航天产品FMEA工作有效性的思考

刘志全 宫 颖

(北京空间飞行器总体设计部,北京 100094)

1 引言

故障模式与影响分析(Failure Mode and Effect Analysis,FM EA),是一种可靠性分析方法,被广泛应用于国内外航天产品的研制过程中。分析的目的在于找出产品的薄弱环节,并针对薄弱环节采取相关的预防、改进或补偿措施,以提高产品的可靠性。目前,国内很多航天产品开展了FMEA 工作,但有些航天产品FM EA 工作的有效性不容乐观。本文针对开展FMEA 工作有效性进行探讨,分析当前航天产品FM EA 工作中存在的问题并提出相应的解决途径, 旨在纠正FM EA 工作中的偏差, 提高FM EA 工作的有效性。

2 航天产品FM EA 工作的有效性

FMEA 最主要的要求是将产品的故障模式、故障原因、故障影响程度、预防或控制措施、补救或补偿措施全面而清楚地分析出来,从中检索出产品的薄弱环节及其对应的措施。评价FMEA 工作的有效性,最主要就是看FM EA 工作是否达到全面正确识别产品薄弱环节、对薄弱环节采取有效措施这样的目的。如果满足了上述要求并达到了上述目的,那么所开展的FM EA 工作就有效,反之亦然。

为了保证FM EA 工作的有效性, 就需要把握FMEA 工作开展的及时性和规范性、识别故障模式及其原因的全面性、表述故障模式及其原因和影响的正确性、采取措施的针对性和可操作性等。

1)FM EA 工作开展的及时性和规范性分别指FMEA 工作与设计的同步性及与标准规范要求的符合性。应当在进行产品设计的同时,按标准规范要求进行FM EA,以便及时发现设计薄弱环节并采取措施,进而落实在设计中。开展FM EA 工作是一个持续改进、反复迭代的过程。就规范性而言,国家军用标准GJB/Z 1391-2006 明确指出[1],FMEA 的约定层次划分为“初始约定层次”、“约定层次”和“最低约定层次”。“初始约定层次”是最高层次,它是FMEA 中最终影响的对象;“最低约定层次”是约定层次中最底层产品所在的层次,它决定了FM EA 工作的深入、细致程度。开展FM EA,首先应当按照标准规范的要求,对约定层次划分进行明确定义。此外, 标准GJB/Z 1391-2006 和QJ 3050-98 中对“严酷度等级”都作了定义[1-2],“严酷度等级”是根据“最终影响”的内容而确定的。“最终影响”的内容应当与“严酷度等级”相对应。开展FMEA 工作不仅仅是填写FM EA 工作表,最后还应当检索出产品Ⅰ、Ⅱ类故障模式清单。总而言之,需要遵照标准规范的要求规范地开展FMEA。

2)识别故障模式及其原因的全面性,就是指在识别产品可能的故障模式及其原因时的全面程度(或不发生遗漏项目的程度)。实事上,全面识别产品故障模式及其原因,与产品设计者对产品技术的掌握程度(知识和经验)有关。对产品技术掌握较好的产品设计者,容易做到全面识别产品故障模式及其原因,而对产品技术掌握较差的产品设计者就有可能疏漏一些内容。

3)表述故障模式及其原因和影响的正确性,是指在填写FMEA 工作表时,对故障模式及其原因和影响表达的清楚和具体程度。正确表述故障模式及其原因和影响是保证和提高FM EA 工作有效性的基础。产品设计者应当清楚、具体、正确地表述故障模式、故障原因和故障影响,尽可能避免采用类似“……故障”、“……失效”这样笼统的描述方式,来描述故障模式和故障原因,也不能采用“故障原因+故障模式”的复合式方式来描述故障模式,更不能采用“故障模式1 或故障模式2”的并列方式来描述一个故障模式。应杜绝用划“√”符号或空白的方式来表达故障影响。

4)采取措施的针对性和可操作性是指在填写FM EA 工作表时,所填写的预防措施相对于故障原因的针对性和可操作性、所填写补偿措施相对故障影响的针对性和可操作性。采取有针对性的、可操作的措施是体现FM EA 工作有效性的重要方面。应尽可能避免采用无针对性的、口号化的措施。

