衛(wèi)星總裝工藝FMEA應(yīng)用初步研究

蔣志廣，易旺民，張延磊

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京100094）

0 前言

FMEA（Failure Mode Effects Analysis，故障模式影響分析）是一種系統(tǒng)的、標(biāo)準(zhǔn)化的故障模式分析方法，它通過(guò)對(duì)產(chǎn)品各個(gè)單元的故障模式及其對(duì)產(chǎn)品功能的影響進(jìn)行分析，從而得到相應(yīng)的可靠性指標(biāo)。FMEA在工程領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，特別是在航天這種高風(fēng)險(xiǎn)的領(lǐng)域。國(guó)外許多宇航公司采取強(qiáng)制措施大力推行FMEA方法，例如美國(guó)的各型號(hào)衛(wèi)星都規(guī)定必須普遍采用 FMEA[1]，F(xiàn)MEA貫穿到衛(wèi)星產(chǎn)品的整個(gè)過(guò)程，包括策略研究實(shí)施、系統(tǒng)管理和運(yùn)行、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)等，并且取得了很好的效果。

國(guó)內(nèi)在航天器設(shè)計(jì)方面已經(jīng)普遍推行FMEA[2-3]，對(duì)提高航天器的可靠性發(fā)揮了重要作用；但是在衛(wèi)星總裝工藝可靠性分析方面，國(guó)內(nèi)尚處于探索階段，和國(guó)外成熟的航天器總裝可靠性管理體系相比存在較大的差距，因此需要大力加強(qiáng)總裝工藝FMEA研究。

1 總裝工藝FMEA技術(shù)原理

1.1 總裝工藝可靠性評(píng)估參數(shù)設(shè)計(jì)

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)可靠性方面國(guó)內(nèi)外做了大量的研究，形成了一套完善的可靠性評(píng)估理論和方法，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行故障失效模式分析時(shí)一般使用故障率、故障模式頻數(shù)比、故障影響概率、工作時(shí)間、故障模式危害度以及產(chǎn)品危害度等6個(gè)量化參數(shù)[4-5]。但是由于衛(wèi)星總裝操作時(shí)間具有很大的隨意性，因此本文不將產(chǎn)品工作時(shí)間作為一個(gè)單獨(dú)的可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)，而是作為一個(gè)影響故障概率的次級(jí)因素處理；衛(wèi)星產(chǎn)品屬于單件生產(chǎn)，難以有效進(jìn)行各種故障模式的統(tǒng)計(jì)分析，因此不單獨(dú)考慮故障模式頻數(shù)比。

綜合衛(wèi)星總裝過(guò)程的具體特點(diǎn)以及借鑒產(chǎn)品設(shè)計(jì)可靠性的評(píng)估方法，本文用嚴(yán)酷度、故障發(fā)生率、可檢測(cè)度、風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)序數(shù)、產(chǎn)品危害度等 5個(gè)參數(shù)對(duì)衛(wèi)星總裝過(guò)程的失效模式進(jìn)行分析評(píng)估。其中前3個(gè)是故障失效模式的3個(gè)基本要素，也是對(duì)產(chǎn)品綜合影響的3個(gè)關(guān)鍵因素；風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)序數(shù)在數(shù)值上是前3個(gè)量化參數(shù)的乘積，是一個(gè)反映故障模式危險(xiǎn)程度的綜合參數(shù)；產(chǎn)品危害度是一個(gè)針對(duì)評(píng)估對(duì)象所有失效模式的綜合危險(xiǎn)程度的參數(shù)，它可以反映一道工序、一個(gè)部件、一個(gè)分系統(tǒng)、一個(gè)艙段、一個(gè)關(guān)鍵過(guò)程的失效模式的綜合危害情況。

1.2 總裝工藝可靠性評(píng)估參數(shù)量化

1）嚴(yán)酷度（Severity）等級(jí)量化設(shè)計(jì)

