FMEA及其改进方案

【导读】
功能退化在一个工业系统的整个使用寿命中是同有的,为保证系统的结构完整性,常用故障模式及影响分析(FMEA)对系统进行风险分析。在进行风险分析时,传统FMEA的主要任务是确定失效模式的
故障模式及影响分析(FMEA)能够明确地表示出局部的故障对系统的影响,从而进行风险分析,确定对发生故障的部位:FMEA法不仅用于产品设计、制造、可靠性设计等方面,而且还可以把设计和质量管理、可靠性管理等活动有机连接起来。因此,其对系统的风险评价是非常有利的,是近年来理论研究的热点:然而,FMEA法也有其自身的局限性:本文介绍了FMEA在应用时的一些不足之处,总结了近年来人们对FMEA方法的改进,并进一步指出了FMEA的发展方向。

1引言
故障模式及影响分析(FMEA)是一种用来确定潜在失效模式及其原因的分析方法,是一种事先预防的方法。FMEA起源于上世纪50年代的美国,FMEA在80年代也引入我国,在随后的发展中,FMEA已经广泛用于航空航天、核工业以及汽车、机械、电子、舰船等领域。FMEA作为一种可靠性分析、安全性评估的方法已经远远超出了其原来的范畴,正在发展成为具有方法论意义的现代风险管理理论,对FMEA的研究也越来越重要。
 
   
国内外对FMEA的应用研究涉及到方方面面。Hamid Reza Feili等人采用FMEA对地热发电厂进行了风险分析,利用xFMEA软件对地热发电厂的5个主要组成部分的可能失效模式进行分析,并提出了相应的建议和措施来增加系统的可靠性。A.Mariaiayaprakash等人对热电联产制糖工业系统中的锅炉进行了失效模式及影响分析,并结合田口方法(Taguchi method)提出了一些合理化建议。
 
   
功能退化在一个工业系统的整个使用寿命中是同有的,为保证系统的结构完整性,常用故障模式及影响分析(FMEA)对系统进行风险分析。在进行风险分析时,传统FMEA的主要任务是确定失效模式的风险优先数(RPN),RPN由故障发生时的严重度S、发生频率O和可探测度D这三个风险因子决定,即RPN=O×S×D,RPN的数值越高,其风险越大。
 
   
风险因子的数值由熟悉系统的设计和操作的专家团队根据经验确定,这也就使传统的FMEA存在着一些不足之处。首先,传统FMEA对风险优先数的计算存在缺陷。因为三个风险因子赋值不同,可能得到相同的结果,使得风险等级排序一样,这样对系统的失效风险就很难界定。其次,忽略了对三个风险因子相对重要度的探讨。再次,由于语言的不确定性和认为的主观性,很难对专家的经验和知识做出准确的描述和判断。
 
   
从另一方面来说,FMEA缺乏逻辑性,只能探讨单一的失效模式,难以分析各个失效模式之间的影响,若是各个失效模式相互作用,分析起来就比较困难。基于对上述FMEA方法不足之处的认识,国内外众多学者对其进行了改进,现对其中一些主要的方法做一下简要介绍。
 

2 FMEA方法的改进
2.1 FMEA与模糊数学
FMEA中风险因子的数值南熟悉系统的设计和操作的专家团队根据经验确定,专家经验的不足及资料的不完善会影响评价结果的准确性,据此,在FMEA中引入了模糊推理系统。国内外对模糊FMEA的研究颇多。Chian Haur Jong等人应用模糊故障模式及影响分析对可食用鸟巢的加工流程进行了风险评价,以改善生产过程,确保产品质量。Mesut Kumru等人在对公立医院的采购流程进行风险分析时,融入了模糊逻辑法,有效地发现了潜在的失效模式和效应,提高了采购的效率。
 
   
为了有效控制海底管道建造期间的质量风险,采用了基于模糊理论的FMEA法分析海底管道在建造期间众多的质量风险因素,据此提出了海底管道质量风险控制的关键因素。程敏等人也采用基于模糊推理系统改进的FMEA方法,对长距离输水管线顶管施工中的关键风险进行了分析,并计算了各因素的风险优先数。
 
