失效預(yù)防技術(shù)與展望

劉博超

(中申(上海)管道工程技術(shù)有限公司，上海 201199)

失效預(yù)防技術(shù)與展望

劉博超

(中申(上海)管道工程技術(shù)有限公司，上海 201199)

失效預(yù)防是失效分析的最終目標(biāo)，具有重要社會價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。失效預(yù)防也是失效分析發(fā)展的內(nèi)在要求，需要在設(shè)計(jì)計(jì)算方法、失效準(zhǔn)則研究和質(zhì)量控制等方面投入更多精力，以避免類似的失效反復(fù)發(fā)生。本文在對國內(nèi)外失效預(yù)防工作研究分析的基礎(chǔ)上，總結(jié)了做好失效預(yù)防工作相關(guān)的7項(xiàng)常見技術(shù)，如質(zhì)量功能展開、潛在失效模式和后果分析、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和模擬、健康狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)、失效案例大數(shù)據(jù)技術(shù)、基于群體的壽命預(yù)期和質(zhì)量成本估算等。結(jié)合國內(nèi)外形勢，以失效預(yù)防為最終目標(biāo)，建議了5項(xiàng)具體行動，以期對失效案例提供主動預(yù)防措施參考。

失效分析；失效預(yù)防技術(shù)；質(zhì)量管理；質(zhì)量功能展開；潛在失效模式與后果分析

0 引言

縱觀失效分析發(fā)展的歷史可以看到，從古至今，盡管失效分析的方法和手段不斷豐富和現(xiàn)代化[1]，失效分析的動力始終如一，初心未改，那就是趨利避害。這是人的本能，人們不想自身生命、生活、聲譽(yù)和財(cái)產(chǎn)等受到意外傷害。

通常來講，人們把產(chǎn)品喪失規(guī)定的功能稱為失效。失效分析是指判斷失效的模式、查找失效原因和機(jī)理、提出預(yù)防再失效的對策的技術(shù)活動和管理活動[2-3]。而失效預(yù)防的作用是檢驗(yàn)失效分析成果，推動新技術(shù)和新方案開發(fā)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控和預(yù)警，確保在一定時(shí)間和空間范圍內(nèi)避免失效的再次發(fā)生。由此可見，失效分析是失效預(yù)防的重要基礎(chǔ)，失效預(yù)防是失效分析的最終目的。兩者互為起點(diǎn)又互為終點(diǎn)，體現(xiàn)了實(shí)踐-認(rèn)識-實(shí)踐-認(rèn)識的發(fā)展規(guī)律。

國內(nèi)在失效分析領(lǐng)域已經(jīng)做了大量卓有成效的工作，但事后失效分析較多，事先和事中預(yù)防的較少。國內(nèi)失效預(yù)防做得比較好的主要集中在某些重點(diǎn)領(lǐng)域，如壓力容器、石化管道、航空航天、軍工、核電等。而國外在失效預(yù)防領(lǐng)域發(fā)展得更為成熟，不僅涉及的產(chǎn)品領(lǐng)域更加豐富，在具體方法方面也頗有成效，發(fā)展出了如全面質(zhì)量管理(Total Quality Management, TQM)、六西格瑪(6 Sigma)、可靠性工程(Reliability Engineering)等系統(tǒng)方法。本文的主要目的是分析被動預(yù)防和主動預(yù)防的關(guān)系，通過案例和數(shù)據(jù)闡述主動失效預(yù)防的重大意義和價(jià)值，介紹了幾種主動失效預(yù)防的技術(shù)和管理方法，期望引起相關(guān)技術(shù)人員和管理人員的關(guān)注，為把事先預(yù)防工作做得更好提供一些參考。

