航天產品FMEA工作有效性的思考

劉志全 宮 穎

(北京空間飛行器總體設計部,北京 100094)

1 引言

故障模式與影響分析(Failure Mode and Effect Analysis,FM EA),是一種可靠性分析方法,被廣泛應用于國內外航天產品的研制過程中。分析的目的在于找出產品的薄弱環節,并針對薄弱環節采取相關的預防、改進或補償措施,以提高產品的可靠性。目前,國內很多航天產品開展了FMEA 工作,但有些航天產品FM EA 工作的有效性不容樂觀。本文針對開展FMEA 工作有效性進行探討,分析當前航天產品FM EA 工作中存在的問題并提出相應的解決途徑, 旨在糾正FM EA 工作中的偏差, 提高FM EA 工作的有效性。

2 航天產品FM EA 工作的有效性

FMEA 最主要的要求是將產品的故障模式、故障原因、故障影響程度、預防或控制措施、補救或補償措施全面而清楚地分析出來,從中檢索出產品的薄弱環節及其對應的措施。評價FMEA 工作的有效性,最主要就是看FM EA 工作是否達到全面正確識別產品薄弱環節、對薄弱環節采取有效措施這樣的目的。如果滿足了上述要求并達到了上述目的,那么所開展的FM EA 工作就有效,反之亦然。

為了保證FM EA 工作的有效性, 就需要把握FMEA 工作開展的及時性和規范性、識別故障模式及其原因的全面性、表述故障模式及其原因和影響的正確性、采取措施的針對性和可操作性等。

1)FM EA 工作開展的及時性和規范性分別指FMEA 工作與設計的同步性及與標準規范要求的符合性。應當在進行產品設計的同時,按標準規范要求進行FM EA,以便及時發現設計薄弱環節并采取措施,進而落實在設計中。開展FM EA 工作是一個持續改進、反復迭代的過程。就規范性而言,國家軍用標準GJB/Z 1391-2006 明確指出[1],FMEA 的約定層次劃分為“初始約定層次”、“約定層次”和“最低約定層次”。“初始約定層次”是最高層次,它是FMEA 中最終影響的對象;“最低約定層次”是約定層次中最底層產品所在的層次,它決定了FM EA 工作的深入、細致程度。開展FM EA,首先應當按照標準規范的要求,對約定層次劃分進行明確定義。此外, 標準GJB/Z 1391-2006 和QJ 3050-98 中對“嚴酷度等級”都作了定義[1-2],“嚴酷度等級”是根據“最終影響”的內容而確定的。“最終影響”的內容應當與“嚴酷度等級”相對應。開展FMEA 工作不僅僅是填寫FM EA 工作表,最后還應當檢索出產品Ⅰ、Ⅱ類故障模式清單。總而言之,需要遵照標準規范的要求規范地開展FMEA。

2)識別故障模式及其原因的全面性,就是指在識別產品可能的故障模式及其原因時的全面程度(或不發生遺漏項目的程度)。實事上,全面識別產品故障模式及其原因,與產品設計者對產品技術的掌握程度(知識和經驗)有關。對產品技術掌握較好的產品設計者,容易做到全面識別產品故障模式及其原因,而對產品技術掌握較差的產品設計者就有可能疏漏一些內容。

3)表述故障模式及其原因和影響的正確性,是指在填寫FMEA 工作表時,對故障模式及其原因和影響表達的清楚和具體程度。正確表述故障模式及其原因和影響是保證和提高FM EA 工作有效性的基礎。產品設計者應當清楚、具體、正確地表述故障模式、故障原因和故障影響,盡可能避免采用類似“……故障”、“……失效”這樣籠統的描述方式,來描述故障模式和故障原因,也不能采用“故障原因+故障模式”的復合式方式來描述故障模式,更不能采用“故障模式1 或故障模式2”的并列方式來描述一個故障模式。應杜絕用劃“√”符號或空白的方式來表達故障影響。

4)采取措施的針對性和可操作性是指在填寫FM EA 工作表時,所填寫的預防措施相對于故障原因的針對性和可操作性、所填寫補償措施相對故障影響的針對性和可操作性。采取有針對性的、可操作的措施是體現FM EA 工作有效性的重要方面。應盡可能避免采用無針對性的、口號化的措施。

