基于FMECA方法的應用分析與研究

田 宇

寧夏大學機械工程學院

1 引言

目前我國機電產品制造企業普遍存在的問題是新產品開發能力薄弱,技術落后,不少企業處于仿制國外產品的階段,要使我國的企業在國際市場中贏得競爭和發展,產品自主開發設計能力的提高已成為關系到我國制造工業發展命運的至關重要的問題,而提高產品質量是增強其市場競爭力的關鍵。采用FM ECA等方法,有助于企業提高產品質量、縮短產品開發周期、降低產品更新換代成本、增加顧客滿意程度,從而提高產品在市場上的競爭力。工業發達國家對FM ECA方法的研究起源較早,而國內在這方面的研究才剛剛起步。臺扇在中國家庭中普及率極高,全國每年夏季高峰期發生故障的數量也相當可觀,造成一定的維修難問題。若臺扇生產廠家在設計其產品時進行一定的FMECA分析,就可以在很多方面預料將要發生的故障,并提前采取必要的措施加以防范。

2 FMEA/FMECA方法

FMEA/FM ECA(Failure Mode,Effect and Criticality Analysis)是一種可靠性分析技術,用來分析產品可能和潛在的失效模式,確定故障的相對嚴重程度和發生概率,以及產品在交付使用前發現故障的可能性,對那些對產品性能有重大影響的失效模式做出判斷,并針對發現的問題提出改進的措施,以便改進設計來消除或減少那些潛在的設計缺陷。通常FM ECA應與產品的設計過程同時進行,并應盡可能早地進行,最好在方案設計階段就開始。隨著新的信息的增加,在設計、樣機研制和驗證中重復進行和不斷改進。FMECA是在FMEA的基礎上再增加一層判斷故障模式影響的危害程度到底有多大這一任務,使分析量化。因此FMECA可以看成是FM EA的一種擴展與深化。FMEA和FMECA均致力于在實際使用中找出對系統性能有顯著影響的各種故障及相關因素,通常FM EA只用于定性分析,而FMECA中的致命度分析可以進行定量分析。

3 FMEA/FMECA方法分析

(1)研究對象及其功能結構圖分析

圖1 研究分析對象臺扇示意圖Fig.1 Fan schematic diagram

根據臺扇的主要結構,繪制臺扇的功能結構對應圖,如圖2所示。臺扇的主要作用是使人感覺涼爽,包括三大功能：使空氣流動、控制空氣流動以及其他輔助功能。控制空氣流動可分解為三大子功能：定時、改變風力、改變風向。而每一功能的實現又對應于相應的產品的零部件結構,如：定時器與定時開關,調速開關、風葉電機及風葉,轉頁控制開關、轉頁同步電機以及轉頁等。

(2)建立臺扇行為模型

圖2 臺扇功能結構圖Fig.2 Fan function structure diagram

建立臺扇的行為模型表,進行臺扇的AFMEA分析。如故障模式：非(使空氣流動：風扇)是由非(開關,開關狀態,開)引起的,故懷疑部件為：開關。

表1 臺扇部分行為模型Table 1 Part of fan model behavior

行為模型能更有效地為早期設計分析服務,因為：首先,行為不完全依賴于產品的物質結構。我們知道,當產品設計不斷進步的時候,產品的物質要素及部件會發生變化,而通常的行為卻能較早地確定了。故部件的混合以及產品的完善都不會影響AFMEA的應用。其次,行為模型能更好地反映顧客對產品的需求以及期望的屬性,同時也是評估“顧客不滿意模型”的基礎。最后,行為模型為分析故障模式提供了一個更系統化的框架結構,因為它分析到了更廣闊的范圍。行為模型甚至可以通過分析產品的上下級支持系統來獲知一套更完整的故障模式。

