　　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。

　　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(RPN)两个参数的阈值,只要某分支的S和RPN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RPN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,RPN是S,O,D3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)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RPN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RPN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“*”的部分为重要分支。

　　由图可见,子系统S1的S和RPN都达到阈值,被确定为重要分支;子系统S2的RPN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。

　　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 ,RPN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。

　　(1)分析基础项

　　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。

　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。

　　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)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。

　　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。

　　(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RPN 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(AIAG) 颁布的FMEA标准中,提供了严重度、O和D 的评定准则 ,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AIAG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AIAG 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。

　　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RPN的阈值为7 和80 ,当S超过7(含7) , RPN 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RPN 低于确定的DFMEA 的S 和R PN 阈值。

　　(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

　　(1)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;

　　(2)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;

　　(3)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。

[ 本帖最后由 tx 于 22-5-2008 03:37 编辑 ]

peggyfuze

DFMEA技术其实在很多年前的国防产品上使用过，但真正用得好是在日本和美国。说穿了就是失效分析，可失效分析对我们来说没有底事件数据，即使有也是拍脑壳获得的数据，这对分析有多少用？我们要进行可靠性预计、可靠性分配等没有能说明问题真实性的底事件数据，只能是一种形式上的使用、花架子！这方面的东西在我国的国防单位都曾经使用过，而且还出了不少军用标准及底事件数据，原因是军方累计了很多说明问题的有用数据。

hefengxian

我们公司虽然有着个东西，但是也只是形式而已，至今也没有做过系统的培训，我们好多员工都不知道是做什么用的。这次知道真正的用处了。谢谢！

兵来将挡

我觉得这个是行业发展成熟度的一个标志，我们在对发动机的各种国外先进技术都还没有吃透的情况下，对这种东西是不会有好的理解的。优先的把这种东西提出来，没准会阻碍我们的发展。

无边丝雨

DFMEA-设计潜在失效模式分析，是非常有用的。它是动态更新的，我们在开发新机型或是对批生产机型故障分析时均会用到。是按TS16949流程必须做的，16949是国外先进的开发管理方法，我们国内现在好多整车厂、主机厂都在执行。