3 當前航天產品FM EA 工作中存在的問題及原因分析

3.1 存在的問題

目前,國內很多航天產品開展了FM EA 工作,并取得了一定的成效。但有些航天產品FM EA 工作的有效性沒有充分實現。問題突出地表現在如下五個方面。

1)開展FMEA 工作的及時性和規范性方面的問題

有的FMEA 工作在設計階段并沒有開展,而到了設計完成之后再補做FM EA, 沒有落實“FMEA與設計同步開展”的原則。從某種意義上講,就是錯過了在設計階段及時發現設計薄弱環節并改進設計的機會。設計工作與FM EA 的脫節削弱了FMEA的有效性。

也有委托其他可靠性專業人員來代替產品設計者進行FM EA 的現象。應當指出,其他可靠性專業人員可以協助產品設計者開展FM EA,但是絕不能代替。FMEA 工作的主體應當是產品設計者。非產品設計者不可能全面了解產品,當然也就談不上全面識別出產品的薄弱環節。所以,代替產品設計者進行FM EA,不符合“誰設計誰負責FM EA”的原則,嚴重降低了FM EA 工作的有效性。

開展FMEA 工作規范性問題的表現之一是,進行FM EA 時,沒有定義約定層次或約定層次定義不明確。若對產品約定層次不作定義或定義不清,勢必導致初始約定層次、約定層次、最低約定層次不清,在同一份FM EA 工作表內,層次級別混亂。例如,在某個天線產品FMEA 的報告中,產品設計者把“XX 天線”填入了“產品或功能標志”欄目中(正確的做法應當是將XX 天線的下一層次的內容列入“產品或功能標志”欄中)。

開展FM EA 工作規范性問題的另一表現是,FMEA 報告的“最終影響”欄目里所填寫的內容與“嚴酷度等級”不對應。有些最終影響若按標準中嚴酷度等級定義去判斷,連“Ⅱ”類都達不到,而事實上在FMEA 報告中卻被錯誤地填寫成“Ⅰ”類。當然,還有相反的情況:故障最終影響本身很嚴重,而嚴酷度等級卻被定得很低。如此識別出來的薄弱環節(如Ⅰ、Ⅱ類故障模式清單)不能夠真實反映產品的實際狀態。

填寫完FMEA 工作表后沒有給出薄弱環節及其控制措施的清單,也是開展FM EA 工作規范性問題的表現之一。在一些FM EA 報告中,經常會看到僅有一張FM EA 工作表而沒有分析輸出結果的現象。沒有分析結果的分析其效果將大打折扣。

2)識別故障模式及其原因的全面性方面的問題

有些產品設計者在開展FM EA 時,沒有按照產品的功能及系統組成,來識別產品的薄弱環節,而是按照行政單位界限來識別產品的薄弱環節,結果丟掉若干個產品系統組成中本應識別到的故障模式和故障原因。例如,某電機驅動展開機構,它由控制器、驅動電機、機械部件等部分組成。其中,控制器由外協單位負責研制。該展開機構設計者進行FMEA 時,沒有涉及控制器的任何故障模式和故障原因,這樣就不能全面識別展開機構的故障模式和故障原因,在一定程度上存在著“技術死角”。

對于有冗余設計的產品,一些產品設計者只分析了單一故障的情況,而忽略了整個冗余系統都出現故障(如共因共模故障)的情況, 這樣就會在FMEA 中遺漏一定的、甚至是重要的故障模式,也就會因為對產品故障模式不能全面識別和控制而給系統帶來較大的風險。

此外,一個故障模式可能對應若干個故障原因,但有些FMEA 沒有全面列出故障原因,因而也就自然缺失了一些與故障原因相對應的預防措施。例如,某FM EA 對微放電故障的原因關注了導線搭接或金屬碎屑,而遺漏了“間隙過小”這一微放電故障的可能原因。