(3)FMECA表格的設計與分析

根據臺扇的行為模型及常見故障分析,利用FMECA表格的規定格式繪制臺扇的FMECA表格,如表2、表3、表4所示(限于篇幅僅截取部分表格)。

通過對FEMCA表格的分析可看到：危險優先數最高的部件共有三個：調速開關、風葉電機、箱體,它們損壞的原因各不相同,對系統造成的影響也不同。

表2 調速開關的FMECA分析表Table 2 FMECAanalysis form of speed switch

調速開關主要是由于開關簧片角度發生彎曲或簧片老化,從而導致開關接觸不良甚至失效。因其發生概率和嚴重度都比較高。因此可以認為由于調速開關的故障會導致客戶的高度不滿,故評定其嚴重度為7。由于其經常使用且暴露在產品外部,而主要功能又以較薄的簧片來實現,根據有關維修數據及FMECA分數等級評定標準,評定該開關發生概率為8。由于調速開關通常采用不密封的撥動式轉換開關,通常肉眼便可看到接觸不良或斷線等故障所在,故將其檢測難度定為5。建議改進的措施為：改變簧片材料及制造工藝。因此,調速開關屬于利用FM ECA法可以有效避免的故障之一。

表3 風葉電機的FMECA分析表Table 3 FMECA analysis form of the motor

風葉電機主要是由于罩極繞組連接不良引起的風葉電機損壞,并進一步導致風葉不轉。由于風葉電機是臺扇的核心部分,它直接關系到其最主要的功能―風葉轉動以及送風是否能夠實現,一旦風葉電機發生故障導致風葉不轉,則該產品就會喪失其最主要的功能。根據FMECA分數等級評定標準表標準,故應評定為8。由于電機處于臺扇內部,不容易受到外部撞擊或人為的損壞,且電機屬于耐用產品,發生故障的概率相對較低,根據FMECA分數等級評定標準定為5。由于電機處于產品內部并有外罩保護,且罩極繞組處于電機內部,結構復雜,故障一旦發生較難發現,因此檢測難度較高,定為7。

可見,風葉電機主要是由于其重要性及難檢測性導致其故障風險較高。對于這樣的部件,除了建議增加裝配前檢查、定期進行檢測之外,唯一可以在設計上改進的地方就是簡化電機的結構,或考慮采用其他結構更簡單的電機,這樣可以有效地降低檢測的難度。故該部件屬于通過FM ECA分析方法,能有限避免風險的部件。亦可以考慮使用其他可靠性設計方法,如冗余法、安全系數法等以增加產品的可靠性。

表4 箱體的FMECA分析表Table 4 FMECA analysis form of fan shell

箱體是由于其金屬部分與通電部分連接導致漏電,造成安全隱患。這一故障的發生率雖然不高,但由于重要度極高,且檢測難度也較高,故其危險優先數高達320。由于漏電這一安全隱患直接涉及使用者的生命安全,且目前的產品上沒有任何漏電指示設備,故障影響情況符合FMECA分數等級評定標準中的“若失敗發生,客戶將在毫無警告的情況下受到安全威脅”,因此重要度評定為10。而又因為箱體漏電是一個不易被發現的隱患,無預兆,無指示設備,其檢測難度較高,定為7。但是,如果采用合格的箱體材料,發生這一故障的概率并不大,定為4。建議改進措施的為：改用絕緣材料及安裝漏電指示設備等。

4 結論

通過FMECA方法分析可以發現同一設備系統中不同功能的零部件因其重要程度不同以及結構上的差異,其危險優先數也會有所不同,因此在設計中就需要區別對待,將危險優先數特別高的部件優先考慮。

用FMECA分析的零部件是能引起重大安全事故的零部件,雖然其發生概率及檢測難度都可能不高,但用FM ECA方法對其進行分析可以有效地發現和預防重大事故的發生,在產品設計中的作用是十分重要的。

[1]段瀟,劉樂,田光宇.設計失效模式及后果分析在車輛產品開發中的應用[J].現代制造工程,2005(02).

[2]李淑慶.3F一體化技術研究及其在新產品開發中的應用[D].重慶大學,2007.

[3]Steven Kmenta,Peder Fitch,Kosuke Ishii,Design Division,“Advanced Failure Modes And Effects Analysis Of Complex Process,”processing of the 1999 ASME Design Engineering Technical Conferences.

[4]馮瑞臣.模糊FMECA在船舶主機系統中的應用研究[D].大連海事大學,2008.

[5]魏選平,卞樹檀.故障樹分析法及其應用[J].電 子產品可靠性與環境試驗,2004(03).

[6]孫小宇.可靠性在民用飛機維修工程中的應用研究[D].昆明理工大學,2006.

[7]朱學軍,陳宇.基于 FTA的智能型故障診斷方法研究[J].微計算機信息,2005(06).

[8]竹建福,許樂平.FMEA在船舶系統風險評估中的應用[J].世界海運,2006(02)