3 当前航天产品FM EA 工作中存在的问题及原因分析

3.1 存在的问题

目前,国内很多航天产品开展了FM EA 工作,并取得了一定的成效。但有些航天产品FM EA 工作的有效性没有充分实现。问题突出地表现在如下五个方面。

1)开展FMEA 工作的及时性和规范性方面的问题

有的FMEA 工作在设计阶段并没有开展,而到了设计完成之后再补做FM EA, 没有落实“FMEA与设计同步开展”的原则。从某种意义上讲,就是错过了在设计阶段及时发现设计薄弱环节并改进设计的机会。设计工作与FM EA 的脱节削弱了FMEA的有效性。

也有委托其他可靠性专业人员来代替产品设计者进行FM EA 的现象。应当指出,其他可靠性专业人员可以协助产品设计者开展FM EA,但是绝不能代替。FMEA 工作的主体应当是产品设计者。非产品设计者不可能全面了解产品,当然也就谈不上全面识别出产品的薄弱环节。所以,代替产品设计者进行FM EA,不符合“谁设计谁负责FM EA”的原则,严重降低了FM EA 工作的有效性。

开展FMEA 工作规范性问题的表现之一是,进行FM EA 时,没有定义约定层次或约定层次定义不明确。若对产品约定层次不作定义或定义不清,势必导致初始约定层次、约定层次、最低约定层次不清,在同一份FM EA 工作表内,层次级别混乱。例如,在某个天线产品FMEA 的报告中,产品设计者把“XX 天线”填入了“产品或功能标志”栏目中(正确的做法应当是将XX 天线的下一层次的内容列入“产品或功能标志”栏中)。

开展FM EA 工作规范性问题的另一表现是,FMEA 报告的“最终影响”栏目里所填写的内容与“严酷度等级”不对应。有些最终影响若按标准中严酷度等级定义去判断,连“Ⅱ”类都达不到,而事实上在FMEA 报告中却被错误地填写成“Ⅰ”类。当然,还有相反的情况:故障最终影响本身很严重,而严酷度等级却被定得很低。如此识别出来的薄弱环节(如Ⅰ、Ⅱ类故障模式清单)不能够真实反映产品的实际状态。

填写完FMEA 工作表后没有给出薄弱环节及其控制措施的清单,也是开展FM EA 工作规范性问题的表现之一。在一些FM EA 报告中,经常会看到仅有一张FM EA 工作表而没有分析输出结果的现象。没有分析结果的分析其效果将大打折扣。

2)识别故障模式及其原因的全面性方面的问题

有些产品设计者在开展FM EA 时,没有按照产品的功能及系统组成,来识别产品的薄弱环节,而是按照行政单位界限来识别产品的薄弱环节,结果丢掉若干个产品系统组成中本应识别到的故障模式和故障原因。例如,某电机驱动展开机构,它由控制器、驱动电机、机械部件等部分组成。其中,控制器由外协单位负责研制。该展开机构设计者进行FMEA 时,没有涉及控制器的任何故障模式和故障原因,这样就不能全面识别展开机构的故障模式和故障原因,在一定程度上存在着“技术死角”。

对于有冗余设计的产品,一些产品设计者只分析了单一故障的情况,而忽略了整个冗余系统都出现故障(如共因共模故障)的情况, 这样就会在FMEA 中遗漏一定的、甚至是重要的故障模式,也就会因为对产品故障模式不能全面识别和控制而给系统带来较大的风险。

此外,一个故障模式可能对应若干个故障原因,但有些FMEA 没有全面列出故障原因,因而也就自然缺失了一些与故障原因相对应的预防措施。例如,某FM EA 对微放电故障的原因关注了导线搭接或金属碎屑,而遗漏了“间隙过小”这一微放电故障的可能原因。