3)分系統和系統FM EA 效果方面的問題

一般情況下,系統由若干個分系統組成,分系統由若干個設備組成。目前,存在分系統和系統級FM EA,簡單匯總下級產品FM EA 結果的現象。有的分系統FM EA,僅僅把分系統所屬的各設備的FM EA 進行簡單匯總;有的系統FMEA,僅僅把系統所屬的各分系統的FM EA 進行簡單匯總。這樣就不能很好地去識別分系統層面上或系統層面上的薄弱環節, 特別是因設備間的接口(對于分系統FM EA)或分系統間的接口(對于系統FM EA)而產生的薄弱環節,從而使分系統或系統級FMEA 的有效性大打折扣。

4)表述故障模式及其原因和影響的正確性方面的問題

在一些FM EA 報告中經常出現故障模式及其原因表達不清楚、不具體的現象。例如,“微動開關失效”到底是什么形式的失效并不清楚;也有采用“故障原因+故障模式”的復合方式來錯誤描述故障模式(如“因多余物而導致軸承卡死”);還有采用“故障模式1 或故障模式2”的并列方式來錯誤描述一個故障模式(例如:“主軸斷裂或主軸塑性變形”),其實,“主軸斷裂”和“主軸塑性變形”是兩個不同的故障模式,而不應當寫在同一個“故障模式”欄目中。再比如,在“機構卡死”這一故障模式的“故障原因”欄目中填寫“減速器失效”,并不能將機構卡死的真正原因表達清楚。將“器件損壞”表述為“顯示器不工作”這一故障模式的故障原因是難以將“顯示器不工作”的真正原因表達清楚的(因為一個顯示器有多個器件,簡單地填寫“器件損壞”而沒有說明“哪個器件損壞”是表達不清的),即使發現了“顯示器不工作”這一薄弱環節,也無法針對故障原因采取相應的預防措施。

有些FMEA 報告的“故障影響”欄目出現符號“√”或空白,報告作者以此來表達有無影響,而沒有表述故障影響的具體內容,還有的FM EA “故障影響”欄目中出現“無影響”。而事實上,出現的故障必定會使產品的可靠性降低,不會無影響。

5)采取措施的針對性和可操作性方面的問題

有些FM EA 的“防止措施”或“預防措施”與“故障原因”不對應,沒有針對性。“補救措施”或“補償措施”與“故障影響”不對應,也沒有針對性。在一些FM EA 報告中,經常會看到諸如“加強計算分析”、“嚴格生產過程控制”、“嚴格產品驗收把關”這類具有口號性質的措施。這種口號化而沒有操作性的控制措施,很難反映在具體的設計或工藝文件中,對于完善設計或工藝(即在設計圖樣或技術要求或工藝文件中落實有關控制措施)毫無意義。還有一些FMEA 報告,在“防止措施”或“預防措施”欄目填寫“無”或者空白。既然找到了故障發生的可能原因,而又不采取相應的措施加以預防, 那么所進行的FMEA 就是無效的工作。

3.2 原因分析

出現上述問題的原因主要有如下三個方面:

1)FMEA 的標準體系不完善

關于FM EA 的現行有效標準有多個,有的標準自身有不完善之處,某些要求不夠明確、可操作性差,亟待修訂完善;標準與標準之間的術語、工作表格形式等要求也不盡相同,這是導致開展FM EA 工作規范性差的原因之一。例如,同為航天行業標準的QJ 3050-98 與QJ 2437-93[3]所提的要求有差別,這樣就不同程度地給標準的執行者帶來理解上的偏差與混亂。在標準的執行層面,某個單位可能承接多個用戶單位關于某產品的研制任務,每個用戶單位對該承制單位提出的FM EA 要求可能不盡相同(執行標準不同),這就導致產品設計者在進行同一產品的FMEA 時需要滿足不同用戶的要求。

2)對產品設計者進行FM EA 培訓不到位

對產品設計者進行FM EA 培訓不到位,表現在某些產品設計者,對FM EA 工作的重要性認識不足和對FM EA 方法沒有掌握這兩個方面。

某些產品設計者沒有理解FMEA 是一個完善產品、提高產品可靠性的有效方法,在思想上沒有解決“為什么要開展FM EA?”的問題,當然就不去想如何做好它,只簡單地認為FM EA 是一項任務。對FMEA 工作的重要性認識不足,必然導致FM EA工作的效果不好——難以達到發現薄弱環節、改進設計或工藝的目的。