1 失效預(yù)防的價(jià)值

要做好失效預(yù)防首先要意識到這項(xiàng)工作的價(jià)值。國內(nèi)外關(guān)于失效分析和失效預(yù)防的經(jīng)濟(jì)價(jià)值估算研究非常少[4]，但可以通過舉例子和做類比的方式加以說明。如每年由于腐蝕給美國經(jīng)濟(jì)的損失達(dá)9 000億美元之多，而其中能夠通過現(xiàn)有技術(shù)手段可以避免的損失至少有1/3左右。這組數(shù)據(jù)能充分說明腐蝕的研究價(jià)值和工程價(jià)值，從而引導(dǎo)人們轉(zhuǎn)變思想，付諸行動。文獻(xiàn)[5]當(dāng)中所列舉的針對橋梁、火車輪軸、船舶的斷裂、壓力容器爆炸、導(dǎo)彈爆炸、飛機(jī)解體等事故的失效分析和預(yù)防工作，無疑也都創(chuàng)造了巨大的社會價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。但是如果僅事后失效分析而不進(jìn)一步做好事先預(yù)防，失效分析的價(jià)值將無法得到充分體現(xiàn)。如果把失效分析工作者類比作“工業(yè)醫(yī)生”的話，只看病做診斷開處方，雖能治病救人，但病人還是經(jīng)歷了痛苦和經(jīng)濟(jì)損失。而要是能幫助病人做好健康管理，病人就能夠少生病甚至不生病。因此只有在失效分析的基礎(chǔ)上做好失效預(yù)防，失效分析與預(yù)防才能事實(shí)現(xiàn)更大的社會價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

2 失效分析原因統(tǒng)計(jì)及其啟示

工業(yè)上，失效分析的對象大體上可以分為軟件和硬件兩大類。而硬件又可以分為機(jī)械和電氣電子兩大類。每一類又可以根據(jù)用途和行業(yè)等進(jìn)一步分類。以機(jī)械類為例，經(jīng)驗(yàn)豐富的失效分析工作者會發(fā)現(xiàn)，盡管具體到不同產(chǎn)品的失效原因不同，但積累到一定程度就可以將失效原因歸為幾類。以文獻(xiàn)[6]航空工業(yè)的機(jī)械產(chǎn)品為例，按照失效模式來看，在653個(gè)案例中最主要的是疲勞失效，占比約48%，并且每年都有100多起，這說明在這個(gè)領(lǐng)域疲勞失效仍然是目前發(fā)生最頻繁的模式。換一個(gè)角度，從整個(gè)制造流程來對失效原因進(jìn)行分類的話，設(shè)計(jì)和制造相關(guān)的分別達(dá)到30%和38%，這說明在設(shè)計(jì)計(jì)算方法、失效準(zhǔn)則和質(zhì)量控制方面還存在很多不足。類似的如文獻(xiàn)[7]，142220型軸承有56%都是由于滾道剝落或裂紋開裂發(fā)生的失效。大修中修時(shí)，由于軸承內(nèi)徑磨損造成軸和軸承間隙超標(biāo)準(zhǔn)要求的超過90%。根據(jù)文獻(xiàn)[8]的報(bào)道，鉆柱的失效50%～60%由鉆桿造成，主要表現(xiàn)形式是管體穿刺，其中70%的失效原因是腐蝕疲勞。由此可以看出，一方面可以看到分析不出原因的案例很少，這說明失效分析的工作已經(jīng)基本做到，另一方面同一失效模式或同一環(huán)節(jié)的問題卻仍然反復(fù)發(fā)生，說明在那些環(huán)節(jié)還比較薄弱，確實(shí)亟待在失效預(yù)防方面投入更多精力，以避免類似的失效不再發(fā)生。

3 失效預(yù)防的幾項(xiàng)技術(shù)

那么如何做好失效預(yù)防，使從過去的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)當(dāng)中學(xué)到的東西能用在后續(xù)的設(shè)計(jì)開發(fā)、制造組裝和使用保養(yǎng)當(dāng)中呢？國外已經(jīng)有學(xué)者從個(gè)人層面和組織層面對如何從教訓(xùn)中汲取經(jīng)驗(yàn)這一更大的話題做了長期的研究，闡明了其中面臨的技術(shù)層面和社會層面的困難，并提出了相應(yīng)建議，值得管理人員參考[9]。以下主要介紹幾種工程技術(shù)領(lǐng)域失效預(yù)防相關(guān)的技術(shù)。既有管理方面的，也有技術(shù)方面的，兩者相互需要，相輔相成[10-17]。