嚴(yán)酷度是失效模式相關(guān)影響的嚴(yán)重程度的度量，是該失效模式所造成的最壞的潛在后果嚴(yán)重程度等級(jí)的對(duì)應(yīng)值，應(yīng)根據(jù)最終可能出現(xiàn)的人員傷亡、系統(tǒng)損壞和經(jīng)濟(jì)損失的程度來(lái)確定。根據(jù)對(duì)人員、產(chǎn)品、任務(wù)進(jìn)度等3個(gè)方面的影響，將嚴(yán)酷度等級(jí)分為災(zāi)難性的、致命的、較重的、中度的、輕度的和可忽略的 6個(gè)等級(jí)，檢測(cè)值分別對(duì)應(yīng)10、8～9、6～7、4～5、2～3、1，見(jiàn)表1。當(dāng)多人對(duì)某一個(gè)失效模式的嚴(yán)酷度值分別進(jìn)行獨(dú)立評(píng)價(jià)，得到不同值時(shí)，可采用加權(quán)算術(shù)平均法計(jì)算，平均值不為整數(shù)時(shí)，按四舍五入規(guī)則取整；同一失效模式對(duì)人員、產(chǎn)品、任務(wù)進(jìn)度、環(huán)境都有影響時(shí)，評(píng)估時(shí)以影響較嚴(yán)重的一個(gè)級(jí)別為評(píng)估級(jí)別。

2）故障發(fā)生度（Occurrence）等級(jí)量化設(shè)計(jì)

故障發(fā)生度是指某一個(gè)失效模式在已采取控制措施下發(fā)生的可能性的度量。根據(jù)總裝工藝實(shí)施過(guò)程中“失效發(fā)生的可能性”的大小，將故障發(fā)生度分為極高、很高、高、中等、低和極低 6個(gè)等級(jí)，檢測(cè)值分別對(duì)應(yīng)10、8～9、6～7、4～5、2～3、1，見(jiàn)表 1。

3）可檢測(cè)度（Detectability）等級(jí)設(shè)計(jì)

可檢測(cè)度對(duì)應(yīng)于失效模式的“根原因”在已確定的檢測(cè)手段和控制措施下被檢測(cè)出來(lái)的可能性度量值，依據(jù)失效可檢測(cè)的難易程度分為極難、難、有可能、可能、很可能和能 6 個(gè)等級(jí)，分別對(duì)應(yīng)的檢測(cè)值為10、8～9、6～7、4～5、2～3、1，見(jiàn)表1。

4）風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)序數(shù)（Risk Priority Number）確定

風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)序數(shù)是嚴(yán)酷度、故障發(fā)生度和可檢測(cè)度的乘積，即RPN=S×O×D。根據(jù)總裝工藝每一道工序的重要性以及對(duì)任務(wù)進(jìn)度的影響程度預(yù)先確定一個(gè)數(shù)值，作為是否應(yīng)采取補(bǔ)充措施的判據(jù)，稱為風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)序數(shù)臨界值。通過(guò)對(duì)總裝過(guò)程和總裝工藝的具體特點(diǎn)進(jìn)行分析，當(dāng)故障對(duì)產(chǎn)品而言嚴(yán)酷度達(dá)到中度、故障發(fā)生度達(dá)到較高、可檢測(cè)度在“有可能”級(jí)別時(shí)，本道工序便需要對(duì)潛在故障采取補(bǔ)救和防范措施，這時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)序數(shù)便為臨界值。參照表1，可以得到風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)序數(shù)的臨界值為150（S＝5，O＝6，D＝5）。

5）產(chǎn)品危害度（Criticality）計(jì)算

產(chǎn)品危害度是針對(duì)某一個(gè)研究對(duì)象所有失效模式綜合危害的度量，它在數(shù)值上等于所有有效失效模式風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)序數(shù)之和。不同研究對(duì)象的失效模式在數(shù)量上存在很大差別，對(duì)發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)序數(shù)很低的失效模式可不必考慮，因此需要設(shè)定一個(gè)“門檻”，當(dāng)一個(gè)失效模式的風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)序數(shù)大于這個(gè)門檻數(shù)值時(shí)才能作為一個(gè)有效的故障失效模式。

