DFMEA在水輪發(fā)電機組設計中的應用

撰文/茹志云

■421403 甘溪水輪泵水電站 湖南 衡陽

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DFMEA在水輪發(fā)電機組設計中的應用

撰文/茹志云

■421403 甘溪水輪泵水電站 湖南 衡陽

文章針對水輪發(fā)電機組設計，闡述了 DFMEA的必要性，詳細介紹 DFMEA的實施方法、注意事項，并舉例加以說明。對水輪發(fā)電機組設計中應用和推廣DFMEA有一定的參考價值。關鍵詞：DFMEA；水輪發(fā)電機組設計；應用策略

水輪發(fā)電機組的質量問題和可靠性事故嚴重影響電站的經(jīng)濟效益，有時甚至威脅到人們群眾的生命和財產(chǎn)安全。有必要采用DFMEA這個先進、有效的工具保證產(chǎn)品質量，提高產(chǎn)品的可靠性，變事后糾錯為事前預防，從設計源頭減少或避免產(chǎn)品的失效。目前有部分水輪發(fā)電機組企業(yè)實施了DFMEA，但很多流于形式，沒真正起到預防控制的作用。本文介紹 DFMEA在水輪發(fā)電機組設計中的應用方法、注意事項，引導DFMEA的有效實施，以提升水輪發(fā)電機產(chǎn)品的質量和可靠性，降低產(chǎn)品的開發(fā)和維護成本。

水輪發(fā)電機組設計中實施DFMEA的必要性

水輪發(fā)電機組的研發(fā)基本在傳統(tǒng)模式下進行?；疽揽拷?jīng)驗設計和類比設計，少數(shù)關鍵零部件關鍵數(shù)據(jù)運用傳統(tǒng)理論進行了理論計算，設計者水平?jīng)Q定產(chǎn)品的設計質量?；径疾粫龀商椎膶嶒灅訖C來進行試驗，對機組的可靠性、可制造性和可維護性考慮不足。對從近三十年來統(tǒng)計數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)機組故障，特備是中小型水電站故障不少且維修成本頗高。

而DFMEA能有效的預防故障，同時是開展產(chǎn)品可靠性設計、試驗、特性分析、技術風險分析、故障模式分析、可靠性關鍵項目等工作的基礎和源頭。具體來說，DFMEA能起到如下作用：

a減少風險和損失，避免產(chǎn)品失效，提高產(chǎn)品的可靠性；

b早期就考慮可制造性和可維護性，避免晚期更改，降低成本，縮短開發(fā)周期；

c為制定試驗計劃、質量控制計劃、測試標準和檢驗規(guī)范提供依據(jù)；

d發(fā)揮集體智慧，積累經(jīng)驗，為后續(xù)工作提供寶貴的參考；

e提供改進設計的優(yōu)先級依據(jù)，引導資源分配；

因此，很有必要在水輪發(fā)電機組設計過程中實施DFMEA。

DFMEA 在水輪發(fā)電機組設計中的實施方法

下面以FEMA第四版為標準，結合多年設計水輪發(fā)電機的經(jīng)驗，和為相關企業(yè)做DFMEA培訓的心得就如何在水輪發(fā)電機組設計中應用做一個簡明扼要的說明。

aDFMEA基本思路

DFMEA的基本思路是：預測故障模式分析后果→確定原因和機理→找到避免或減少潛在失效發(fā)生的措施→采取措施并文件化。具體可采用以下步驟實施：

b 識別項目、功能與要求

項目：即DFMEA分析的對象，依照系統(tǒng)的結構和功能逐級向下建立，直到系統(tǒng)的零部件為止。如最終的產(chǎn)品、系統(tǒng)、模塊、零部件、指標等。

功能：是指被分析項目的功能，就是這個零部件、子系統(tǒng)/系統(tǒng)或接口到底有什么用，要達到什么目的。

要求：指功能/指標的具體要求。

“項目、功能、要求” 是DFMEA的基礎和出發(fā)點。如果這一欄沒沒有考慮清楚，那么整個DFMEA就等于無源之水、無本之木了。

一個項目到底有哪些功能和具體要求，有時我們并沒有完全掌握。我們應多方面、多層次、多角度挖掘出各零部件或子系統(tǒng)的項目/功能/要求，并且不滿足于對已有的認識，而應逐次深入、反復地再理解、再認識，以免直接導致DFMEA的缺失。

c 列出所有潛在失效模式，和失效的模式潛在后果

失效模式是指失效的外在宏觀表現(xiàn)形式和規(guī)律，是一個“觀察到的”或“外部影響”，應遵循“破壞功能”的原則。針對水輪發(fā)電機組，我們應建立失效模式清單。

