DFMEA

在設計和製造產品時，FMEA是一種可靠性設計的重要方法。它實際上是FMA（故障模式分析）和FEA（故障影響分析）的組合。它對各種可能的風險進行評價、分析，以便在現有技術的基礎上消除這些風險或將這些風險減小到可接受的水平。及時性是成功實施FMEA的最重要因素之一，它是一個“事前的行為”，而不是“事後的行為”。為達到最佳效益，FMEA必須在故障模式被納入產品之前進行。

基本介紹

• 中文名：設計失效模式與效果分析
• 外文名：Design Failure Mode and Effects Analysis
• 定義：一種可靠性設計的重要方法
• 研究對象：設計要求與設計方案的相互權衡
• 產品介紹：不會對流程做分析拆解除限制
• 簡稱：DFMEA

基本信息

設計FMEA（也記為d-FMEA ,Design Failure Mode and Effects Analysis )應在一個設計概念形成之時或之前開始，並且在產品開發各階段中，當設計有變化或得到其他信息時及時不斷地修改，並在圖樣加工完成之前結束。其評價與分析的對象是最終的產品以及每個與之相關的系統、子系統和零部件。需要注意的是，d-FMEA在體現設計意圖的同時還應保證製造或裝配能夠實現設計意圖。因此，雖然d-FMEA不是靠過程控制來克服設計中的缺陷，但其可以考慮製造/裝配過程中技術的/客觀的限制，從而為過程控制提供了良好的基礎。

研究對象

d-FMEA的研究對象是:

· 製造與裝配要求的最初設計；

· 提高在設計/開發過程中考慮潛在故障模式及其對系統和產品影響的可能性；

· 為制定全面、有效的設計試驗計畫和開發項目提供更多的信息；建立一套改進設計和開發試驗的優先控制系統；

· 為將來分析研究現場情況、評價設計的更改以及開發更先進的設計提供參考

產品介紹

FMEA是1950年間因油壓系統產生質量可靠度（Reliability）時所設計的一種「××體檢表」，它分D-FMEA與P-FMEA，D即Design是指產品的「硬品/功能/系統」上的可能失效Failure或故障Fault時的問題因果分析與改善對策，P則是Process是指「流程/製程/步驟」上的不良所造成不良後果的改善與因果分析，由於一般RD研發工程師只會利用「方塊圖」對產品做功能拆解，而不會對流程做分析拆解除限制，而使P-FMEA的「流程體檢表」製作不出來。

核心理念

FMEA及D-FMEA的核心理念:

在產品設計開發時,充分考慮到產品在生產\運輸\使用的過程中所涉及到的困難及問題,將所有的可能出現的因素納入預防範圍,提前做好預防措施及解決方案,

案例分析

概況

DFMEA是一種以預防為主的可靠性設計分析技術,該技術的套用有助於企業提高產品質量,降低成本,縮短研發周期。DFMEA已在航空航天以及國外的汽車行業得到了較為廣泛的套用,並顯示出了巨大的威力;但在國內汽車行業並沒有系統地展開,也沒有發揮其應有的作用。以DFMEA在國產汽油機節流閥體的改進設計中的實施為例,對改進後的DFMEA的實施方法和流程進行闡述。

困難

發動機為完成其相應的功能,組成結構複雜,零部件的數量也很龐大,如不加選擇地對所有的零部件和子系統都實施DFMEA,將會耗費大量人力、物力和時間,對於初次實施DFMEA的企業幾乎是不可能完成的工作。為此,需要開發一種方法,能夠從發動機的子系統/零部件中選擇出優先需要進行分析的對象。

發動機由曲柄連桿機構、配氣機構、燃油供給系統、進氣系統、冷卻系統和潤滑系統等組成,各機構和系統完成相應的功能。子系統的下級部件或組件通常需要配合完成相應的功能,在描述這些部件或組件的功能時,不僅應該描述其獨立完成的功能,還應描述與其他部件配合完成的功能。

組成發動機的零部件種類很多,不僅包括機械零部件還有電子元件,電子部件的故障模式已經較為規範和完整,但機械系統及其零部件的故障模式相當複雜,不僅沒有完整且規範的描述,二者之間還有一定的重複,為DFMEA工作的開展帶來了困難,故需要為機械系統及其零部件建立相應的故障模式庫。