3.1 質(zhì)量功能展開

質(zhì)量功能展開(Quality Function Deployment, QFD)是把顧客或市場的要求轉(zhuǎn)化為設(shè)計(jì)要求、零部件特性、工藝要求、生產(chǎn)要求的多層次演繹分析方法。它使產(chǎn)品的全部研制活動和制造活動與滿足顧客的要求緊密聯(lián)系，從而增強(qiáng)了產(chǎn)品的市場競爭能力，保證產(chǎn)品開發(fā)一次成功。它主要是通過類似圖1來展示相鄰兩個(gè)環(huán)節(jié)的要求和指標(biāo)之間的關(guān)系。并通過5個(gè)層次(用戶需求-產(chǎn)品特性-部件特性-過程特性-生產(chǎn)特性)分層演繹，能夠有機(jī)會讓人們都清楚地理解各環(huán)節(jié)當(dāng)中的變量以及變量之間的定性關(guān)系，敦促全產(chǎn)業(yè)鏈形成精益求精，不忘初心的工作模式。需要注意的是，它不適用于客戶需求含糊不清或難以認(rèn)清的階段，在使用的時(shí)候也要盡量區(qū)分客戶的常規(guī)需求、期望需求和意外需求(興奮需求)，以避免將表格做得過大。同時(shí)也可以在保證重大要求變更得到及時(shí)響應(yīng)的同時(shí)，減少客戶需求頻繁變化給后續(xù)開發(fā)和制造帶來過度的干擾。它還可以幫助開發(fā)人員進(jìn)行容差設(shè)計(jì)，以提高產(chǎn)品的可靠性。

圖1 質(zhì)量功能展開(QFD)表現(xiàn)形式Fig.1 Illustration of quality function deployment (QFD)

3.2 潛在失效模式和后果分析

潛在失效模式和后果分析(Failure Mode Effect Analysis, FMEA)，是在產(chǎn)品/過程/服務(wù)等的策劃設(shè)計(jì)階段，對構(gòu)成產(chǎn)品的各子系統(tǒng)、零部件，對構(gòu)成過程，服務(wù)的各個(gè)程序逐一進(jìn)行分析，找出潛在的失效模式，分析其可能的后果，評估其風(fēng)險(xiǎn)，從而預(yù)先采取措施，減少失效模式的嚴(yán)重程度，降低其可能發(fā)生的概率，以有效地提高質(zhì)量與可靠性，確保顧客滿意的系統(tǒng)化活動。它是中國傳統(tǒng)思想——防患于未然思想的一種具體表現(xiàn)。這個(gè)技術(shù)或工具源于美國軍方，最早應(yīng)用是在戰(zhàn)斗機(jī)操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展到航空航天、交通工具、制造業(yè)、設(shè)備維護(hù)、醫(yī)療、市政管理[18]等很多行業(yè)并取得成效。通過預(yù)先識別潛在失效模式和后果，評估風(fēng)險(xiǎn)順序數(shù)值，可以幫助設(shè)計(jì)開發(fā)人員在早期對可能的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行排序，并采取行動優(yōu)先防控那些優(yōu)先級高的風(fēng)險(xiǎn)。特別值得學(xué)習(xí)的是，在確定風(fēng)險(xiǎn)順序的時(shí)候，這套工具引導(dǎo)人們關(guān)注3個(gè)方面的因素：后果的嚴(yán)重程度(Severity)，發(fā)生頻率(Occurrence)和失效檢驗(yàn)難度(Detection)。通過對每個(gè)因素進(jìn)行估值再將3個(gè)因素的估值相乘，就可以得到風(fēng)險(xiǎn)防控的優(yōu)先級。

實(shí)際操作過程中人們發(fā)現(xiàn)，無論是對失效模式的識別還是對每種失效模式后果的評估，這些工作都需要依靠豐富的知識、經(jīng)驗(yàn)、數(shù)據(jù)和工具，才能作出對風(fēng)險(xiǎn)的有效防控，否則將流于形式。這就需要失效分析原因數(shù)據(jù)庫的建立以及相關(guān)信息的雙向傳輸渠道、信息傳輸協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 數(shù)字化設(shè)計(jì)和模擬

FEM和CAE技術(shù)已經(jīng)在很多領(lǐng)域展示了其在效率和成本上較僅靠實(shí)驗(yàn)方式的優(yōu)勢。在疲勞失效與預(yù)防領(lǐng)域，隨著失效過程的認(rèn)知不斷深入和材料數(shù)據(jù)的積累，疲勞壽命的估算變得不再遙不可及。一些疲勞分析軟件已在汽車領(lǐng)域、工程機(jī)械領(lǐng)域得到了一定使用，但在其他很多領(lǐng)域還沒有得到采納。我國在這方面還尚屬空白狀態(tài)，受制于人。盡管基于離散數(shù)據(jù)得到的壽命估算不可避免地也具有很大離散性，但在一定置信區(qū)間下的壽命期望已經(jīng)變得可行。利用這項(xiàng)技術(shù)至少可以在模擬條件下對不同設(shè)計(jì)方案進(jìn)行篩選，對薄弱位置以及可能失效模式進(jìn)行預(yù)測，并以此節(jié)約時(shí)間和成本[19]。