   
模糊推理系统是将模糊集理论和推理方法相结合,对问题进行不确定性分析,主要由模糊化、模糊规则、模糊推理方法及去模糊化四部分组成。模糊FMEA进行风险分析的主要步骤为:

   (1)进行风险识别,确定故障模式及故障机理;

   (2)用模糊语言定义O、S、D及风险等级,确定模糊隶属度,由专家制定模糊规则,通过分析故障原因及影响,得到0、S、D的统计表;

   (3)用模糊推理的方法,依据模糊规则,将模糊语言转换成模糊数,计算出风险优先数RPN;

   (4)进行去模糊化处理,得到RPN的准确值并排序,列出高风险清单。
 
   
虽然模糊FMEA在评价过程中有效地解决了专家经验及资料不足的影响,但模糊数学本身固有的缺点也给评价带来了一些新的不足。在进行去模糊化处理,对风险等级排序的过程中,即使在隶属度甬数重叠的情况下也显得有些任意和武断。
 
   
Saptarshi Mandal等人有鉴于此,提出了一种新的方法,将模糊数的相似度和可能性理论进行整合。相似度理论用于将有相似风险值的失效模式进行分组,可能性理论则用于检查一致性准则。这种方法在本质上更加健全,因为在对失效风险进行优化时,它不需要用类似去模糊化这样的任意的武断的处理过程。
 
   
在模糊FMEA方法应用实践过程中,出现了许多与其他方法结合的新方法。刘胧等人就将其与灰色关联理论相结合,对模糊FMEA作了一些改进。在进行去模糊化处理后,不直接对风险等级排序,而是应用灰色关联决策的方法确定各故障模式的风险排序。孙宝琛等人则FMEA中加入了模糊Pet一网推理过程,建立了装备保障过程诊断模型,实现了推理的自动化,提高了过程诊断的效率。
 

2.2 FMEA与数据包络
无论是在FMEA中引入模糊推理系统,还是灰色关联理论,也不可避免其对专家的依赖,这样在评价过程中就增加了人的主观因素。数据包络分析法(DEA)是70年代末兴起的一种风险分析与管理工具,用于对多投人多产出的不同决策单元的效率进行评估。DEA的基本思想是将每一个被评价的单元作为一个决策单元,再通过投人和产出的比率进行综合分析,以决策单元的各个投人和产出指标的权重为变量进行评价。
 
   
DEA分析方法不需要预先估计参数,也无须对数据进行量纲化处理,指标的权重直接由数学规划根据数据产生,因此避免了人为主观因素的干扰。而事前设定权重的方法,如专家评分法,容易受到人为主观因素的影响。在计算方面,DEA能简化运算、减少误差,因而在各学科领域得到了广泛应用。
 
   
国外对DEA风险分析的研究由来已久,如今已日趋成熟。T.A.Netto等人对深水柔性立管进行FMEA风险分析时,发现在不同操作环境下,相同材料和大小的两个立管风险等级也相同,但这显然不符合实际情况。为此引入了数据包络分析法,通过对柔性立管不同的失效模式及机理建立DEA分析模型,对柔性立管的风险等级进行了优化。
 
   
Theodaros Skevas等人则关注了农药的使用对环境的溢出效应,明确考虑了农药及其他投入对生产的影响,利用DEA法分析了荷兰2003—2007年的耕地农场的性能,发现农药的滥用导致的环境溢出效应明显。
 
   
国内对DEA的研究起步较晚,但发展较快。陈传海等人在对数控机床进行FMEA分析中,提出了基于模糊DEA的风险求解模型,以消除人的主观因素的影响。刘艳等人运用DEA法,考虑了输出权重的限制问题,建立了DEA评价模型,对地铁车站拥挤踩踏事故进行了风险评价。
 
   
用DEA模型进行故障模式及失效分析的主要步骤为:
   (1)进行风险识别,找出系统的失效模式及其可能的失效机理;

   (2)建立数学模型确定每一失效机理的主观和客观权重,分别作为输入和输出指标体系;