式中：Si表示第i道工序的嚴(yán)酷度；Oi表示第i道工序的故障發(fā)生度；Di表示第i道工序的可檢測(cè)度。

通過(guò)對(duì)總裝過(guò)程的具體分析，當(dāng)嚴(yán)酷度、故障發(fā)生率、可檢測(cè)度三者中的一個(gè)達(dá)到較高等級(jí)，而另外兩個(gè)不低于參數(shù)分級(jí)中的第二等級(jí)時(shí)，這個(gè)故障模式便可認(rèn)定為有效的故障失效模式。參照表1，可以得到有效故障模式的RPN數(shù)值應(yīng)不低于32（S=2，O＝2，D＝8）。

評(píng)估一道工序或其他一個(gè)對(duì)象時(shí)，只要將其所有大于32的故障模式風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)序數(shù)相加，便可以得到這道工序或?qū)ο蟮漠a(chǎn)品危害度。

表1 總裝工藝FMEA參數(shù)評(píng)分表Table 1 FMEA parameter grade table for assembly and integration process

續(xù)表1

為了直觀地對(duì)比各個(gè)工序的可靠性程度，需要對(duì)每一道工序的嚴(yán)酷度、故障發(fā)生度、可檢測(cè)度進(jìn)行分?jǐn)?shù)評(píng)定。工藝人員和質(zhì)量管理人員可以根據(jù)不同工序或艙段的產(chǎn)品危害度數(shù)值來(lái)選擇需重點(diǎn)防護(hù)的對(duì)象，從而加強(qiáng)質(zhì)量管理，提高總裝可靠性。

2 衛(wèi)星總裝工藝FMEA實(shí)施方案

2.1 總裝工藝FMEA實(shí)施流程

總裝工藝FMEA實(shí)施流程圖（圖1）適合不同的評(píng)估對(duì)象。

圖1 工藝FMEA實(shí)施流程框圖Fig.1 Flow chart of FMEA operation for assembly and integration process

當(dāng)對(duì)一個(gè)關(guān)鍵工序進(jìn)行可靠性評(píng)估時(shí)，需要對(duì)各個(gè)工步列出所有可能的失效模式進(jìn)行細(xì)化，再按照工藝FMEA方法進(jìn)行評(píng)估。當(dāng)評(píng)估對(duì)象為一個(gè)艙段時(shí)，可以以工序或結(jié)構(gòu)部件的安裝作為可靠性評(píng)估的主線，具體選擇應(yīng)根據(jù)不同艙段的實(shí)際情況和相關(guān)總裝經(jīng)驗(yàn)。

2.2 FMEA評(píng)估對(duì)象歸類

衛(wèi)星系統(tǒng)構(gòu)造復(fù)雜，一般包括數(shù)管分系統(tǒng)、供配電分系統(tǒng)、熱控分系統(tǒng)、控制分系統(tǒng)、推進(jìn)分系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)、機(jī)械太陽(yáng)電池板、總裝直屬件等多個(gè)分系統(tǒng)[6]，不同型號(hào)之間分系統(tǒng)差別巨大，而每一個(gè)分系統(tǒng)又都包含大量單機(jī)和部組件。從艙段上看，衛(wèi)星從功能上分為推進(jìn)、服務(wù)、通信等艙段，不同衛(wèi)星對(duì)應(yīng)的艙段設(shè)置也不同；衛(wèi)星總裝過(guò)程中還涉及關(guān)鍵過(guò)程控制（主要有多余物的控制、靜電防護(hù)、艙段運(yùn)轉(zhuǎn)、整星吊裝等）和相關(guān)專業(yè)測(cè)試（主要包括精度測(cè)量、質(zhì)量測(cè)試、檢漏等）。這些分系統(tǒng)、艙段、關(guān)鍵過(guò)程控制和相關(guān)專業(yè)測(cè)試都是總裝工藝可靠性評(píng)估的重要內(nèi)容，系統(tǒng)龐大，需要合理的歸類整理，才能抓住關(guān)鍵因素和關(guān)鍵環(huán)節(jié)，確保總裝工藝的可靠性。