3)分系统和系统FM EA 效果方面的问题

一般情况下,系统由若干个分系统组成,分系统由若干个设备组成。目前,存在分系统和系统级FM EA,简单汇总下级产品FM EA 结果的现象。有的分系统FM EA,仅仅把分系统所属的各设备的FM EA 进行简单汇总;有的系统FMEA,仅仅把系统所属的各分系统的FM EA 进行简单汇总。这样就不能很好地去识别分系统层面上或系统层面上的薄弱环节, 特别是因设备间的接口(对于分系统FM EA)或分系统间的接口(对于系统FM EA)而产生的薄弱环节,从而使分系统或系统级FMEA 的有效性大打折扣。

4)表述故障模式及其原因和影响的正确性方面的问题

在一些FM EA 报告中经常出现故障模式及其原因表达不清楚、不具体的现象。例如,“微动开关失效”到底是什么形式的失效并不清楚;也有采用“故障原因+故障模式”的复合方式来错误描述故障模式(如“因多余物而导致轴承卡死”);还有采用“故障模式1 或故障模式2”的并列方式来错误描述一个故障模式(例如:“主轴断裂或主轴塑性变形”),其实,“主轴断裂”和“主轴塑性变形”是两个不同的故障模式,而不应当写在同一个“故障模式”栏目中。再比如,在“机构卡死”这一故障模式的“故障原因”栏目中填写“减速器失效”,并不能将机构卡死的真正原因表达清楚。将“器件损坏”表述为“显示器不工作”这一故障模式的故障原因是难以将“显示器不工作”的真正原因表达清楚的(因为一个显示器有多个器件,简单地填写“器件损坏”而没有说明“哪个器件损坏”是表达不清的),即使发现了“显示器不工作”这一薄弱环节,也无法针对故障原因采取相应的预防措施。

有些FMEA 报告的“故障影响”栏目出现符号“√”或空白,报告作者以此来表达有无影响,而没有表述故障影响的具体内容,还有的FM EA “故障影响”栏目中出现“无影响”。而事实上,出现的故障必定会使产品的可靠性降低,不会无影响。

5)采取措施的针对性和可操作性方面的问题

有些FM EA 的“防止措施”或“预防措施”与“故障原因”不对应,没有针对性。“补救措施”或“补偿措施”与“故障影响”不对应,也没有针对性。在一些FM EA 报告中,经常会看到诸如“加强计算分析”、“严格生产过程控制”、“严格产品验收把关”这类具有口号性质的措施。这种口号化而没有操作性的控制措施,很难反映在具体的设计或工艺文件中,对于完善设计或工艺(即在设计图样或技术要求或工艺文件中落实有关控制措施)毫无意义。还有一些FMEA 报告,在“防止措施”或“预防措施”栏目填写“无”或者空白。既然找到了故障发生的可能原因,而又不采取相应的措施加以预防, 那么所进行的FMEA 就是无效的工作。

3.2 原因分析

出现上述问题的原因主要有如下三个方面:

1)FMEA 的标准体系不完善

关于FM EA 的现行有效标准有多个,有的标准自身有不完善之处,某些要求不够明确、可操作性差,亟待修订完善;标准与标准之间的术语、工作表格形式等要求也不尽相同,这是导致开展FM EA 工作规范性差的原因之一。例如,同为航天行业标准的QJ 3050-98 与QJ 2437-93[3]所提的要求有差别,这样就不同程度地给标准的执行者带来理解上的偏差与混乱。在标准的执行层面,某个单位可能承接多个用户单位关于某产品的研制任务,每个用户单位对该承制单位提出的FM EA 要求可能不尽相同(执行标准不同),这就导致产品设计者在进行同一产品的FMEA 时需要满足不同用户的要求。

2)对产品设计者进行FM EA 培训不到位

对产品设计者进行FM EA 培训不到位,表现在某些产品设计者,对FM EA 工作的重要性认识不足和对FM EA 方法没有掌握这两个方面。

某些产品设计者没有理解FMEA 是一个完善产品、提高产品可靠性的有效方法,在思想上没有解决“为什么要开展FM EA?”的问题,当然就不去想如何做好它,只简单地认为FM EA 是一项任务。对FMEA 工作的重要性认识不足,必然导致FM EA工作的效果不好——难以达到发现薄弱环节、改进设计或工艺的目的。