   (3)选择DEA模型,进行DEA评价分析;

   (4)调整输入和输出指标体系,再次进行分析,确定失效风险等级。
 
   
数据包络分析的优点在于避免了人的主观因素的干扰,但由于在进行分析时需选择DEA模型,而早期的模型(CCR)即线性规划模型产生的最优前沿面是线性的,导致其存在不足之处,因为有时的需求的非线性的。另外,DEA将指标分为输入和输出两大类,而有时需要分析中间指标,这样DEA就不能体现出中间指标的影响。
 
   
近年来,人们提出了许多不同的DEA分析模型,对其原有的CCR模型进行改进。应用比较广泛的有BCC模型、C:S:模型及C:WY模型。今后DEA的发展还将与模糊、灰色理论、神经网络等融合。
 

2.3 FMEA与其他方法的结合
由于FMEA的应用范围广泛,各行各业都对FMEA进行了分析及改进。在汽车工业中,应用最多的就是QFD与FMEA的结合。QFD称为质量功能展开。在产品设计开发过程中,QFD从用户需求出发,对所有的质量特性从“如何实现”的角度分析,能够保证从产品的整体上把握重点,保证产品研制方向的正确性。
 
   
FMEA从故障的角度分析问题,对部分质量特性从“如何防止不能实现”的角度分析,保证产品的可靠性。将QFD分析应用到FMEA中,QFD提供给FMEA信息,而FMEA将反馈给QFD信息,这样避免了FMEA对失效模式头脑风暴的分析过程,简化了流程。
 
   
BFA(Bouncing Failure Analysis)是一种新的失效分析方法,它结合了两种广泛应用的传统方法,FMEA和FTA,是一种在FMEA自上而下分析和FMEA自下而上分析的方法。它同时可以参考失效分析树状图和失效模式表格,在分析的方向和上下的先后顺序上更为自由和方便,同时可在系统的任何点进行分析。
 
   
BFA在FMEA和FMEA的基础上建立而成,并且使FMEA有效地扩展了。BFA意味着FMEA表格化分析方法和FTA图形化的分析方法的结合,但因为它是建立在FMEA和FTA基础之上的,所以其性能必受FMEA和FMEA的影响。
 
   
在查阅大量文献的基础上,发现人们对FMEA的改进还有很多,比如与层次分析法(AHP)的结合,与GIS系统的结合等等,这些改进的方法都只是将两种方法进行简单的组合,但没有从根本上FMEA方法进行改进,FMEA方法的缺陷依然存在。
 

3总结
故障模式及影响分析法是安全系统工程中的重要方法,它能够识别出导致系统故障的机理,从而达到事先预防的目的。FMEA是一种定性的分析方法,在进行分析时需要专家进行类似HAZOP分析的头脑风暴式的讨论,虽然较HAZOP分析简单,但依然有些繁琐。
 
   
在专家进行分析时,遇到模糊性问题则不易进行计算,因而实际应用的范围和精确度受到很大的限制。针对这一问题,人们引入了模糊FMEA的分析方法,即先将专家的语言进行模糊化,然后再进行定性、定量分析。但其在语言值转化为模糊数的途径、模糊数的选取、专家权重因子的确定及模糊重要度计算方面仍存在缺陷,没有一种统一且误差较小的方法来进行计算。此外,模糊FMEA受主观因素的影响较大。
 
   
为消除人的主观因素的影响,人们采用了数据包络分析法(DEA)对传统的FMEA进行改进。但早期的DEA法非线性问题及中间指标问题依然存在缺陷,今后人们对以DEA为基础的FMEA的改进应更注重对DEA自身缺陷的研究。
 
   
模糊FMEA和数据包络FMEA都对传统的FMEA作了改进,但依然避免不了新引入方法本身固有的缺陷。相信随着科学的发展,更多工具和方法的综合集成将为FMEA提供新的理论支持,比如模糊数学、灰色理论、神经网络等,FMEA的应用和潜力必将得到深入而广泛的扩展。

 

  • 2019-11-04 10:16
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