圖2為衛(wèi)星總裝工藝故障模式影響分析示意圖，主要從關(guān)鍵部件及分系統(tǒng)總裝工藝、自制部件、衛(wèi)星艙段、總裝專業(yè)測(cè)試、關(guān)鍵過(guò)程控制等5個(gè)方面展開可靠性評(píng)估。

自制部件主要是指由總裝工藝和操作人員負(fù)責(zé)制作和安裝的部件，包括多層隔熱組件、外熱流組件等。對(duì)自制部件的可靠性分析不僅涵蓋了總裝過(guò)程中的工藝可靠性分析，而且包括部件制作過(guò)程中的可靠性分析。

圖2 總裝工藝可靠性分析示意圖Fig.2 Schematic diagram of assembly and integration process reliability analysis

總裝專業(yè)測(cè)量可靠性分析主要包括兩方面的內(nèi)容：一是在專業(yè)測(cè)量過(guò)程中的操作可靠性分析，主要指對(duì)星體可能帶來(lái)的一些損傷失效模式；二是專業(yè)測(cè)量的測(cè)量數(shù)據(jù)可靠性分析，這主要是指測(cè)量數(shù)據(jù)失真的故障原因分析，包括硬件故障、軟件故障、操作人員失誤等。

關(guān)鍵過(guò)程控制滲透在衛(wèi)星各個(gè)分系統(tǒng)的總裝過(guò)程是一個(gè)最復(fù)雜的可靠性評(píng)估內(nèi)容，需要可靠性人員豐富的總裝工作經(jīng)驗(yàn)來(lái)預(yù)測(cè)可能發(fā)生故障的環(huán)節(jié)，并且通過(guò)實(shí)驗(yàn)和相關(guān)的檢測(cè)手段進(jìn)行驗(yàn)證和分析，從而提出相應(yīng)的預(yù)防失效措施。

3 總裝工藝FMEA實(shí)例分析

3.1 總裝工藝 工作表格制定

在使用衛(wèi)星總裝工藝FMEA過(guò)程中，需要針對(duì)現(xiàn)有的措施以及檢測(cè)手段進(jìn)行故障模式評(píng)估，同時(shí)根據(jù)評(píng)估后的結(jié)論，提出對(duì)應(yīng)的補(bǔ)救措施。

總裝工藝FMEA工作表頭（見(jiàn)表2）不僅適用于一道工序可靠性評(píng)估，而且適用于一個(gè)部件、系統(tǒng)甚至一個(gè)艙段的總裝可靠性評(píng)估。根據(jù)不同評(píng)估對(duì)象的特點(diǎn)，分析主要可能的失效因素和失效模式，按實(shí)施方案進(jìn)行可靠性分析。

表2 總裝工藝FMEA工作表頭Table 2 Head of FMEA working table for assembly and integration process

3.2 總裝工藝FMEA注意事項(xiàng)

1）有效性原則：為了使總裝工藝FMEA具有更高的價(jià)值，必須在總裝工藝編制和總裝操作過(guò)程中遵循總裝工藝FMEA的原則和改進(jìn)措施，并且對(duì)于重要的 FMEA結(jié)果，應(yīng)組織由工藝編制人員、總裝操作人員和設(shè)計(jì)人員共同參加的評(píng)審。

2）協(xié)同性原則：FMEA是為總裝工藝編制提供可靠性改進(jìn)的信息和依據(jù)，因此應(yīng)該與總裝工藝編制同時(shí)進(jìn)行。在工藝編制初期使用FMEA可以有效地防止一些潛在故障發(fā)生，同時(shí)應(yīng)根據(jù)衛(wèi)星總裝過(guò)程中的具體情況來(lái)修改評(píng)估參數(shù)，使FMEA更具針對(duì)性和有效性。

