DFMEA在汽輪發(fā)電機設(shè)計中的應(yīng)用

馬馨蕊

(哈爾濱電機廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱 150040)

0 引言

設(shè)計潛在失效模式與后果分析(DFMEA)是一種工程師在設(shè)計開發(fā)階段完成的對整個產(chǎn)品設(shè)計的正式和系統(tǒng)的分析，以識別降低風(fēng)險和減少后續(xù)維修相關(guān)成本及提高用戶滿意度的必要工具。該技術(shù)的應(yīng)用有助于企業(yè)提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低成本，縮短研發(fā)周期。

整個汽輪發(fā)電機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由上千個零部件組成，且定子、轉(zhuǎn)子及總裝部套在設(shè)計、生產(chǎn)過程中相對獨立，若將所有汽輪發(fā)電機全部建立在一個DFMEA項目中，工作量過大且不易發(fā)現(xiàn)主要失效問題，難以達到失效分析的預(yù)期效果。因此將汽輪發(fā)電機按部套劃分，并對每個部套單獨進行DFMEA分析更具實際意義。本文以汽輪發(fā)電機定子繞組裝配部套設(shè)計為例，詳細分析DFMEA的應(yīng)用，并輸出相關(guān)建議項，為DFMEA在汽輪發(fā)電機新產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用提供參考，并提出目前存在問題和改善建議。

1 DFMEA有效應(yīng)用

DFMEA分析，需要設(shè)計工程師在設(shè)計開發(fā)階段就識別設(shè)計中的所有潛在風(fēng)險失效鏈，并通過有效措施對潛在風(fēng)險進行預(yù)先消除或減少，從而達到產(chǎn)品設(shè)計目標、降低后續(xù)維修成本，以便最大程度滿足客戶需求。DFMEA整個工作流程(見圖1)[1]。

1.1 DFMEA在設(shè)計策劃階段的工作

就大型汽輪發(fā)電機而言，目前電磁計算程序較為成熟，且有充分的通風(fēng)、強度等仿真分析做依托，故在技術(shù)設(shè)計階段，發(fā)生設(shè)計風(fēng)險的程度較低。根據(jù)經(jīng)驗，目前出現(xiàn)問題最多的往往是發(fā)電機施工過程中由于材料、設(shè)計缺陷等導(dǎo)致的事故。故在施工設(shè)計開始前進行DFMEA分析比較合適。在DFMEA設(shè)計策劃階段，設(shè)計團隊確定分析項目，成立分析小組，同時向公司其他相關(guān)部門及用戶等單位收集本次設(shè)計對象相關(guān)的過往產(chǎn)品類似質(zhì)量問題、設(shè)計要求，在故障庫中搜尋相似問題，歸入本次設(shè)計對象的設(shè)計需求清單，將這些資料作為此次設(shè)計開發(fā)項目的DFMEA預(yù)備輸入接口，為DFMEA的順利進行做好充分的策劃準備。在汽輪發(fā)電機定子繞組裝配部套的DFMEA設(shè)計中，前期收集的主要問題(見表1)。

表1 前期問題調(diào)研

1.2 DFMEA在方案設(shè)計和施工設(shè)計階段的工作

在新產(chǎn)品的方案、技術(shù)及施工設(shè)計階段將會完成DFMEA編制的大部分工作。設(shè)計團隊將策劃階段的DFEMA各類輸入文件進行有效整理及匯總。首先，列出與產(chǎn)品設(shè)計目標有關(guān)的所有零部件的block框圖，明晰各裝配及零件間的相互關(guān)系(見表2)。然后，將此框圖輸入明細產(chǎn)品功能分析矩陣，通過產(chǎn)品功能分析矩陣可鎖定影響設(shè)計對象功能的關(guān)鍵和重要部件，并分析零部件的功能與要求，進而生成產(chǎn)品潛在失效模式表。最后，針對已查找出的潛在的失效模式進行相關(guān)嚴重度(S)、頻度(O)和探測度(D)三方面的風(fēng)險評估，進而得到最終的風(fēng)險順序數(shù)(RPN)。風(fēng)險評估的三個系數(shù)及其解釋如下：嚴重度(Severity，S)，是指潛在失效模式發(fā)生時影響的級別；頻度(Occurrence，O)，是指潛在失效模式發(fā)生的可能性；探測度(Detection，D)是指探測潛在失效模式的難易程度[2]。每個指標均分為1～10級，設(shè)計團隊根據(jù)經(jīng)驗建立自己的三個系數(shù)的評價標準及相應(yīng)得分。最終得到的風(fēng)險順序數(shù)(RPN)即為探測度(D)、頻度(O)、嚴重度(S)三項的乘積，該指標是DFMEA分析中最關(guān)鍵的評價基準，用以直觀顯示設(shè)計風(fēng)險的高低。

