航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油控制系統(tǒng)產(chǎn)品DFMEA分析應(yīng)用實(shí)踐

摘要：DFMEA是一種以預(yù)防為主的可靠性設(shè)計(jì)工具。在產(chǎn)品研制的不同階段開展DFMEA分析，從故障影響程度、嚴(yán)酷度等級(jí)、發(fā)生概率3個(gè)維度定量識(shí)別產(chǎn)品設(shè)計(jì)薄弱環(huán)節(jié)，制定針對性的改進(jìn)措施，并不斷迭代更新，以提高產(chǎn)品使用可靠性。并且總結(jié)了功能DFMEA分析工作流程，并對某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油控制系統(tǒng)產(chǎn)品進(jìn)行應(yīng)用實(shí)踐，通過梳理該型產(chǎn)品任務(wù)可靠性框圖，并結(jié)合相同結(jié)構(gòu)產(chǎn)品以往故障模式定量分析，識(shí)別出產(chǎn)品的薄弱環(huán)節(jié)并采取措施，進(jìn)行可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)計(jì)改進(jìn)措施效果。最終結(jié)果表明，通過DFMEA分析，有效提升了產(chǎn)品的可靠性。

關(guān)鍵詞：故障模式影響分析可靠性嚴(yán)酷度設(shè)計(jì)改進(jìn)措施

DFMEAAnalysisandApplicationPracticeofAviationEngineFuelControlSystem

LINLeyuZHANGYunzhi

（AECCXi'anAero-EngineControlTechnologyCo.，Ltd.，Xi'an，ShaanxiProvince，710077China）

Abstract：DFMEAisapreventive-basedreliabilitydesigntool.ConductDFMEAanalysisatdifferentstagesofproductdevelopment，quantitativelyidentifyweaklinksinproductdesignfromthreedimensionsoffailureimpact，severitylevel，andprobabilityofoccurrence，formulatetargetedimprovementmeasures，andcontinuetoiterativelyupdatetoimproveproductreliability.ThispapersummarizesthefunctionalDFMEAanalysisworkflow，andappliesittoacertaintypeofaero-enginefuelcontrolsystemproduct.Bysortingoutthetaskreliabilityblockdiagramofthistypeofproduct，andcombiningwiththequantitativeanalysisofpastfailuremodesofproductswiththesamestructure，carrydesignimprovementmeasuresonidentifiedweaklinks，andusethereliabilityenhancementtesttheresult.ThefinalresultshowsthatthroughDFMEAanalysis，whicheffectivelyimprovesthereliabilityoftheproduct.

KeyWords：Failuremodeeffectsanalysis;Reliability;Severity;Improvementmeasure

故障失效模式與影響分析（FailureModeandEffectsAnalysis，F(xiàn)MEA）[1]是一種用來評估系統(tǒng)、設(shè)計(jì)、過程或服務(wù)等所有可能會(huì)發(fā)生的故障。為確保裝備具備特定的質(zhì)量特性，需要在研制策劃階段確定裝備質(zhì)量特性集合，然后將質(zhì)量特性設(shè)計(jì)進(jìn)入裝備方案。為了將裝備質(zhì)量特性合成到方案中，需要與裝備研制過程緊密關(guān)聯(lián)，從研制過程中形成裝備質(zhì)量特性，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量特性維度、質(zhì)量特性要素到質(zhì)量特性屬性等不同層次的質(zhì)量需求的依次轉(zhuǎn)化，明確裝備質(zhì)量保證目標(biāo)。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造領(lǐng)域中，F(xiàn)MEA作為一種可靠性分析工具在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中得到了廣泛應(yīng)用，被稱為DFMEA。DFMEA分析與產(chǎn)品設(shè)計(jì)同步進(jìn)行，針對產(chǎn)品可能發(fā)生的故障模式、原因及其影響，按故障風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先順序，采取設(shè)計(jì)改進(jìn)措施或補(bǔ)償措施，并預(yù)測或跟蹤所采取措施的有效性，避免因設(shè)計(jì)缺陷導(dǎo)致的產(chǎn)品失效。DFMEA工作隨著產(chǎn)品研制進(jìn)展，應(yīng)不斷迭代、更新分析結(jié)果，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的薄弱環(huán)節(jié)并加以改進(jìn)，進(jìn)而提高產(chǎn)品的可靠性。