3）廣泛性原則：總裝工藝FMEA是否有效，關(guān)鍵是對(duì)所分析的問(wèn)題是否進(jìn)行了充分的分析和評(píng)估。對(duì)工藝和工序中出現(xiàn)的失效模式要通過(guò)查閱資料、對(duì)比類似失效事故、預(yù)測(cè)推理、研討等進(jìn)行充分的論證。對(duì)每一個(gè)失效模式列舉盡可能多的失效原因，如果原因?qū)κＪ绞俏ㄒ坏?，即如果糾正該原因?qū)υ撌Ｊ接兄苯拥挠绊懀敲催@部分FMEA的判斷即可完成。

4）開放性原則：FMEA是對(duì)將來(lái)可能的失敗進(jìn)行預(yù)計(jì)，而不是對(duì)失敗發(fā)生的產(chǎn)品進(jìn)行補(bǔ)救。FMEA是一個(gè)系統(tǒng)性的工程，通過(guò)設(shè)計(jì)、制造、總裝、管理、維護(hù)等各個(gè)部門進(jìn)行協(xié)作，運(yùn)用相關(guān)的可靠性理論方法對(duì)產(chǎn)品可能發(fā)生的故障進(jìn)行預(yù)測(cè)，提出相應(yīng)的預(yù)防措施。FMEA不是一次性工程，而是一個(gè)不斷完善的工程；隨著產(chǎn)品的輸入條件不同，F(xiàn)MEA的分析表格和評(píng)估結(jié)果也不一樣，采取的方法也有所不同。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文用嚴(yán)酷度、故障發(fā)生率、可檢測(cè)度、風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)序數(shù)、產(chǎn)品危害度等5個(gè)參數(shù)對(duì)衛(wèi)星總裝過(guò)程的失效模式進(jìn)行分析評(píng)估，較好地反映出一個(gè)失效模式的發(fā)生概率、對(duì)產(chǎn)品和工作進(jìn)度的影響程度、被操作者發(fā)現(xiàn)的可能性等最為關(guān)鍵的3個(gè)因素，并通過(guò)參數(shù)之間的數(shù)學(xué)計(jì)算得到每一個(gè)失效模式和每一道工序的可靠性量化數(shù)值，便于工藝編制人員直觀地了解總裝工藝的可靠性情況，從而進(jìn)行綜合比較和對(duì)相關(guān)失效模式采取相應(yīng)防護(hù)措施。

FMEA作為一種可靠性評(píng)估方法，也有其自身的局限性和適應(yīng)范圍。因此，提高航天產(chǎn)品的總裝可靠性不是簡(jiǎn)單地完成FMEA報(bào)告，而是需要針對(duì)總裝操作的具體特點(diǎn)，有選擇、有計(jì)劃地逐步推行FMEA，切實(shí)建立起可靠性技術(shù)人員和工藝技術(shù)人員之間的溝通渠道，讓可靠性技術(shù)人員參與工藝文件的編制，有效發(fā)揮可靠性方面的指導(dǎo)和監(jiān)督作用，從而逐步建立起一套完善的可靠性保障體系。

（References）

[1]楊為民, 阮鐮, 俞沼.可靠性設(shè)計(jì)與分析 [M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社, 2004

[2]易旺民, 孫 剛, 劉宏陽(yáng).航天器總裝可靠性研究[J].航天器環(huán)境工程, 2006, 23(3)： 161-164

[3]徐艷麗, 沈懷榮.航天產(chǎn)品系統(tǒng)可靠性評(píng)估方法及軟件研究[J].裝備指揮技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào), 2001, (3)：93-97

[4]GJB 1391—1992, 故障模式、影響及危害性分析程序[S]

[5]Failure mode and effect analyses[J].EIA, Reliability Bulletin, 1971(9)

[6]徐福祥, 林寶華, 侯深淵.衛(wèi)星工程概論[M].北京：中國(guó)宇航出版社, 2004