準備工作

由於在發動機設計中實施DFMEA要遇到較多困難,故作者建議,在具體實施DFMEA之前,需要做好建立較為完善的故障模式庫並確定DFMEA的詳細分析對象等準備工作。

方法

發動機的組成零部件多、結構複雜,大多數零部件在運行時還會有相互作用,導致零部件、子系統和系統的故障模式不僅複雜,各層次的故障模式還會相互重複,需要為發動機建立一個故障模式庫;該模式庫不僅應該包含發動機中所有子系統和零部件的故障模式,還能夠反映出該故障模式究竟屬於哪一個零部件或系統,其建模流程如下圖所示。

（1）建立系統結構樹

為建立故障模式庫,首先要建立系統的結構樹,它並不依賴於某一特定的產品,而是依據同一類產品建立。如建立一個汽油機的結構樹時,應考慮該廠所有的汽油機,分析出其共同特點後建立結構樹;對於組成結構有重大改變的產品,可以考慮為其改變的部分建立一個分支,掛接在系統結構樹的相應節點上。

以汽油機的節流閥體為例,該閥體大致都由閥體、怠速控制閥、節氣門位置感測器等組成,細節部分會有所不同,節流閥體的系統結構樹如下圖所示。

（2）確定故障數據源

為確定故障模式,先要找到相應的數據源;建議選擇同類產品的試驗數據或三包數據,因為這兩種數據中較為詳細地記錄了產品在試驗和使用過程中出現的故障。由於發動機可靠性試驗的成本很高,一般企業中都不會有充分的試驗數據;儘管三包數據記錄的不是十分規範,但通過歸納和整理,仍然可以從中抽象出故障模式。所以,在試驗數據不充足的情況下,一般推薦採用三包數據。

（3）篩選所分析子系統的故障數據

一般來講,故障數據來自於系統,需要將故障數據逐層篩選,才能最終得到系統、每一級子系統以及零部件的故障數據,為確定其故障模式作準備。

（4）確定關鍵字

三包數據來自於不同的維修點,並非由專業的試驗人員收集,難免存在不規範的現象,比如對於“密封不嚴”這一故障現象,故障數據中就會有“密封不嚴、不密封、密封性差、密封性不好”等多種描述。

針對這種現象,建議數據歸納人員先要了解各種故障現象的描述,在此基礎上確定關鍵字,對所選子系統的故障數據進行歸類。關鍵字確定的原則是,能篩選到95%以上的同種故障現象,儘量做到不遺漏;不同故障現象間儘量做到不重複。因此,篩選同一種故障現象很可能需要確定幾個關鍵字。

（5）對系統的故障數據進行分類

依據確定的關鍵字對系統的故障數據進行分類,分類後的故障數據就可以用來抽象出故障模式。

（6）故障模式的抽象

根據分類後的故障數據,可以抽象出相應的故障模式。故障模式要求用術語表示,汽車產品可以參照標準　QC—900;標準中沒有的故障模式,需由工程師商量之後統一確定。

（7）故障模式掛接在系統結構樹的節點上

系統、子系統及零部件等不同層次都會有相應的故障模式,需要將其掛接在相應的節點上,至此故障模式庫就搭建完成。隨著分析工作的深入和故障數據的持續歸納,故障模式庫會越來越完整。

對節流閥體的故障數據進行以上的處理之後,得到了各級組件及零部件的故障模式,建立了節流閥體的故障模式庫,下圖示出故障模式庫的一部分。

需要指出,實施DFMEA時分析對象的故障模式不僅來源於故障模式庫,還來自於工作小組的分析。

分析對象

根據實施DFMEA需要耗費大量時間的具體情況,出了一種新方法來確定需要詳細實施DFMEA的對象;思路是對系統進行逐級分析,根據一定的標準確定需要詳細分析的分支(以下稱為重要分支),對重要分支一直細化到最底層,不可再分的重要分支即為需要詳細分析的對象。方法分為3步,即建立系統的組成結構樹、確定閾值、選擇所需分析的對象。

（1）建立系統的組成結構樹

此處系統的組成結構樹與上述中的系統結構樹類似,但本質上不同。這裡的系統組成結構樹是與系統的組成完全相同,依照系統的結構和功能逐級向下建立,直到系統的零部件為止(稱為組成結構樹的葉結點),組成結構樹的示意圖見下圖。

圖中的系統由子系統1和子系統2組成,兩個子系統分別完成相應的功能。子系統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2由兩個零部件組成。其中S12,S21,S22,S111和S112都是該組成結構樹的葉結點。

（2）確定閾值

閾值是確定重要分支所依據的條件。根據DFMEA的原理,推薦確定重要度(S)和風險順序數(RPN)兩個參數的閾值,只要某分支的S和RPN兩參數中的任意一個等於或超過閾值,該分支就被確定為重要分支。除S和RPN以外,DFMEA中還有發生度(O)和探測度(D)兩個參數,S用來描述故障後果,O表明故障原因的發生機率,D是對探測措施有效程度的度量,RPN是S,O,D3者的乘積。O和D的閾值根據類似產品的故障數據確定,原則是要比DFMEA中的閾值低。