本文通過運(yùn)用“故障模式—故障原因—設(shè)計(jì)改進(jìn)措施”的DFMEA分析方法對某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油控制系統(tǒng)附件以功能實(shí)現(xiàn)為目標(biāo)，開展風(fēng)險(xiǎn)分析，制定可靠性設(shè)計(jì)改進(jìn)措施并貫徹落實(shí)，最終通過可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)驗(yàn)證的閉環(huán)管理，提供了一套完整的DFMEA分析實(shí)施流程為航空發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)改進(jìn)工作提供參考。

1DFMEA分析

1.1DFMEA分析時(shí)機(jī)

針對產(chǎn)品壽命周期各階段（論證與方案階段、工程研制與定型階段、生產(chǎn)階段、使用階段）不同特點(diǎn)，可采用不同的DFMEA分析方法，常見的有功能DFMEA、硬件DFMEA、軟件DFMEA等。DFMEA分析工作時(shí)機(jī)很重要，不同階段的研制產(chǎn)品開展DFMEA分析其意義是不同的，在論證與方案階段、工程研制階段的早期主要考慮產(chǎn)品的功能組成，而功能可按輸出的質(zhì)量特性分類，質(zhì)量特性可按一定的技術(shù)指標(biāo)來度量，將輸出的質(zhì)量特性一一列出，并對導(dǎo)致不能實(shí)現(xiàn)技術(shù)指標(biāo)的情況進(jìn)行分析，制定改進(jìn)或補(bǔ)償措施，確保產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)功能性能指標(biāo)；在工程研制與定型階段，旨在研究產(chǎn)品的缺陷與薄弱環(huán)節(jié)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)工藝薄弱環(huán)節(jié)并加以分析、改進(jìn)，提高加工過程的穩(wěn)定性和可操作性，進(jìn)而提升產(chǎn)品質(zhì)量。

如果在研制周期中開展DFMEA足夠早，則結(jié)合更改克服由DFMEA程序識(shí)別的缺陷，會(huì)取得更好的效費(fèi)比，因此，DFMEA是與設(shè)計(jì)過程同步反復(fù)迭代進(jìn)行的過程[2]。

2功能、硬件FMEA分析流程

首先應(yīng)明確約定層次的定義，即確定被分析對象，約定層次既可以按產(chǎn)品的功能層次關(guān)系定義，又可按產(chǎn)品的硬件結(jié)構(gòu)層次關(guān)系定義。當(dāng)選用硬件DFMEA方法時(shí)，應(yīng)針對產(chǎn)品的硬件結(jié)構(gòu)關(guān)系劃分約定層次。

DFMEA分析從產(chǎn)品最低約定層次的零組件逐項(xiàng)開展，分析故障模式對零組件所在約定層次、高一層次以及最終產(chǎn)品使用、功能、狀態(tài)可能的影響。在每一個(gè)任務(wù)剖面下，對參與實(shí)現(xiàn)功能的約定層次所有可能的故障進(jìn)行分析，分析根據(jù)系統(tǒng)定義中的功能描述、故障判據(jù)的要求，確定其所有可能的故障模式[3]，進(jìn)而對每個(gè)故障模式進(jìn)行分析從下至上按約定層次逐級(jí)開展分析，從最低約定層次開始，直至初始約定層次相鄰的下一個(gè)層次為止，從多維度查找可能導(dǎo)致故障的所有原因。

判斷每個(gè)故障模式的影響嚴(yán)重程度及發(fā)生概率等級(jí)，對已識(shí)別的每個(gè)故障模式的嚴(yán)酷度等級(jí)以及發(fā)生概率等級(jí)進(jìn)行定量分析，對照故障風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先序矩陣表確定故障模式風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)并排序，按已確定風(fēng)險(xiǎn)接受準(zhǔn)則，從“降低嚴(yán)酷度等級(jí)、減小發(fā)生概率”兩個(gè)維度，對故障模式在設(shè)計(jì)與使用方面采取措施，以消除或減輕故障影響，進(jìn)而提高產(chǎn)品的可靠性。

