基于FMECA方法的應(yīng)用分析與研究

田 宇

寧夏大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院

1 引言

目前我國機(jī)電產(chǎn)品制造企業(yè)普遍存在的問題是新產(chǎn)品開發(fā)能力薄弱,技術(shù)落后,不少企業(yè)處于仿制國外產(chǎn)品的階段,要使我國的企業(yè)在國際市場(chǎng)中贏得競(jìng)爭和發(fā)展,產(chǎn)品自主開發(fā)設(shè)計(jì)能力的提高已成為關(guān)系到我國制造工業(yè)發(fā)展命運(yùn)的至關(guān)重要的問題,而提高產(chǎn)品質(zhì)量是增強(qiáng)其市場(chǎng)競(jìng)爭力的關(guān)鍵。采用FM ECA等方法,有助于企業(yè)提高產(chǎn)品質(zhì)量、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、降低產(chǎn)品更新?lián)Q代成本、增加顧客滿意程度,從而提高產(chǎn)品在市場(chǎng)上的競(jìng)爭力。工業(yè)發(fā)達(dá)國家對(duì)FM ECA方法的研究起源較早,而國內(nèi)在這方面的研究才剛剛起步。臺(tái)扇在中國家庭中普及率極高,全國每年夏季高峰期發(fā)生故障的數(shù)量也相當(dāng)可觀,造成一定的維修難問題。若臺(tái)扇生產(chǎn)廠家在設(shè)計(jì)其產(chǎn)品時(shí)進(jìn)行一定的FMECA分析,就可以在很多方面預(yù)料將要發(fā)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(shù),用來分析產(chǎn)品可能和潛在的失效模式,確定故障的相對(duì)嚴(yán)重程度和發(fā)生概率,以及產(chǎn)品在交付使用前發(fā)現(xiàn)故障的可能性,對(duì)那些對(duì)產(chǎn)品性能有重大影響的失效模式做出判斷,并針對(duì)發(fā)現(xiàn)的問題提出改進(jìn)的措施,以便改進(jìn)設(shè)計(jì)來消除或減少那些潛在的設(shè)計(jì)缺陷。通常FM ECA應(yīng)與產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程同時(shí)進(jìn)行,并應(yīng)盡可能早地進(jìn)行,最好在方案設(shè)計(jì)階段就開始。隨著新的信息的增加,在設(shè)計(jì)、樣機(jī)研制和驗(yàn)證中重復(fù)進(jìn)行和不斷改進(jìn)。FMECA是在FMEA的基礎(chǔ)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(wù),使分析量化。因此FMECA可以看成是FM EA的一種擴(kuò)展與深化。FMEA和FMECA均致力于在實(shí)際使用中找出對(duì)系統(tǒng)性能有顯著影響的各種故障及相關(guān)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(jìn)行定量分析。

3 FMEA/FMECA方法分析

(1)研究對(duì)象及其功能結(jié)構(gòu)圖分析

圖1 研究分析對(duì)象臺(tái)扇示意圖Fig.1 Fan schematic diagram

根據(jù)臺(tái)扇的主要結(jié)構(gòu),繪制臺(tái)扇的功能結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)圖,如圖2所示。臺(tái)扇的主要作用是使人感覺涼爽,包括三大功能：使空氣流動(dòng)、控制空氣流動(dòng)以及其他輔助功能。控制空氣流動(dòng)可分解為三大子功能：定時(shí)、改變風(fēng)力、改變風(fēng)向。而每一功能的實(shí)現(xiàn)又對(duì)應(yīng)于相應(yīng)的產(chǎn)品的零部件結(jié)構(gòu),如：定時(shí)器與定時(shí)開關(guān),調(diào)速開關(guān)、風(fēng)葉電機(jī)及風(fēng)葉,轉(zhuǎn)頁控制開關(guān)、轉(zhuǎn)頁同步電機(jī)以及轉(zhuǎn)頁等。

(2)建立臺(tái)扇行為模型

圖2 臺(tái)扇功能結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Fan function structure diagram

建立臺(tái)扇的行為模型表,進(jìn)行臺(tái)扇的AFMEA分析。如故障模式：非(使空氣流動(dòng)：風(fēng)扇)是由非(開關(guān),開關(guān)狀態(tài),開)引起的,故懷疑部件為：開關(guān)。

表1 臺(tái)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(shè)計(jì)分析服務(wù),因?yàn)椋菏紫?行為不完全依賴于產(chǎn)品的物質(zhì)結(jié)構(gòu)。我們知道,當(dāng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)不斷進(jìn)步的時(shí)候,產(chǎn)品的物質(zhì)要素及部件會(huì)發(fā)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(chǎn)品的完善都不會(huì)影響AFMEA的應(yīng)用。其次,行為模型能更好地反映顧客對(duì)產(chǎn)品的需求以及期望的屬性,同時(shí)也是評(píng)估“顧客不滿意模型”的基礎(chǔ)。最后,行為模型為分析故障模式提供了一個(gè)更系統(tǒng)化的框架結(jié)構(gòu),因?yàn)樗治龅搅烁鼜V闊的范圍。行為模型甚至可以通過分析產(chǎn)品的上下級(jí)支持系統(tǒng)來獲知一套更完整的故障模式。

