基于FMECA方法的应用分析与研究

田 宇

宁夏大学机械工程学院

1 引言

目前我国机电产品制造企业普遍存在的问题是新产品开发能力薄弱,技术落后,不少企业处于仿制国外产品的阶段,要使我国的企业在国际市场中赢得竞争和发展,产品自主开发设计能力的提高已成为关系到我国制造工业发展命运的至关重要的问题,而提高产品质量是增强其市场竞争力的关键。采用FM ECA等方法,有助于企业提高产品质量、缩短产品开发周期、降低产品更新换代成本、增加顾客满意程度,从而提高产品在市场上的竞争力。工业发达国家对FM ECA方法的研究起源较早,而国内在这方面的研究才刚刚起步。台扇在中国家庭中普及率极高,全国每年夏季高峰期发生故障的数量也相当可观,造成一定的维修难问题。若台扇生产厂家在设计其产品时进行一定的FMECA分析,就可以在很多方面预料将要发生的故障,并提前采取必要的措施加以防范。

2 FMEA/FMECA方法

FMEA/FM ECA(Failure Mode,Effect and Criticality Analysis)是一种可靠性分析技术,用来分析产品可能和潜在的失效模式,确定故障的相对严重程度和发生概率,以及产品在交付使用前发现故障的可能性,对那些对产品性能有重大影响的失效模式做出判断,并针对发现的问题提出改进的措施,以便改进设计来消除或减少那些潜在的设计缺陷。通常FM ECA应与产品的设计过程同时进行,并应尽可能早地进行,最好在方案设计阶段就开始。随着新的信息的增加,在设计、样机研制和验证中重复进行和不断改进。FMECA是在FMEA的基础上再增加一层判断故障模式影响的危害程度到底有多大这一任务,使分析量化。因此FMECA可以看成是FM EA的一种扩展与深化。FMEA和FMECA均致力于在实际使用中找出对系统性能有显著影响的各种故障及相关因素,通常FM EA只用于定性分析,而FMECA中的致命度分析可以进行定量分析。

3 FMEA/FMECA方法分析

(1)研究对象及其功能结构图分析

图1 研究分析对象台扇示意图Fig.1 Fan schematic diagram

根据台扇的主要结构,绘制台扇的功能结构对应图,如图2所示。台扇的主要作用是使人感觉凉爽,包括三大功能：使空气流动、控制空气流动以及其他辅助功能。控制空气流动可分解为三大子功能：定时、改变风力、改变风向。而每一功能的实现又对应于相应的产品的零部件结构,如：定时器与定时开关,调速开关、风叶电机及风叶,转页控制开关、转页同步电机以及转页等。

(2)建立台扇行为模型

图2 台扇功能结构图Fig.2 Fan function structure diagram

建立台扇的行为模型表,进行台扇的AFMEA分析。如故障模式：非(使空气流动：风扇)是由非(开关,开关状态,开)引起的,故怀疑部件为：开关。

表1 台扇部分行为模型Table 1 Part of fan model behavior

行为模型能更有效地为早期设计分析服务,因为：首先,行为不完全依赖于产品的物质结构。我们知道,当产品设计不断进步的时候,产品的物质要素及部件会发生变化,而通常的行为却能较早地确定了。故部件的混合以及产品的完善都不会影响AFMEA的应用。其次,行为模型能更好地反映顾客对产品的需求以及期望的属性,同时也是评估“顾客不满意模型”的基础。最后,行为模型为分析故障模式提供了一个更系统化的框架结构,因为它分析到了更广阔的范围。行为模型甚至可以通过分析产品的上下级支持系统来获知一套更完整的故障模式。

(3)FMECA表格的设计与分析

根据台扇的行为模型及常见故障分析,利用FMECA表格的规定格式绘制台扇的FMECA表格,如表2、表3、表4所示(限于篇幅仅截取部分表格)。

通过对FEMCA表格的分析可看到：危险优先数最高的部件共有三个：调速开关、风叶电机、箱体,它们损坏的原因各不相同,对系统造成的影响也不同。

表2 调速开关的FMECA分析表Table 2 FMECAanalysis form of speed switch

调速开关主要是由于开关簧片角度发生弯曲或簧片老化,从而导致开关接触不良甚至失效。因其发生概率和严重度都比较高。因此可以认为由于调速开关的故障会导致客户的高度不满,故评定其严重度为7。由于其经常使用且暴露在产品外部,而主要功能又以较薄的簧片来实现,根据有关维修数据及FMECA分数等级评定标准,评定该开关发生概率为8。由于调速开关通常采用不密封的拨动式转换开关,通常肉眼便可看到接触不良或断线等故障所在,故将其检测难度定为5。建议改进的措施为：改变簧片材料及制造工艺。因此,调速开关属于利用FM ECA法可以有效避免的故障之一。

表3 风叶电机的FMECA分析表Table 3 FMECA analysis form of the motor

风叶电机主要是由于罩极绕组连接不良引起的风叶电机损坏,并进一步导致风叶不转。由于风叶电机是台扇的核心部分,它直接关系到其最主要的功能―风叶转动以及送风是否能够实现,一旦风叶电机发生故障导致风叶不转,则该产品就会丧失其最主要的功能。根据FMECA分数等级评定标准表标准,故应评定为8。由于电机处于台扇内部,不容易受到外部撞击或人为的损坏,且电机属于耐用产品,发生故障的概率相对较低,根据FMECA分数等级评定标准定为5。由于电机处于产品内部并有外罩保护,且罩极绕组处于电机内部,结构复杂,故障一旦发生较难发现,因此检测难度较高,定为7。

可见,风叶电机主要是由于其重要性及难检测性导致其故障风险较高。对于这样的部件,除了建议增加装配前检查、定期进行检测之外,唯一可以在设计上改进的地方就是简化电机的结构,或考虑采用其他结构更简单的电机,这样可以有效地降低检测的难度。故该部件属于通过FM ECA分析方法,能有限避免风险的部件。亦可以考虑使用其他可靠性设计方法,如冗余法、安全系数法等以增加产品的可靠性。

表4 箱体的FMECA分析表Table 4 FMECA analysis form of fan shell

箱体是由于其金属部分与通电部分连接导致漏电,造成安全隐患。这一故障的发生率虽然不高,但由于重要度极高,且检测难度也较高,故其危险优先数高达320。由于漏电这一安全隐患直接涉及使用者的生命安全,且目前的产品上没有任何漏电指示设备,故障影响情况符合FMECA分数等级评定标准中的“若失败发生,客户将在毫无警告的情况下受到安全威胁”,因此重要度评定为10。而又因为箱体漏电是一个不易被发现的隐患,无预兆,无指示设备,其检测难度较高,定为7。但是,如果采用合格的箱体材料,发生这一故障的概率并不大,定为4。建议改进措施的为：改用绝缘材料及安装漏电指示设备等。

4 结论

通过FMECA方法分析可以发现同一设备系统中不同功能的零部件因其重要程度不同以及结构上的差异,其危险优先数也会有所不同,因此在设计中就需要区别对待,将危险优先数特别高的部件优先考虑。

用FMECA分析的零部件是能引起重大安全事故的零部件,虽然其发生概率及检测难度都可能不高,但用FM ECA方法对其进行分析可以有效地发现和预防重大事故的发生,在产品设计中的作用是十分重要的。

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