2.1DFMEA分析結(jié)果應(yīng)用

通過DFMEA分析結(jié)果，可識(shí)別產(chǎn)品的關(guān)鍵、重要特性，定量確定關(guān)鍵、重要零組件，發(fā)現(xiàn)和評價(jià)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中薄弱環(huán)節(jié)[4]，從設(shè)計(jì)、工藝、裝配、試驗(yàn)等方面開展工作，對風(fēng)險(xiǎn)實(shí)施動(dòng)態(tài)管控，確保產(chǎn)品具有較高的可靠性。

3功能DFMEA應(yīng)用實(shí)踐

本文所選某航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油控制系統(tǒng)附件處于工程研制階段初期，故選擇使用功能DFMEA開展案例分析。

3.1產(chǎn)品功能概述

某航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油泵的功能是向燃油調(diào)節(jié)器和伺服燃油加熱器提供大量的高壓燃油，齒輪泵是燃油泵的核心部件，齒輪泵殼體上裝有主油濾及其旁通活門，還裝有油濾壓差信號(hào)器，主油濾用于過濾進(jìn)入齒輪泵的燃油，當(dāng)主油濾前后壓差增大到規(guī)定值時(shí)，壓差信號(hào)器發(fā)出報(bào)警信號(hào)，當(dāng)主油濾堵塞時(shí)旁通活門打開，使燃油通過旁通活門向齒輪泵供油。為了限制齒輪間壓差過大，燃油泵裝有安全活門，當(dāng)齒輪泵后壓差超過安全活門極限值時(shí)，安全活門打開，燃油回到齒輪泵進(jìn)口，保證齒輪泵前后壓差不至于過高。該型燃油泵的主要失效模式是容積效率降低和不供油，常見故障原因有活門卡滯、超轉(zhuǎn)限制活門折斷、軸承偏磨等。

3.2繪制任務(wù)可靠性框圖

通過功能分析，定義初始約定層次為發(fā)動(dòng)機(jī)，其他約定層次為調(diào)節(jié)器附件，最低約定層次為零組件。在描述產(chǎn)品工作原理后，對產(chǎn)品在不同任務(wù)剖面下的主要原理和功能，繪制功能層次圖和結(jié)構(gòu)層次圖[5]，并根據(jù)產(chǎn)品功能和結(jié)構(gòu)層次圖，繪制任務(wù)可靠性框圖。

3.3燃油控制系統(tǒng)產(chǎn)品常見故障模式

一般可通過統(tǒng)計(jì)、試驗(yàn)、分析、預(yù)測等方法獲取產(chǎn)品的故障模式，對采用現(xiàn)有的產(chǎn)品，以該產(chǎn)品在過去的使用中發(fā)生的故障模式為基礎(chǔ)，再根據(jù)現(xiàn)使用條件的異同進(jìn)行分析修正，對采用新的產(chǎn)品，可根據(jù)產(chǎn)品功能和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行分析、預(yù)測，進(jìn)而得到該產(chǎn)品的故障模式，或以結(jié)構(gòu)、功能相似產(chǎn)品的故障模式為基礎(chǔ)，分析判斷其故障模式，燃油控制系統(tǒng)產(chǎn)品常見故障模式有漏油量超標(biāo)、活門卡滯、軸承咬死、汽蝕等。

3.4故障模式分析

通過同類型產(chǎn)品在外場（廠）的使用數(shù)據(jù)及以往發(fā)生的典型故障處置情況，總結(jié)故障模式并開展分析。

3.4.1活門卡滯

活門卡滯是由于活門組件在加工過程中，未能保證活門光潔銳邊，未嚴(yán)格控制加工工藝，將外來物引入活門組件，造成活門在使用過程中產(chǎn)生卡滯，影響附件性能?；铋T的卡滯是由于工藝、加工制造過程管理不嚴(yán)造成的，在以后的產(chǎn)品加工制造過程中，只要加強(qiáng)質(zhì)量控制就可避免類似情況的發(fā)生，因此，對活門不進(jìn)行可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)。

3.4.2超轉(zhuǎn)限制活門折斷

針對超轉(zhuǎn)限制活門設(shè)計(jì)要求基體材料為GH4169，工作臺(tái)階材料為Co-Cr-W合金，二者采用金基釬料焊接而成。由于Co-Cr-W合金和金基釬料為國內(nèi)新研材料，代用材料4Cr14Ni14W2Mo機(jī)械性能與Co-Cr-W合金存在較大差異，從而導(dǎo)致在外場發(fā)生折斷故障。對材料為Co-Cr-W合金的超轉(zhuǎn)限制活門進(jìn)行強(qiáng)化試驗(yàn)，以考核超轉(zhuǎn)限制活門組件的工作可靠性。

