FMEA失效模式分析及其应用

【导读】
对电力设备,安全稳定重于泰山。对于真空断路器进行可能的失效模式分析,是实现断路器安全可靠稳定的重要方法。在真空断路器的设计、制造、运输、使用、维护等产品寿命周期的
摘要:对电力设备,安全稳定重于泰山。对于真空断路器进行可能的失效模式分析,是实现断路器安全可靠稳定的重要方法。在真空断路器的设计、制造、运输、使用、维护等产品寿命周期的各个阶段,采用一种新的FMEA失效模式分析方法,极大地提高了产品的质量和产品可靠性。本文介绍了这种实用的FMEA失效模式分析方法和设计理念,并将该FMEA失效模式分析方法应用于一个实例。

 0 引言
    FMEA失效模式分析是一种可靠性设计的重要方法。它对各种可能的风险进行评价、分析,以便在现有技术的基础上消除这些风险或将这些风险减小到可接受的水平。它是一个“事前的预防行为”,而不是“事后的补救行为”。
 
    由于不断追求产品质量是一个企业不可推卸的责任,所以应用FMEA技术来识别并消除潜在隐患有着举足轻重的作用,全面实施FMEA能够避免许多质量事件的发生。由于产品故障可能与设计、制造过程、使用以及服务有关,因此FMEA又细分为设计FMEA、过程FMEA、使用FMEA和服务FMEA四类。其中设计FMEA和过程FMEA最为常用。




 
1 FMEA失效模式分析方法
    根据FMEA失效模式分析的实际操作步骤,可以将FMEA分为5步实施,分别为:①确定分析范围和团队成员;②找出产品/过程中潜在的故障模式;③根据相应的评价体系对找出的潜在故障模式进行风险量化评估;④寻找预防或改进措施;⑤改进后的二次风险量化评估。
 
    设计FMEA(记为DFMEA)应在一个设计概念形成之时或之前开始,DFMEA关注产品零件功能的失效,它从产品设计初期预防了产品自身功能可能的失效,建立了一套改进设计和完善产品的优先控制系统。
 
    过程FMEA(也记为PFMEA)应在生产工装准备之前、在过程可行性分析阶段开始,而且要考虑从单个零件到总成的所有制造装配过程。PFMEA关注产品在装配过程中可能的失效,它从工艺装配实施过程中预防了产品可能的失效,以便最大限度地保证产品满足用户的要求和期望。
 
    实施FMEA流程,可以带来如下收益:
    ①预防计划;

    ②降低成本;

    ③减少浪费,能够容易、低成本地对产品或过程进行修改;

    ④降低保证成本;

    ⑤降低无增值操作;

    ⑥提高产品质爸和可靠性。
 
    1)确定分析范围和团队成员
    在进行FMEA之前,先应该确定FMEA的分析范围和目标。一个清晰的范围,可以有效节约后期时间。FMEA失效模式分析的目的在于找出零件、组件、系统、工艺过程的潜在问题或弱点,提供设计、制造、质量等单位提前采取可行之对策。
 
    FMEA是一个大家智慧的结晶,它强调从不同的角度全面分析产品可能的失效模式,因此确定项目组成员是成功的关键。项目组成员可以包含设计、工艺、装配、制造、材料、采购、质量、包装、服务等。这里的关键在于确定合理全面的团队成员。
 
    2)找出产品/过程中潜在的故障模式
    对于所有的工业产品,找出产品的所有可能的失效故障或产品弱点,是产品分析的基础。其方法可以采用头脑风暴法,尽可能找出影响产品的风险要素。
 
    失效意味着:在规定条件下(环境、操作、时间)不能完成既定功能;在规定条件下,产品参数值不能维持在规定的上下限之间;产品在工作范围内,导致零组件的破裂、断裂、卡死等损坏现象。
 
    3)根据相应的评价体系对找出的潜在故障模式进行风险里化评估
    为了更好地操作和应用FMEA,设计了专用的FMEA模版,以便于进行风险量化评估。为了便于评估风险大小,可以建立风险指数IPR:
    IPR=SEV×OCC×DET
    =严重性×频度×探测度

    ·严重度(S)
    严重度是潜在失效模式发生时对下序零件、产品、系统或顾客影响后果的严重程度。严重度适用于后果,严重度的评估分为1到10级。

    ·频度(0)
    频度是指某一特定失效出现的可能性。频度的评估分为1到10级,

    ·探测度(D)
    探侧度是指某一特定失效被识别的可能性。探测度的评估分为1到10级。
 
    IPR是一项产品风险指数,用来衡量可能的产品缺陷,以便采取可能的预防措施,IPR取值在1至1000之间。当IPR较高时,团队应提出纠正措施来降低IPR值。
 
    4)寻找预防或改进措施
    当失效模式按照IPR值排列出其风险顺序时,针对高风险项和关键项提出纠正措施。
    任何纠正措施的目的都是降低频次、严重度和/或探测度的等级。增加设计验证或质量控制,可降低探测度的等级。透过设计变更去除或控制某一或多个影响失效模式的起因/机理,只能降低频次数的等级,只有设计变更能降低严重度等级。可以考虑以下措施,但不仅限于此:设计验证;设计更改;工艺更改;质量控制;零件质量控制;增加防错、检错的流程等方法。
 
    5)改进后的二次风险量化评估
    改进措施有效实施后,相应项的高风险已经降低和控制。但受控的风险能否满足产品和客户的需求,则需要再次进行失效模式风险IPR评估。