（3）選擇所需分析的對象

對產品的組成結構樹逐級向下分析,首先確定第一級分支的所有的S,O,D值,並計算得到RPN值;然後根據閾值來確定哪一個分支為重要分支,被確定為重要分支的仍然重複以上過程直到組成結構樹的葉結點,非重要分支則不再繼續分析。

以下圖所示的系統組成結構樹為例,選擇需要分析的對象。假設S和RPN的閾值分別為6和70,組成結構樹中分支的各參數情況如圖5所示,有“3”的部分為重要分支。

由圖可見,子系統S1的S和RPN都達到閾值,被確定為重要分支;子系統S2的RPN雖未達到閾值,但S已經超過閾值,也被確定為重要分支;S12,S22和S111被確定為分析對象,需要對其進行詳細的DFMEA。

分析節流閥體的故障數據,確定S和RPN的閾值分別為5和30,分析結果見下圖。由分析結果可知,需要對節氣門位置感測器、怠速控制閥、閥片、閥體本體進行詳細的DFMEA。

流程

為增加DFMEA的可用度,使初次進行DFMEA的工作人員也能順利地實施DFMEA,針對發動機設計的特點,對DFMEA的流程進行了進一步的歸納和改進(見下圖)。

為加深對實施階段的理解,提高分析效率,將實施階段分成確定基礎項、確定衍生項及生成DFMEA報告等3步。

實施階段中,功能、潛在故障模式、潛在故障影響、故障原因和現有控制措施等5個加“3”的為基礎項,它們的分析是決定DFMEA實施成功與否的關鍵;S,O,D,RPN和建議的糾正措施為衍生項;基礎項確定之後,衍生項可以隨之確定。

基礎項

（1）功能

分析項目的功能,用儘可能簡明的文字來說明被分析項目滿足設計意圖的功能;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;與節氣門位置感測器配合保證主進氣量。

（2）潛在故障模式

每項功能會對應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,即儘量列出破壞該功能的所有可能的模式;故障模式大部分來源於故障模式庫,還有一部分是新出現的故障模式以及小組分析的結果,閥體的潛在故障模式為磨損、裂紋、斷裂以及積碳等。

（3）潛在故障後果

每種故障模式都會有相應的故障後果;分析故障後果時,應儘可能分析出故障的最終影響,即最嚴重的影響;閥體的潛在故障後果為發動機無力、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計薄弱部分的跡象,其結果就是故障模式;根據閥體結構和對其進行的功能分析,可以知道閥體磨損的潛在故障原因為,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）現有控制措施

根據故障的潛在起因可確定預防與探測的措施,這些都是已有的或將要有的措施。

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

衍生項

根據潛在故障後果確定S,根據潛在故障原因以及同型產品的三包數據確定O,根據探測措施確定D;根據確定的S,O,D計算得到RPN值。如果需要修正,可以提出適當的建議措施,作為改進的依據,最後生成統一的DFMEA報告。

美國汽車工業行動集團(AIAG)頒布的FMEA標準中,提供了嚴重度、O和D的評定準則[3],其中,O準則非常直觀,根據計算得到的頻率即可得。

D和嚴重度判定準則的操作性較差,作者推薦企業根據AIAG的D準則,結合企業現有的控制措施制定適用於企業自身的D判定準則。

至於嚴重度的判定,提倡仍沿用AIAG的準則,但為了增強其可操作性,作者對其進行了進一步的歸納總結,生成如下圖所示的流程;根據該流程即可很容易地判定每種故障的嚴重度。

閥體磨損的嚴重度影響了發動機的基本功能,但未完全喪失,所以嚴重度為7; 閥體磨損的O根據故障數據的統計結果,結合專家組的分析,確定O為3; 閥體磨損的檢測度現有的控制措施除硬度檢測外,均為對兩零部件的配合檢測,有較多的機會能找出潛在的起因,檢測度為4。 專家組確定S和RPN的閾值為7和80,當S超過7(含7),RPN超過80(含80)時,必須對其進行改進。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,還應通過設計保證裝配後閥體喉口和閥片的同軸度,並進行全閉泄漏量檢測;b)怠速控制閥和怠速通道影響怠速流量,先需要通過設計保證怠速通道孔系的同軸度,然後保證怠速控制閥和怠速通道的同軸度和間隙。