潛在失效的后果是失效模式對功能的影響，就如顧客感受的一樣。也就是失效模式一旦發(fā)生時，對系統(tǒng)或裝備以及操作人員所造成的影響?？蓮膶蛻粢蟆⒅圃煅b配、包裝、交付服務、安全性法律法規(guī)等方面考慮。

d列出潛在失效的原因和機理

失效原因指導致或激活失效機理的環(huán)境，指一個設計薄弱部分的跡象。

失效機理指導致失效的微觀的物理、化學、熱電或其它過程。

潛在失效的原因針對失效模式而言: 是什么原因引起了失效模式的發(fā)生？后續(xù)的建議措施以失效原因作為依據(jù)。盡量避免形式、空乏的失效原因分析，如責任心不強、設計不合理、設計不符合規(guī)范等。只有深刻、準確、中肯的定義失效的原因和機理，才能認識問題的本質，才有可能提出有效的措施。

e現(xiàn)行設計怎樣預防/探測？

控制預防：現(xiàn)在的設計是怎樣預防失效原因/機理和失效模式的發(fā)生的？指已經(jīng)實施或承諾的活動。也是現(xiàn)行設計的薄弱部分。

控制探測：怎樣識別設計缺陷（失效原因）/失效模式是否存在，指在產(chǎn)品發(fā)布（投產(chǎn)）前，通過分析或物理的方法識別設計缺陷（失效原因）/失效模式是否存在。不同于PFMEA的產(chǎn)品檢測。探測包括設計分析和開發(fā)測試兩部分。探測性控制在設計開發(fā)過程中越早越好。

f 確定嚴重度、發(fā)生度、探測度，計算風險系數(shù)

因消費者對再制造產(chǎn)品的支付意愿不可能大于對新產(chǎn)品的支付意愿，且消費者對再制造產(chǎn)品的支付意愿不可能為負，故有0θ+β-γ1。

DFMEA 通過嚴重度 S、發(fā)生度 O、探測度 D 和風險順序數(shù) RPN（S*O*D）四個參數(shù)對產(chǎn)品失效風險進行定量評估。 其中 S、O、D 三個參數(shù)的值為1～ 10，其值的確定在 AIAG（美國汽車工業(yè)集團）制定 的 FMEA 標準中都有相應的判定依據(jù)。其中探測度實際指不可探測度。

g采取措施降低風險

①改進措施的優(yōu)先級別：

優(yōu)先級別通過對S、O、D的分析和RPN數(shù)值來決定。針對水輪發(fā)電機組，建議如下原則：

原則一：首先關注S≥8 or O≥8 & D≥8的失效模式。

原則二：關注RPN≧125的失效模式。（說明：此處數(shù)據(jù)僅供參考）

首先要盡量設計完美，比如使用已證實的標準設計，修改不合適的設計。優(yōu)先降低嚴重度，其次是采取預防（降低發(fā)生度）措施，再其次才是加強探測。

（1）通過設計更改降低嚴重度S；

（2）設計更改、控制、消除引起失效模式的原因，降低發(fā)生度O；

（3）通過設計更改、設計確認、設計驗證等降低探測度D。

DFMEA在水輪發(fā)電機組設計中的應用注意事項

a不要混淆DFMEA和PFMEA

不少企業(yè)將DFMEA做成了PFMEA，根源還是沒真正理解DFMEA以及與PFMEA的區(qū)別。DFMEA是產(chǎn)品的設計失效模式分析，而PFMEA是產(chǎn)品的過程失效模式分析。

DFMEA研究的是由設計缺陷造成的產(chǎn)品失效，除開產(chǎn)品設計本身，還包括因設計缺陷而導致的在生產(chǎn)、裝配、運行和維護等過程中的失效。同時它假定生產(chǎn)、裝配、運行和維護等過程符合工程規(guī)范。至于如何保證這些過程，則是PFMEA的內容了。

b重點切入，逐步完善

追求一次到位是理想的要求，實際上是很難做到的?？梢韵葟囊衙鞔_的要求和發(fā)現(xiàn)的問題入手。這包括項目任務書和產(chǎn)品規(guī)格書、類似產(chǎn)品過去的教訓（設計失敗案例、8D報告、運行不良、可靠性試驗發(fā)現(xiàn)的問題等）、類似產(chǎn)品客戶端反饋（如客訴，返修等）；制造、裝配、維護、質量部門的反饋等。 然后再推廣完善。

c從組織、資源和流程多方面保證DFMEA的有效實施

即使是目前已實施DFMEA的企業(yè)，相當部分也還處于應付狀態(tài)或者形式階段。要有效實施DFMEA，真正發(fā)揮其強大功能，至少要做到：1，有一個跨功能的資深的實施小組，包括研發(fā)、工程、質量、維護等資深工程師，由研發(fā)資深工程師/總工或項目經(jīng)理任組長。2，具有相關資源，如要領導的支持，充足的時間等。 3，從產(chǎn)品開發(fā)流程保證DFMEA在整個產(chǎn)品開發(fā)過程中的有效實施。

結語

DFMEA對水輪發(fā)電機組的產(chǎn)品質量和效率的提升有很大的現(xiàn)實意義，如何有效實施是問題的關鍵。這需要了解DFMEA的基本要求，弄清DFEMA 與PFMEA的區(qū)別，深刻理解水輪發(fā)電機組產(chǎn)品，結合實際，從組織、資源和流程等方面保證。

參考：

［1］QS-9000 及相關手冊中文版修訂工作小組.潛在失效模式與后果分析（FMEA）參考手冊［K］. 北京：北京品士質量管理顧問有限公司，2001.

［2］D.H.Stamati. FMEA從理論到實踐［M］.陳曉彤，姚紹華，譯.北京：國防工業(yè)出版社，2005.

水輪發(fā)電機組設計DFMEA舉例