航空發動機燃油控制系統產品DFMEA分析應用實踐

摘要：DFMEA是一種以預防為主的可靠性設計工具。在產品研制的不同階段開展DFMEA分析，從故障影響程度、嚴酷度等級、發生概率3個維度定量識別產品設計薄弱環節，制定針對性的改進措施，并不斷迭代更新，以提高產品使用可靠性。并且總結了功能DFMEA分析工作流程，并對某型航空發動機燃油控制系統產品進行應用實踐，通過梳理該型產品任務可靠性框圖，并結合相同結構產品以往故障模式定量分析，識別出產品的薄弱環節并采取措施，進行可靠性強化試驗驗證設計改進措施效果。最終結果表明，通過DFMEA分析，有效提升了產品的可靠性。

關鍵詞：故障模式影響分析可靠性嚴酷度設計改進措施

DFMEAAnalysisandApplicationPracticeofAviationEngineFuelControlSystem

LINLeyuZHANGYunzhi

（AECCXi'anAero-EngineControlTechnologyCo.，Ltd.，Xi'an，ShaanxiProvince，710077China）

Abstract：DFMEAisapreventive-basedreliabilitydesigntool.ConductDFMEAanalysisatdifferentstagesofproductdevelopment，quantitativelyidentifyweaklinksinproductdesignfromthreedimensionsoffailureimpact，severitylevel，andprobabilityofoccurrence，formulatetargetedimprovementmeasures，andcontinuetoiterativelyupdatetoimproveproductreliability.ThispapersummarizesthefunctionalDFMEAanalysisworkflow，andappliesittoacertaintypeofaero-enginefuelcontrolsystemproduct.Bysortingoutthetaskreliabilityblockdiagramofthistypeofproduct，andcombiningwiththequantitativeanalysisofpastfailuremodesofproductswiththesamestructure，carrydesignimprovementmeasuresonidentifiedweaklinks，andusethereliabilityenhancementtesttheresult.ThefinalresultshowsthatthroughDFMEAanalysis，whicheffectivelyimprovesthereliabilityoftheproduct.

KeyWords：Failuremodeeffectsanalysis;Reliability;Severity;Improvementmeasure

故障失效模式與影響分析（FailureModeandEffectsAnalysis，FMEA）[1]是一種用來評估系統、設計、過程或服務等所有可能會發生的故障。為確保裝備具備特定的質量特性，需要在研制策劃階段確定裝備質量特性集合，然后將質量特性設計進入裝備方案。為了將裝備質量特性合成到方案中，需要與裝備研制過程緊密關聯，從研制過程中形成裝備質量特性，實現質量特性維度、質量特性要素到質量特性屬性等不同層次的質量需求的依次轉化，明確裝備質量保證目標。在航空發動機制造領域中，FMEA作為一種可靠性分析工具在產品設計過程中得到了廣泛應用，被稱為DFMEA。DFMEA分析與產品設計同步進行，針對產品可能發生的故障模式、原因及其影響，按故障風險優先順序，采取設計改進措施或補償措施，并預測或跟蹤所采取措施的有效性，避免因設計缺陷導致的產品失效。DFMEA工作隨著產品研制進展，應不斷迭代、更新分析結果，及時發現設計中的薄弱環節并加以改進，進而提高產品的可靠性。

本文通過運用“故障模式—故障原因—設計改進措施”的DFMEA分析方法對某型航空發動機燃油控制系統附件以功能實現為目標，開展風險分析，制定可靠性設計改進措施并貫徹落實，最終通過可靠性強化試驗驗證的閉環管理，提供了一套完整的DFMEA分析實施流程為航空發動機產品設計改進工作提供參考。

1DFMEA分析

1.1DFMEA分析時機

針對產品壽命周期各階段（論證與方案階段、工程研制與定型階段、生產階段、使用階段）不同特點，可采用不同的DFMEA分析方法，常見的有功能DFMEA、硬件DFMEA、軟件DFMEA等。DFMEA分析工作時機很重要，不同階段的研制產品開展DFMEA分析其意義是不同的，在論證與方案階段、工程研制階段的早期主要考慮產品的功能組成，而功能可按輸出的質量特性分類，質量特性可按一定的技術指標來度量，將輸出的質量特性一一列出，并對導致不能實現技術指標的情況進行分析，制定改進或補償措施，確保產品實現功能性能指標；在工程研制與定型階段，旨在研究產品的缺陷與薄弱環節，及時發現工藝薄弱環節并加以分析、改進，提高加工過程的穩定性和可操作性，進而提升產品質量。