上文提及的开展FMEA 工作的规范性差、识别故障模式及其原因的全面性差、分系统和系统FMEA 效果差、表述故障模式及其原因和影响的正确性差、采取措施的针对性和可操作性差等问题,都与产品设计者没有很好掌握FM EA 方法有关。产品设计者不掌握FMEA 方法,再加上对产品技术内容没有吃透,技术能力不足,导致上述问题发生是必然的。

3)对FMEA 工作的时机和进度安排不合理

开展FM EA 工作及时性差的问题,与产品研制技术流程及可靠性工作计划中,对FMEA 工作的时机安排不合理或计划执行力不强有关。如果在产品研制技术流程及可靠性工作计划中,没有对FMEA工作给予合理的时机安排, 则“FMEA 与设计同步开展”难以落实。

另一方面,上文提及的开展FM EA 工作的规范性差、识别故障模式及其原因的全面性差、分系统和系统FMEA 效果差、表述故障模式及其原因和影响的正确性差、采取措施的针对性和可操作性差等问题,也与产品设计者开展FM EA 缺乏必要的时间保障有关。产品设计者开展FM EA 是需要一定时间进行思考和分析的,若管理部门对FMEA 工作的时间进度安排不合理(留给产品设计者进行FM EA 工作的时间不足),那么产品设计者迫于不合理的进度安排,为了在短时间内完成任务,常常不求甚解,降低分析的工作质量,追求形式上的任务完成,如此势必失去了FMEA 工作的意义。

4 提高航天产品FM EA 工作有效性的途径

基于对当前一些航天产品FM EA 工作存在问题及原因的分析,提出提高航天产品FM EA 工作有效性的建议如下:

1)清理现行标准,航天系统内自上而下统一认识,修订完善FM EA 标准。修订版QJ 3050 在QJ 3050-98 的基础上, 将增补工艺FM EA 和软件FM EA,对Q J 3050-98 中某些要求不够明确、操作性差的不完善之处还要进行修订。FMEA 标准之间的不统一、不协调问题也应当通过梳理标准,修订或废止某些不适用的标准来解决。

2)航天产品承制单位应加大对产品设计者进行FM EA 培训的力度,通过培训,提高产品设计者对FM EA 工作重要性的认识,让产品设计者树立“FM EA 工作的主体是产品设计者”、“FM EA 与设计同步开展”的正确理念,自觉地将FM EA 应用在航天产品的研制中;提高产品设计者对FMEA 方法的理解和应用水平,提高产品FM EA 的分析质量;提高产品设计者的相关技术水平,让产品设计者掌握产品技术细节、成功设计经验和失败案例。

3)航天产品研制管理部门应科学安排FMEA工作的时机和进度,在产品研制流程和可靠性工作计划中落实“FM EA 与设计同步开展”、“谁设计谁负责”的原则,防止设计与FM EA 工作脱节,同时给产品设计者开展FMEA 工作提供必要的时间保障,以确保FMEA 工作的有效性。

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[1]中国人民解放军总装备部.GJB/Z 1391-2006 故障模式、影响及危害性分析指南[S].北京:国防科工委军标出版发行部, 2006

[2]中国航天工业总公司.QJ 3050-98 航天产品故障模式、影响及危害性分析指南[S].北京:中国航天标准化研究所,1998

[3]中华人民共和国航空航天工业部.QJ 2437-93 卫星故障模式影响和危害度分析[S].北京:中国航天标准化研究所,1993

[4]Stamatis D H.故障模式影响分析FMEA 从理论到实践[M].陈晓彤, 姚绍华,译.北京:国防工业出版社,2005

[5]ESA. Failure modes , effects and criticality analysis(FM ECA)[S].ECSS-Q-30-02A, 2001

[6]Department of the NAVY Commanding Officer.MILS TD-1629A Failure mode effect analysis[S].Department of Defense, Washington D.C., 1980