表2 定子繞組裝配零部件關(guān)系列表

正常狀況下，RPN所得數(shù)值越大，代表其對應(yīng)的潛在失效模式風(fēng)險越高。目前對于確定需采取更改措施防范風(fēng)險或者嚴重度值非常大的項目，不建議完全依賴RPN極限來進行分析，建議輔助其他分析方法(如評審等)。表中分類欄對應(yīng)前期調(diào)研中的問題序號。最終形成的DFMEA分析見表3(僅列出部分RPN較高的項目)。

表3 汽輪發(fā)電機定子繞組裝配DFMEA分析表

1.3 DFMEA完成后的建議措施及處置

經(jīng)DFMEA分析，定子下線后難以打入波紋板的RPN最高，在設(shè)計中要根據(jù)經(jīng)驗及與車間的充分溝通，給定可行的公差帶并留出合適的下線間隙，且下線時要保證波紋板打入均勻，無接觸不良。

目前設(shè)計團隊對DFMEA的探索仍處于初級階段，還未形成有效的數(shù)據(jù)庫資源，所有風(fēng)險系數(shù)值均為經(jīng)驗累積的結(jié)果。經(jīng)DFMEA分析，定子下線后難以打入波紋板的RPN最高，這也與前期調(diào)研時發(fā)現(xiàn)的問題比較吻合。在設(shè)計中要根據(jù)定子線棒、定子鐵心疊片的制造經(jīng)驗，給出合理的公差帶范圍，保證線棒寬度達到制造上差，鐵心下線槽寬度達到下差時，波紋板仍能打入，并適當(dāng)準備大于和小于理論尺寸的波紋板配合使用，下線過程中需保證波紋板打入均勻，無接觸不良。

對于槽楔無法打緊問題，在施工設(shè)計時應(yīng)考慮設(shè)置斜楔并提高槽楔和斜楔的配合度，合理設(shè)置端頭槽楔的固定形式，同時根據(jù)實際情況配墊楔下墊條。對槽口塊綁扎松動問題，設(shè)計時要充分考慮其固定形式，可使用楔形墊塊配合帶有凹槽的墊塊使其配合牢靠。

對于線棒間連接板及線棒與引線連接板接觸不良問題，應(yīng)對銅排的性能及焊接質(zhì)量進行嚴格要求，并在焊接結(jié)束后仔細檢查清理。

對于定子線棒與綁環(huán)干涉，綁環(huán)與支架裝配干涉的問題，制造安裝時發(fā)生的頻率非常高，設(shè)計時應(yīng)充分考慮公差帶要求，尤其是層間靠近鐵心的第一道綁環(huán)。建議使用帶有壓縮量的軟填充物，因為使用硬環(huán)則尺寸過小，非常不便于后期加工及修配。其他綁環(huán)也需在實際裝配時根據(jù)情況考慮加工支架和綁環(huán)、截斷綁環(huán)或配墊滌綸氈，適當(dāng)減少綁扎位置等。

2 DFMEA實施中的問題

DFMEA是輔助汽輪發(fā)電機新產(chǎn)品研發(fā)的一項重要分析工具，但是將DFMEA與設(shè)計過程完全融合的實踐仍處于嘗試階段，DFMEA的工作成果用來完全解決實際問題還是存在一些障礙，主要包括：

(1) DFMEA分析過程限于表面，對過程理解不透徹，要求不統(tǒng)一。在實際的應(yīng)用過程中，不同設(shè)計員對各種潛在失效模式的嚴重度、頻度和探測度有不同的認知，進而給出不同的RPN風(fēng)險度。

(2) DFMEA工作缺乏延續(xù)性。新產(chǎn)品研制過程中，往往只在施工設(shè)計時進行一次DFMEA分析，若后期產(chǎn)品設(shè)計因工藝條件、材料采購、安裝局限等發(fā)生必要更改，DFMEA工作很難及時完善及補充。

3 DFMEA操作過程中的改進建議

(1) 建立有效的風(fēng)險順序數(shù)分級評審模式，不斷完善嚴重度、頻度和探測度的評分原則，并建立評分數(shù)據(jù)庫。同時完善DFMEA操作的規(guī)范性，并不斷積累和落實故障庫的儲備內(nèi)容，為后續(xù)設(shè)計人員高效、準確地進行DFMEA分析做好技術(shù)儲備。

(2) 制定切實可行的DFMEA管理要求，針對DFMEA編制、評審、跟蹤、后續(xù)修訂、補充制訂合理的監(jiān)管措施。鎖定DFMEA責(zé)任者和系統(tǒng)性負責(zé)人，確保責(zé)任到位，為后續(xù)妥善、完整地進行DFMEA分析做好管理準備。

4 結(jié)論

本文通過對汽輪發(fā)電機定子繞組裝配部套進行基于DFMEA的設(shè)計失效模式及后果分析，限于篇幅，未對所有潛在失效模式全部進行完整的分析，僅針對風(fēng)險順序數(shù)較高的部分項目進行闡述并提出了實際解決辦法，同時提出了DFMEA使用中存在的問題及改進建議，為DFMEA在汽輪發(fā)電機行業(yè)中的應(yīng)用提供參考。