DFMEA 在发动机设计中的应用
徐桂红1 , 刘兴华1 , 陈晓彤2
(1. 北京理工大学发动机实验室, 北京 100081 ; 2. 北京运通恒达科技有限公司, 北京 100089)
摘要: 分析了在发动机设计中实施设计故障模式及后果分析(DFMEA) 的困难,以节流阀体的改进设计为主线,提出了确定DFMEA 详细分析对象的方法,减少了分析对象的数量,节省了工作时间;对DFMEA 流程以及严重度的判定进行了改进并提出将其所分析的项目划分为基础项和衍生项新概念,利用改进的DFMEA 方法,分析出节流阀体的故障原因与影响,并提出了相应的建议措施,结果表明,DFMEA 更适于在内燃机行业的使用与推广。
关键词: 故障模式; 后果分析; 分析对象; 流程; 严重度; 节流阀体
中图分类号: TK402 文献标志码: B 文章编号: 100122222 (2006) 0320019205
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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:
Ó 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;
Ó 对DFMEA 的理解不够深入,不知该如何继续开展;
Ó 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[1 ]
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。
3. 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。
3. 1. 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。
图2 节流阀体的系统结构树
3. 1. 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. 1. 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。
3. 1. 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。
3. 1. 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。
3. 1. 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。
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