3.4.3軸承偏磨

首次試驗(yàn)時(shí)曾發(fā)生過軸承偏磨故障，同類產(chǎn)品外場（廠）使用過程中也發(fā)生過軸承偏磨的故障，原因是齒輪泵進(jìn)出口壓差過大引起，結(jié)合DFMEA分析結(jié)果有必要對軸承進(jìn)行可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)，驗(yàn)證出口壓力對軸承偏磨的影響。

3.5填寫DFMEA表

典型的失效起因可能包括但不限于材料選擇不當(dāng)、設(shè)計(jì)壽命估計(jì)不足、盈利過大、潤滑不足等，應(yīng)在盡可能廣的范圍內(nèi)，列出每個(gè)失效模式所有可以想到的失效起因和/或機(jī)理，填寫DFMEA表。

3.6風(fēng)險(xiǎn)處置

綜合評定分值為1～5分為不可接受故障，應(yīng)采取最小風(fēng)險(xiǎn)設(shè)計(jì)，消除或減小風(fēng)險(xiǎn)至可接受水平，并進(jìn)入措施跟蹤系統(tǒng)；6～9分為不合要求故障，應(yīng)采取安全裝置或報(bào)警裝置，并進(jìn)入措施跟蹤系統(tǒng)；10～17分為經(jīng)用戶評價(jià)同意后可接受的故障，應(yīng)在使用維護(hù)規(guī)程中說明，對使用、操作人員進(jìn)行培訓(xùn)，措施不進(jìn)入措施跟蹤系統(tǒng)；18～20分為不需用戶評價(jià)可接受的故障，通過改進(jìn)設(shè)計(jì)可消除，措施不進(jìn)入措施跟蹤系統(tǒng)。所有故障模式均采取了設(shè)計(jì)改進(jìn)措施，并按故障接受準(zhǔn)則，對綜合評定分值為10分的軸承偏磨故障，完成了軸承涂覆材料、涂覆工藝、優(yōu)化內(nèi)部流道的專項(xiàng)攻關(guān)措施。

3.7可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)

產(chǎn)品級(jí)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)齒輪泵軸承偏磨故障，分析后認(rèn)為，故障原因是齒輪泵進(jìn)出口壓差過大引起，但軸承的潤滑、降溫都需要齒輪泵有一定的出口壓力才能建立油膜，若泵出口壓力過低，就會(huì)影響軸承的潤滑和降溫效果。通過開展可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)，積累壓力對齒輪泵工作性能的影響數(shù)據(jù)，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)改進(jìn)措施的有效性。

根據(jù)環(huán)境條件和試驗(yàn)器條件，選定超低壓與超高壓兩個(gè)工作階段的11個(gè)工作點(diǎn)，共計(jì)完成9h的泵后出口壓力試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中產(chǎn)品工作正常，試后性能良好，分解后未發(fā)現(xiàn)軸承組件嚴(yán)重磨損及汽蝕，證明設(shè)計(jì)改進(jìn)措施有效提升了產(chǎn)品可靠性。

4結(jié)語

本文對某航空發(fā)動(dòng)機(jī)齒輪泵附件產(chǎn)品開展功能FMEA分析，通過“故障模式—故障原因—設(shè)計(jì)措施”的方法運(yùn)用FMEA提出設(shè)計(jì)改進(jìn)措施，到可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)驗(yàn)證，證實(shí)了FMEA對提高產(chǎn)品可靠性有促進(jìn)作用。通過FMEA分析綜合評定結(jié)果，識(shí)別對產(chǎn)品功能實(shí)現(xiàn)影響大的零組件，作為確定關(guān)鍵、重要特性的重要依據(jù)。

故障模式是規(guī)范FMEA分析的基礎(chǔ)，應(yīng)盡可能收集產(chǎn)品壽命周期內(nèi)的故障信息，總結(jié)、提煉故障模式，不斷豐富故障模式數(shù)據(jù)庫，以提高分析結(jié)果準(zhǔn)確率。

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