上文提及的開展FMEA 工作的規范性差、識別故障模式及其原因的全面性差、分系統和系統FMEA 效果差、表述故障模式及其原因和影響的正確性差、采取措施的針對性和可操作性差等問題,都與產品設計者沒有很好掌握FM EA 方法有關。產品設計者不掌握FMEA 方法,再加上對產品技術內容沒有吃透,技術能力不足,導致上述問題發生是必然的。

3)對FMEA 工作的時機和進度安排不合理

開展FM EA 工作及時性差的問題,與產品研制技術流程及可靠性工作計劃中,對FMEA 工作的時機安排不合理或計劃執行力不強有關。如果在產品研制技術流程及可靠性工作計劃中,沒有對FMEA工作給予合理的時機安排, 則“FMEA 與設計同步開展”難以落實。

另一方面,上文提及的開展FM EA 工作的規范性差、識別故障模式及其原因的全面性差、分系統和系統FMEA 效果差、表述故障模式及其原因和影響的正確性差、采取措施的針對性和可操作性差等問題,也與產品設計者開展FM EA 缺乏必要的時間保障有關。產品設計者開展FM EA 是需要一定時間進行思考和分析的,若管理部門對FMEA 工作的時間進度安排不合理(留給產品設計者進行FM EA 工作的時間不足),那么產品設計者迫于不合理的進度安排,為了在短時間內完成任務,常常不求甚解,降低分析的工作質量,追求形式上的任務完成,如此勢必失去了FMEA 工作的意義。

4 提高航天產品FM EA 工作有效性的途徑

基于對當前一些航天產品FM EA 工作存在問題及原因的分析,提出提高航天產品FM EA 工作有效性的建議如下:

1)清理現行標準,航天系統內自上而下統一認識,修訂完善FM EA 標準。修訂版QJ 3050 在QJ 3050-98 的基礎上, 將增補工藝FM EA 和軟件FM EA,對Q J 3050-98 中某些要求不夠明確、操作性差的不完善之處還要進行修訂。FMEA 標準之間的不統一、不協調問題也應當通過梳理標準,修訂或廢止某些不適用的標準來解決。

2)航天產品承制單位應加大對產品設計者進行FM EA 培訓的力度,通過培訓,提高產品設計者對FM EA 工作重要性的認識,讓產品設計者樹立“FM EA 工作的主體是產品設計者”、“FM EA 與設計同步開展”的正確理念,自覺地將FM EA 應用在航天產品的研制中;提高產品設計者對FMEA 方法的理解和應用水平,提高產品FM EA 的分析質量;提高產品設計者的相關技術水平,讓產品設計者掌握產品技術細節、成功設計經驗和失敗案例。

3)航天產品研制管理部門應科學安排FMEA工作的時機和進度,在產品研制流程和可靠性工作計劃中落實“FM EA 與設計同步開展”、“誰設計誰負責”的原則,防止設計與FM EA 工作脫節,同時給產品設計者開展FMEA 工作提供必要的時間保障,以確保FMEA 工作的有效性。

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[1]中國人民解放軍總裝備部.GJB/Z 1391-2006 故障模式、影響及危害性分析指南[S].北京:國防科工委軍標出版發行部, 2006

[2]中國航天工業總公司.QJ 3050-98 航天產品故障模式、影響及危害性分析指南[S].北京:中國航天標準化研究所,1998

[3]中華人民共和國航空航天工業部.QJ 2437-93 衛星故障模式影響和危害度分析[S].北京:中國航天標準化研究所,1993

[4]Stamatis D H.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

[5]ESA. Failure modes , effects and criticality analysis(FM ECA)[S].ECSS-Q-30-02A, 2001

[6]Department of the NAVY Commanding Officer.MILS TD-1629A Failure mode effect analysis[S].Department of Defense, Washington D.C., 1980