完成以上分析後,要根據建議措施對設計進行修正(實際採取的措施可能與建議措施不同),修正後再重複以上步驟,直至S和RPN低於確定的DFMEA的S和RPN閾值。

3.生成DFMEA報告 完成每輪DFMEA之後,要及時生成DFMEA報告,包括需改進的零部件、建議措施和改進措施等。

開發機理

開發

這項工作應在填制 DFMEA專用表格之前進行。對於電池的 DFMEA開發，就是指構成電池這個系統的各部件或由部件構成的各子系統之間的相互關係，以及這些部件或由部件構成的各子系統的功能。通常是通過作設計FMEA框圖來完成。設計FMEA的開發具有很重要的作用，它實質上是將電池這個大系統進行了從整體到局部的解剖從而獲得了對電池整體的認識，為進行進一步的設計FMEA提供了整體的基本框架。製作設計FMEA框圖有多種思路,一個良好的設計FMEA框圖應全部包括系統中所有的零部件，並層次清晰地體現出各零部件之間的相互關係。

項目功能

關於“項目/功能”這一欄，我們往往以為其內容不多，難度也不大，可做的東西也不多。但恰恰相反，這一欄是整個設計FMEA的基石，是根本，是出發點。如果這一欄沒有考慮清楚、沒有挖掘好，那么整個設計FMEA就等於無源之水、無本之木了。“項目”指的是這節設計FMEA所要分析的零部件或子系統，這必須限定和明確。其次，“功能”是指該零部件或子系統要滿足設計意圖的功能，簡而言之，就是這個零部件或子系統到底有什麼用，要達到什麼目的。因為既然存在該零部件或子系統，則其必須有用，否則就沒有存在的必要了。一個零部件或子系統到底有哪些功能，有時我們並沒有完全掌握。因為我們對所研究對象的認識是一個逐漸深入的過程，對其功能的認識也一樣。我們對電池的各零部件或子系統的功能的認識，實質上就是我們對電池本身的認識。所以，我們應多方面、多層次、多角度挖掘出各零部件或子系統的功能，並且不滿足於已有的對它功能的認識，而應逐次深入、反覆地再理解、再認識。

潛在問題

項目確定了，功能挖掘好了，接下來就是分析潛在失效模式。潛在失效模式是針對項目的功能而言的，即該項目不能達到預期功能的各種表現形式。因此，項目有什麼功能，一般就會有達不到該功能的潛在失效模式。由此也可以看出全面、準確認識的重要性，因為如果項目的功能不全或不準確，那么很難想像由此得出的其潛在的失效模式會是準確和全面的。另外，由於多種原因，某一項目本身所固有的缺陷，它在達到預期功能的同時，會不可避免地產生一些負面效應，這些負面效應並不能依據項目的功能得來。例如通常採用的空氣加熱乾燥設備，它在實現預期乾燥物料功能的同時，有可能對物料（如易氧化或熱敏性物料）造成氧化或熱分解的不良影響。如果這種物料不期望被氧化，那么這也應該作為一個潛在失效模式加以重點考慮。如果有必要，應對該乾燥設備應進行重新的設計或採用其它的乾燥方式以避免氧化的產生。

起因機理

潛在失效的起因、機理是針對失效模式而言的，其作用的結果就是失效模式，同時又是後面提出建議和糾正措施的依據。對潛在失效的起因、機理的分析應儘量深刻，避免膚淺、空乏。查找起因、機理應有科學的方法及可靠的數據，不能妄下結論，否則後面提出的建議和糾正措施就沒有什麼意義了，更不要談有什麼改善的效果了。

建議措施

當失效模式按RPN值排出次序後，應首先對RPN值最高的和最關鍵的項目採取糾正措施。任何建議措施的目的都是為了減少頻度、嚴重度及探測度三者中的任何一個或所有的值。嚴重度一般不會發生變化，因為嚴重度是潛在失效模式發生時對下一個零部件或子系統或顧客影響後果的評價指標，它從側面反映出被研究的項目在整個系統中的地位及重要程度。因此，如果要使嚴重度級別降低，只能通過修改設計來實現。增加設計確認、驗證工作只能減少探測度，不能改變嚴重度和頻度。要減低頻度只能通過修改設計來消除或控制一個或多個失效模式的起因、機理來實現。因此，一個良好的建議和糾正措施是依據實效起因、機理提出的，旨在克服失效的起因、機理，以避免失效模式的發生，進而更好地實現項目的功能。同時，一個良好的建議措施，還應綜合考慮現有技術水平、成本等因素。

總之，設計FMEA的各部分內容之間緊密聯繫，有著良好的邏輯關係，必須將這些相互關係理解透，才能做好設計FMEA。