(3)FMECA表格的設(shè)計(jì)與分析

根據(jù)臺(tái)扇的行為模型及常見故障分析,利用FMECA表格的規(guī)定格式繪制臺(tái)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(duì)FEMCA表格的分析可看到：危險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)最高的部件共有三個(gè)：調(diào)速開關(guān)、風(fēng)葉電機(jī)、箱體,它們損壞的原因各不相同,對(duì)系統(tǒng)造成的影響也不同。

表2 調(diào)速開關(guān)的FMECA分析表Table 2 FMECAanalysis form of speed switch

調(diào)速開關(guān)主要是由于開關(guān)簧片角度發(fā)生彎曲或簧片老化,從而導(dǎo)致開關(guān)接觸不良甚至失效。因其發(fā)生概率和嚴(yán)重度都比較高。因此可以認(rèn)為由于調(diào)速開關(guān)的故障會(huì)導(dǎo)致客戶的高度不滿,故評(píng)定其嚴(yán)重度為7。由于其經(jīng)常使用且暴露在產(chǎn)品外部,而主要功能又以較薄的簧片來實(shí)現(xiàn),根據(jù)有關(guān)維修數(shù)據(jù)及FMECA分?jǐn)?shù)等級(jí)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn),評(píng)定該開關(guān)發(fā)生概率為8。由于調(diào)速開關(guān)通常采用不密封的撥動(dòng)式轉(zhuǎn)換開關(guān),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(cè)難度定為5。建議改進(jìn)的措施為：改變簧片材料及制造工藝。因此,調(diào)速開關(guān)屬于利用FM ECA法可以有效避免的故障之一。

表3 風(fēng)葉電機(jī)的FMECA分析表Table 3 FMECA analysis form of the motor

風(fēng)葉電機(jī)主要是由于罩極繞組連接不良引起的風(fēng)葉電機(jī)損壞,并進(jìn)一步導(dǎo)致風(fēng)葉不轉(zhuǎn)。由于風(fēng)葉電機(jī)是臺(tái)扇的核心部分,它直接關(guān)系到其最主要的功能―風(fēng)葉轉(zhuǎn)動(dòng)以及送風(fēng)是否能夠?qū)崿F(xiàn),一旦風(fēng)葉電機(jī)發(fā)生故障導(dǎo)致風(fēng)葉不轉(zhuǎn),則該產(chǎn)品就會(huì)喪失其最主要的功能。根據(jù)FMECA分?jǐn)?shù)等級(jí)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)表標(biāo)準(zhǔn),故應(yīng)評(píng)定為8。由于電機(jī)處于臺(tái)扇內(nèi)部,不容易受到外部撞擊或人為的損壞,且電機(jī)屬于耐用產(chǎn)品,發(fā)生故障的概率相對(duì)較低,根據(jù)FMECA分?jǐn)?shù)等級(jí)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)定為5。由于電機(jī)處于產(chǎn)品內(nèi)部并有外罩保護(hù),且罩極繞組處于電機(jī)內(nèi)部,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,故障一旦發(fā)生較難發(fā)現(xiàn),因此檢測(cè)難度較高,定為7。

可見,風(fēng)葉電機(jī)主要是由于其重要性及難檢測(cè)性導(dǎo)致其故障風(fēng)險(xiǎn)較高。對(duì)于這樣的部件,除了建議增加裝配前檢查、定期進(jìn)行檢測(cè)之外,唯一可以在設(shè)計(jì)上改進(jìn)的地方就是簡化電機(jī)的結(jié)構(gòu),或考慮采用其他結(jié)構(gòu)更簡單的電機(jī),這樣可以有效地降低檢測(cè)的難度。故該部件屬于通過FM ECA分析方法,能有限避免風(fēng)險(xiǎn)的部件。亦可以考慮使用其他可靠性設(shè)計(jì)方法,如冗余法、安全系數(shù)法等以增加產(chǎn)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(dǎo)致漏電,造成安全隱患。這一故障的發(fā)生率雖然不高,但由于重要度極高,且檢測(cè)難度也較高,故其危險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)高達(dá)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(chǎn)品上沒有任何漏電指示設(shè)備,故障影響情況符合FMECA分?jǐn)?shù)等級(jí)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)中的“若失敗發(fā)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(píng)定為10。而又因?yàn)橄潴w漏電是一個(gè)不易被發(fā)現(xiàn)的隱患,無預(yù)兆,無指示設(shè)備,其檢測(cè)難度較高,定為7。但是,如果采用合格的箱體材料,發(fā)生這一故障的概率并不大,定為4。建議改進(jìn)措施的為：改用絕緣材料及安裝漏電指示設(shè)備等。

4 結(jié)論

通過FMECA方法分析可以發(fā)現(xiàn)同一設(shè)備系統(tǒng)中不同功能的零部件因其重要程度不同以及結(jié)構(gòu)上的差異,其危險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)也會(huì)有所不同,因此在設(shè)計(jì)中就需要區(qū)別對(duì)待,將危險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)特別高的部件優(yōu)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(fā)生概率及檢測(cè)難度都可能不高,但用FM ECA方法對(duì)其進(jìn)行分析可以有效地發(fā)現(xiàn)和預(yù)防重大事故的發(fā)生,在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的作用是十分重要的。

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