 
2 FMEA失效模式分析的应用实例
    结合我公司高压真空断路器产品的生产装配过程,举例说明FMEA失效模式在VS1-12P高压真空断路器的工艺装配过程的应用,即PFMEA的应用。见图1所示。
 
图1 VS1-12P高压真空断路器外形图
 
    VS1-12P高压真空断路器总体结构采用操动机构和固封极柱前后布置的型式,主导电回路为三相落地式结构。固封极柱是将真空灭弧室和一次导电回路零件同时嵌人到环氧树脂固体绝缘材料中形成的。断路器采用弹簧操动机构,机构箱被分隔为5个装配空间。
 
    1)确定分析范围和团队成员
    本例中,以PFMEA为重点,基于产品的工艺路线图,开始PFMEA的工作。PFMEA分析范围为VS1-12P高压真空断路器的整个配料、生产、包装、发运环节。重点如下:

    ①配料过程:分析物料的上料、配料、取料的环节可能引起的零件失效。

    ②生产过程:分析生产的每一个工位操作流程、可能的装配质量不合格。

    ③包装发运:分析断路器在包装、发运途中可能引起的断路器成品的失效。
 
    团队成员:在整个FMEA环节中,该产品的FMEA成员包括:设计、工程、质量、工业化、生产、物流的工程师。
 
    2)找出产品/过程中潜在的故障模式
    在工业生产过程中,企业投入的生产要素有5大类:人、机、料、法、环。
    任何的失效,究其原因都是其中的一项或几项要素的不良,最后导致输出的结果为失效。探索FMEA的因果模型总结见图2所示。
 
图2 FMEA的因果模型
 
    按图2中的因果模型,结合真空断路器产品,例如:若出现断路器触臂螺母松动,就会导致触臂的接触电阻增大,断路器的发热超标和功能失效。此为原因→模式→结果的过程。同理,若发现断路器发热超标→可以推断断路器的电阻超标→仔细检测,最终发现螺母松动→人员在安装时力拒不够。此失效的改进措施为用力拒扳手安装,确保力拒要求和产品的一致性。
 
    本例中,在产品制造及交付到客户的整个过程中:
    ①上料过程:对产品配料中的426种零件进行了配料过程的失效方式分析。在配料过程中的失效,主要为:上错料;相似物料的混料;物料的损坏或错位。

    ②生产过程:根据工艺流程图,整个断路器装配过程需要流过26个操作工位,147个操作步骤。在该产品中,我们对每个操作步骤可能引起的失效进行了记录。

    ③包装发运:分析断路器在包装、发运途中的可能引起的断路器成品的失效。此产品中,我们对包装中的吊装、打包、叉车运输、发货过程中的可能失效进行了记录。
 
    3)根据相应的评价体系对找出的潜在故障模式进行风险量化评估
    风险量化评估中,引人了3个重要因素,即为:失效引起的严重程度(Severity );失效发生的频率数(Occourence);当前流程下的可探测数(Detec-tion)。

    风险指数IPR即为:严重度数(Severity);频率数(Occourence);可探测数(Detection)的乘积。即为:IPR=(S)×(O)×(D)。

    为了对每项因素进行科学的评估,我们建立了统一的评估标准,见表1。
表1FMEA失效模式分析的评估标准
 
 
    基于统一的FMEA评估标准,并应用统一的FMEA模版(见表3),IPR风险指数按照统一的公式进行统计。此数字确定优先级,并根据此判定项目是否需要制定附加的质量计划或降低风险的计划。IPR为FMEA提供了采取行动的依据。 女表3 FMEA模版 
 
 
    在充分理解该表的基础上,按照风险评估的打分标准进行打分,随后在IPR列生成(S)×(0)×(D)的乘积,当IPR>100时,应考虑采取一定的措施降低风险,来减少风险等级。

    4)寻找预防或改进措施
    基于统一的标准,对每项风险进行了计算评估,然后对风险高的项目采取改进措施。风险减少措施可以通过降低三要素中的一个或几个,只要能保证减少整体风险即可。
表4 FMEA失效模式及影响分析
 
 
    结合VSI-12P高压真空断路器的实际装配流程,以序号120项FMEA失效模式分析为例:在产品验证或运行过程中,当发现挡圈脱落,这是缺陷模式,这个潜在缺陷可能导致合闸失效(结果)。探索失效的原因,分析为:轴槽未加工到位(原因)。此步的质量控制措施:目视检查(目前的控制手段)。

    综合评估分险指数IPR=252。此项为高分险项目,为了产品质量及稳定的产品性能,必须采取相应的纠正措施:①统一卡槽尺寸并修改图纸;②验证修改后的卡槽尺寸;③供应商按照新图纸加工。确保完成这些改进措施后,再次评估此项的分险指数IPR,改进后的分险指数下降为IPR=36,评估可以接受。
 
    当然,通过加强产品的检测手段,使产品的缺陷易于被检测,或者很容易在工厂装配阶段被发现,使产品的风险被有效控制,这也是其中的改善措施,通常使用的质量控制措施有:SPC、检验、监控、培训、预防性维护、防错设计(Poka-Yoke)等。
 
    5)改进后的二次风险量化评估
对于风险高的项目采取改进措施后,该项目的风险得到一定的控制和下降,是否可以接受,必须进行二次风险量化评估。




 
3 结语
    电力设备安全运行重于泰山。对电力设备进行FMEA的失效模式分析,是一项全面的评估产品可靠性的工作。在新产品的设计、新流程的引人过程中,采用FMEA的失效模式分析,可以最大限度降低产品缺陷,强化顾客满意程度,对提高产品质量,提高产品的可靠性大有益处。同时将FMEA失效模式分析方法与大家共享,希望对今后的工作有所启示。
 
 

  • 2019-08-12 10:49
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