3.4 健康狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)

生命體在遇到危險(xiǎn)或受到傷害的時(shí)候會進(jìn)行某種反應(yīng)。只要提前理解這種反應(yīng)信號就能夠采取行動降低危險(xiǎn)和傷害?？萍嫉倪M(jìn)步使得原來無法一直察覺的信號變得可以察覺，比如心臟病等的預(yù)防方面，原來以為是突發(fā)的，現(xiàn)在可以提前24 h就得到預(yù)警以便做好防范。同樣的，對于非生命體，在受到傷害的時(shí)候也會進(jìn)行反應(yīng)。它發(fā)出的信號可能很微弱，難以察覺，但只要能夠讀懂它的信號就也可以做到預(yù)防。這方面可以結(jié)合前面的FEMA工具對風(fēng)險(xiǎn)的優(yōu)先級進(jìn)行排序，以便做有針對性的防范。健康狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)依據(jù)檢測信號的不同可以分為很多種類，比如利用形貌的磁粉探傷和視覺識別技術(shù)，利用聲音的超聲等無損檢測技術(shù)，利用熱的熱成像技術(shù)，利用光波的調(diào)制解調(diào)的光纖傳感器技術(shù)等。健康狀態(tài)監(jiān)測除了上述傳感器技術(shù)外，還包括微處理器技術(shù)、通信技術(shù)以及支撐這些器件工作的分布式供電技術(shù)的智能監(jiān)測系統(tǒng)。總之，健康狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)必然會隨著人們對自身和財(cái)產(chǎn)安全健康狀態(tài)的重視而逐漸發(fā)展成為一個(gè)巨大的產(chǎn)業(yè)。

3.5 失效案例大數(shù)據(jù)技術(shù)

值得肯定的是，現(xiàn)在我國也有專業(yè)的失效分析原因數(shù)據(jù)庫分門別類地建立起來了。比如飛機(jī)發(fā)動機(jī)、半導(dǎo)體器件、電站鍋爐“四管”、天然氣長輸管道、微波組件、傳動齒輪、柴油機(jī)氣門、鉆柱、坦克傳動部件滾動軸承等[4,7,20-28]都已經(jīng)積累了很多案例。相信還有很多重視質(zhì)量的企業(yè)里也都有類似的案例庫，只是沒有公開僅限內(nèi)部使用而已。國外在這方面的經(jīng)驗(yàn)值得借鑒：首先是立法保障，其次是組織保障，最后是技術(shù)保障[28-29]?？紤]到失效案例積累的長期性和復(fù)雜性，需要上下協(xié)力，建立信息收集和報(bào)告標(biāo)準(zhǔn)，一個(gè)產(chǎn)品一個(gè)產(chǎn)品、一個(gè)產(chǎn)業(yè)一個(gè)產(chǎn)業(yè)地打造失效案例數(shù)據(jù)庫。此外，要把一個(gè)個(gè)令人警醒的案例活生生的展示出來，并且警鐘長鳴，以免再次發(fā)生。如前文提到，無論從企業(yè)發(fā)展的角度還是從科學(xué)研究的角度，失效案例數(shù)據(jù)庫的建立和充分利用都是有積極作用的[30-31]。

3.6 基于群體的壽命預(yù)期

盡管單個(gè)個(gè)體的壽命難以估計(jì)，但通過積累大量產(chǎn)品的觀察反饋，就可以對其使用壽命，無故障運(yùn)行時(shí)間等了解并進(jìn)行參數(shù)化，也就可以通過數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)的方式計(jì)算出其平均壽命、中位壽命等。這是建立好與壞、長與短等直觀感受的基礎(chǔ)，也為去發(fā)掘其背后差異的原因提供了寶貴機(jī)會。正常條件下的安全使用壽命這類指標(biāo)對某些產(chǎn)品是很重要的，比如人體上使用的替代物、功能器件、氣門彈簧等對可靠性要求極高的零件。要實(shí)現(xiàn)基于群體的壽命預(yù)期，不僅要求平時(shí)就注重積累和總結(jié)，還要掌握很多統(tǒng)計(jì)學(xué)的知識，學(xué)會使用一些專業(yè)的統(tǒng)計(jì)分析軟件。有時(shí)，為了能快速知道一個(gè)產(chǎn)品的安全使用壽命，加速實(shí)驗(yàn)技術(shù)就變得特別重要了。設(shè)想一下，當(dāng)知道了產(chǎn)品的預(yù)期壽命，那么使用過程當(dāng)中自然就會提前加以防范了。