如果在研制周期中開展DFMEA足夠早，則結合更改克服由DFMEA程序識別的缺陷，會取得更好的效費比，因此，DFMEA是與設計過程同步反復迭代進行的過程[2]。

2功能、硬件FMEA分析流程

首先應明確約定層次的定義，即確定被分析對象，約定層次既可以按產品的功能層次關系定義，又可按產品的硬件結構層次關系定義。當選用硬件DFMEA方法時，應針對產品的硬件結構關系劃分約定層次。

DFMEA分析從產品最低約定層次的零組件逐項開展，分析故障模式對零組件所在約定層次、高一層次以及最終產品使用、功能、狀態可能的影響。在每一個任務剖面下，對參與實現功能的約定層次所有可能的故障進行分析，分析根據系統定義中的功能描述、故障判據的要求，確定其所有可能的故障模式[3]，進而對每個故障模式進行分析從下至上按約定層次逐級開展分析，從最低約定層次開始，直至初始約定層次相鄰的下一個層次為止，從多維度查找可能導致故障的所有原因。

判斷每個故障模式的影響嚴重程度及發生概率等級，對已識別的每個故障模式的嚴酷度等級以及發生概率等級進行定量分析，對照故障風險優先序矩陣表確定故障模式風險等級并排序，按已確定風險接受準則，從“降低嚴酷度等級、減小發生概率”兩個維度，對故障模式在設計與使用方面采取措施，以消除或減輕故障影響，進而提高產品的可靠性。

2.1DFMEA分析結果應用

通過DFMEA分析結果，可識別產品的關鍵、重要特性，定量確定關鍵、重要零組件，發現和評價結構設計過程中薄弱環節[4]，從設計、工藝、裝配、試驗等方面開展工作，對風險實施動態管控，確保產品具有較高的可靠性。

3功能DFMEA應用實踐

本文所選某航空發動機燃油控制系統附件處于工程研制階段初期，故選擇使用功能DFMEA開展案例分析。

3.1產品功能概述

某航空發動機燃油泵的功能是向燃油調節器和伺服燃油加熱器提供大量的高壓燃油，齒輪泵是燃油泵的核心部件，齒輪泵殼體上裝有主油濾及其旁通活門，還裝有油濾壓差信號器，主油濾用于過濾進入齒輪泵的燃油，當主油濾前后壓差增大到規定值時，壓差信號器發出報警信號，當主油濾堵塞時旁通活門打開，使燃油通過旁通活門向齒輪泵供油。為了限制齒輪間壓差過大，燃油泵裝有安全活門，當齒輪泵后壓差超過安全活門極限值時，安全活門打開，燃油回到齒輪泵進口，保證齒輪泵前后壓差不至于過高。該型燃油泵的主要失效模式是容積效率降低和不供油，常見故障原因有活門卡滯、超轉限制活門折斷、軸承偏磨等。

3.2繪制任務可靠性框圖

通過功能分析，定義初始約定層次為發動機，其他約定層次為調節器附件，最低約定層次為零組件。在描述產品工作原理后，對產品在不同任務剖面下的主要原理和功能，繪制功能層次圖和結構層次圖[5]，并根據產品功能和結構層次圖，繪制任務可靠性框圖。

3.3燃油控制系統產品常見故障模式

一般可通過統計、試驗、分析、預測等方法獲取產品的故障模式，對采用現有的產品，以該產品在過去的使用中發生的故障模式為基礎，再根據現使用條件的異同進行分析修正，對采用新的產品，可根據產品功能和結構特點進行分析、預測，進而得到該產品的故障模式，或以結構、功能相似產品的故障模式為基礎，分析判斷其故障模式，燃油控制系統產品常見故障模式有漏油量超標、活門卡滯、軸承咬死、汽蝕等。