3.7 質(zhì)量成本估算技術(shù)

質(zhì)量成本是指企業(yè)為了保證和提高產(chǎn)品或服務(wù)質(zhì)量而支出的一切費(fèi)用，以及因未達(dá)到產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，不能滿足用戶和消費(fèi)者需要而產(chǎn)生的一切損失。質(zhì)量成本主要包括預(yù)防成本、鑒定成本、內(nèi)部損失成本和外部損失成本[32]。要想準(zhǔn)確計(jì)算是非常復(fù)雜的，但很顯然，在從原料端至最終用戶端的整個(gè)價(jià)值鏈條當(dāng)中，越靠近最終用戶端失效的危害和影響越大。如果某個(gè)缺陷在供應(yīng)商處處理的成本是1，在自身工廠里的成本可以達(dá)到10，在外部客戶那里的成本可以達(dá)到100?？傊?，讓客戶理解失效預(yù)防的投入是非常劃算的，只要質(zhì)量總成本/總銷售額的比例降低，其所做的投入從經(jīng)濟(jì)上就是可行的。

4 結(jié)束語

綜上所述，做好失效預(yù)防工作具有重大經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會價(jià)值，其可行性也在不斷增強(qiáng)，也會帶給失效分析工作者很多挑戰(zhàn)和機(jī)遇：

1)需要深入學(xué)習(xí)和理解質(zhì)量管理的內(nèi)涵、方法、作用和局限，理解失效分析與質(zhì)量管理之間相輔相成的關(guān)系；

2)主動與利益相關(guān)方和消費(fèi)者協(xié)會、質(zhì)檢等管理部門溝通，借助他們的影響力，營造治病救人，防患于未然和勿以善小而不為的人文環(huán)境，建立健全組織績效指標(biāo)體系，共同提升中國制造產(chǎn)品的附加值和競爭力；

3)積極推動立法，為失效分析提供任務(wù)來源，法律制度、自身定位、組織和資金上的保障；

4)逐步打造失效案例數(shù)據(jù)庫，建立產(chǎn)品失效數(shù)據(jù)庫與設(shè)計(jì)制造之間雙向溝通的渠道、標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議，延伸產(chǎn)業(yè)鏈，開啟與健康監(jiān)測、維修保養(yǎng)業(yè)和保險(xiǎn)金融業(yè)相結(jié)合的巨大市場；

5)促進(jìn)學(xué)科的發(fā)展、規(guī)律的掌握和知識的積累，加強(qiáng)多學(xué)科間的協(xié)作，加強(qiáng)材料的應(yīng)用和使用條件研究，加強(qiáng)失效模式和失效條件的研究。

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Failure Prevention Techniques and Development

LIU Bo-chao

(Zonesun(Shanghai)PipelineEngineeringCo.,Ltd.,Shanghai201199,China)

Failure prevention is the final objective of failure analysis, and it is the inherent requirement of further development of failure analysis. More efforts need to be made in design methods, failure criteria and quality control to avoid the repeat of similar failure. Based on analyzing the current situation of the failure analysis field overseas and at home, seven techniques widely used for failure prevention were summarized, such as quality function deployment (QFD), failure mode and effect analysis (FMEA), CAE and FEM, health monitoring technique, data mining of failure cases, life prediction based on lots of data, and quality cost estimation. For the purpose of failure prevention, five concrete actions were suggested, which will lay a solid foundation for initiative failure prevention.

failure analysis; failure prevention techniques; quality management; quality function deployment; failure mode and effect

2016年11月30日

2017年1月10日

劉博超(1983年-)，男，碩士，主要從事研發(fā)方面管理等方面的研究。

N945

A

10.3969/j.issn.1673-6214.2017.01.012

1673-6214(2017)01-0062-05