3.4故障模式分析

通過同類型產品在外場（廠）的使用數據及以往發生的典型故障處置情況，總結故障模式并開展分析。

3.4.1活門卡滯

活門卡滯是由于活門組件在加工過程中，未能保證活門光潔銳邊，未嚴格控制加工工藝，將外來物引入活門組件，造成活門在使用過程中產生卡滯，影響附件性能。活門的卡滯是由于工藝、加工制造過程管理不嚴造成的，在以后的產品加工制造過程中，只要加強質量控制就可避免類似情況的發生，因此，對活門不進行可靠性強化試驗。

3.4.2超轉限制活門折斷

針對超轉限制活門設計要求基體材料為GH4169，工作臺階材料為Co-Cr-W合金，二者采用金基釬料焊接而成。由于Co-Cr-W合金和金基釬料為國內新研材料，代用材料4Cr14Ni14W2Mo機械性能與Co-Cr-W合金存在較大差異，從而導致在外場發生折斷故障。對材料為Co-Cr-W合金的超轉限制活門進行強化試驗，以考核超轉限制活門組件的工作可靠性。

3.4.3軸承偏磨

首次試驗時曾發生過軸承偏磨故障，同類產品外場（廠）使用過程中也發生過軸承偏磨的故障，原因是齒輪泵進出口壓差過大引起，結合DFMEA分析結果有必要對軸承進行可靠性強化試驗，驗證出口壓力對軸承偏磨的影響。

3.5填寫DFMEA表

典型的失效起因可能包括但不限于材料選擇不當、設計壽命估計不足、盈利過大、潤滑不足等，應在盡可能廣的范圍內，列出每個失效模式所有可以想到的失效起因和/或機理，填寫DFMEA表。

3.6風險處置

綜合評定分值為1～5分為不可接受故障，應采取最小風險設計，消除或減小風險至可接受水平，并進入措施跟蹤系統；6～9分為不合要求故障，應采取安全裝置或報警裝置，并進入措施跟蹤系統；10～17分為經用戶評價同意后可接受的故障，應在使用維護規程中說明，對使用、操作人員進行培訓，措施不進入措施跟蹤系統；18～20分為不需用戶評價可接受的故障，通過改進設計可消除，措施不進入措施跟蹤系統。所有故障模式均采取了設計改進措施，并按故障接受準則，對綜合評定分值為10分的軸承偏磨故障，完成了軸承涂覆材料、涂覆工藝、優化內部流道的專項攻關措施。

3.7可靠性強化試驗

產品級試驗中發現齒輪泵軸承偏磨故障，分析后認為，故障原因是齒輪泵進出口壓差過大引起，但軸承的潤滑、降溫都需要齒輪泵有一定的出口壓力才能建立油膜，若泵出口壓力過低，就會影響軸承的潤滑和降溫效果。通過開展可靠性強化試驗，積累壓力對齒輪泵工作性能的影響數據，以驗證設計改進措施的有效性。

根據環境條件和試驗器條件，選定超低壓與超高壓兩個工作階段的11個工作點，共計完成9h的泵后出口壓力試驗，試驗過程中產品工作正常，試后性能良好，分解后未發現軸承組件嚴重磨損及汽蝕，證明設計改進措施有效提升了產品可靠性。

4結語

本文對某航空發動機齒輪泵附件產品開展功能FMEA分析，通過“故障模式—故障原因—設計措施”的方法運用FMEA提出設計改進措施，到可靠性強化試驗驗證，證實了FMEA對提高產品可靠性有促進作用。通過FMEA分析綜合評定結果，識別對產品功能實現影響大的零組件，作為確定關鍵、重要特性的重要依據。

故障模式是規范FMEA分析的基礎，應盡可能收集產品壽命周期內的故障信息，總結、提煉故障模式，不斷豐富故障模式數據庫，以提高分析結果準確率。

參考文獻

[1]周迎春，胡迪.基于第五版DFMEA在產品開發中的管理實施及具體運用[J].時代汽車，2022（18）：136-139.

[2]陳昌鑫.DFMEA在新能源汽車整車控制器研發過程中的應用研究[D].杭州：浙江大學，2020.

[3]張斌，張慶猛，朱猛，等.FMEA在宇航元器件質量風險管控中的應用[J].中國航天，2020（S01）：35-41.

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[5]韋治，孫奇.DFMDA在產品設計開發過程的應用[J].機械工業標準化與質量，2019（5）：47-51.