设计失效模式及后果分析 DFMEA -案例

案例一：DFMEA的案例分析　　DFMEA是一种以预防为主的可靠性设计分析技术,该技术的应用有助于企业提高产品质量,降低成本,缩短研发周期。目前,DFMEA已在航空航天以及国外的汽车行业得到了较为广泛的应用,并显示出了巨大的威力;但在国内汽车行业并没有系统地展开,也没有发挥其应有的作用。以DFMEA在国产汽油机节流阀体的改进设计中的实施为例,对改进后的DFMEA的实施方法和流程进行阐述。　　一、实施DFMEA存在的困难　　发动机为完成其相应的功能,组成结构复杂,零部件的数量也很庞大,如不加选择地对所有的零部件和子系统都实施DFMEA,将会耗费大量人力、物力和时间,对于初次实施DFMEA的企业几乎是不可能完成的工作。为此,需要开发一种方法,能够从发动机的子系统/零部件中选择出优先需要进行分析的对象。　　发动机由曲柄连杆机构、配气机构、燃油供给系统、进气系统、冷却系统和润滑系统等组成,各机构和系统完成相应的功能。子系统的下级部件或组件通常需要配合完成相应的功能,在描述这些部件或组件的功能时,不仅应该描述其独立完成的功能,还应描述与其他部件配合完成的功能。　　组成发动机的零部件种类很多,不仅包括机械零部件还有电子元件,电子部件的故障模式已经较为规范和完整,但机械系统及其零部件的故障模式相当复杂,不仅没有完整且规范的描述,二者之间还有一定的重复,为DFMEA工作的开展带来了困难,故需要为机械系统及其零部件建立相应的故障模式库。　　二、实施DFMEA的准备工作　　由于在发动机设计中实施DFMEA要遇到较多困难,故作者建议,在具体实施DFMEA之前,需要做好建立较为完善的故障模式库并确定DFMEA的详细分析对象等准备工作。　　1.建立故障模式库的方法　　发动机的组成零部件多、结构复杂,大多数零部件在运行时还会有相互作用,导致零部件、子系统和系统的故障模式不仅复杂,各层次的故障模式还会相互重复,需要为发动机建立一个故障模式库;该模式库不仅应该包含发动机中所有子系统和零部件的故障模式,还能够反映出该故障模式究竟属于哪一个零部件或系统,其建模流程如下图所示。

（1）建立系统结构树　　为建立故障模式库,首先要建立系统的结构树,

它并不依赖于某一特定的产品,而是依据同一类产品建立。如建立一个汽油机的结构树时,应考虑该厂所有的汽油机,分析出其共同特点后建立结构树;对于组成结构有重大改变的产品,可以考虑为其改变的部分建立一个分支,挂接在系统结构树的相应节点上。　　以汽油机的节流阀体为例,该阀体大致都由阀体、怠速控制阀、节气门位置传感器等组成,细节部分会有所不同,节流阀体的系统结构树如下图所示。

（2）确定故障数据源　　为确定故障模式,先要找到相应的数据源;建议选择同类产品的试验数据或三包数据,因为这两种数据中较为详细地记录了产品在试验和使用过程中出现的故障。由于发动机可靠性试验的成本很高,一般企业中都不会有充分的试验数据;尽管三包数据记录的不是十分规范,但通过归纳和整理,仍然可以从中抽象出故障模式。所以,在试验数据不充足的情况下,一般推荐采用三包数据。　　（3）筛选所分析子系统的故障数据　　一般来讲,故障数据来自于系统,需要将故障数据逐层筛选,才能最终得到系统、每一级子系统以及零部件的故障数据,为确定其故障模式作准备。　　（4）确定关键字　　三包数据来自于不同的维修点,并非由专业的试验人员收集,难免存在不规范的现象,比如对于“密封不严”这一故障现象,故障数据中就会有“密封不严、不密封、密封性差、密封性不好”等多种描述。　　针对这种现象,建议数据归纳人员先要了解各种故障现象的描述,在此基础上确定关键字,对所选子系统的故障数据进行归类。关键字确定的原则是,能筛选到95%以上的同种故障现象,尽量做到不遗漏;不同故障现象间尽量做到不重复。因此,筛选同一种故障现象很可能需要确定几个关键字。　　（5）对系统的故障数据进行分类　　依据确定的关键字对系统的故障数据进行分类,分类后的故障数据就可以用来抽象出故障模式。　　（6）故障模式的抽象　　根据分类后的故障数据,可以抽象出相应的故障模式。故障模式要求用术语表示,汽车产品可以参照标准　QC—900;标准中没有的故障模式,需由工程师商量之后统一确定。　　（7）故障模式挂接在系统结构树的节点上　　系统、子系统及零部件等不同层次都会有相应的故障模式,需要将其挂接在相应的节点上,至此故障模式库就搭建完成。随着分析工作的深入和故障数据的持续归纳,故障模式库会越来越完整。　　对节流阀体的故障数据进行以上的处理之后,得到了各级组件及零部件的故障模式,建立了节流阀体的故障模式库,下图示出故障模式库的一部分。

需要指出,实施DFMEA时分析对象的故障模式不仅来源于故障模式库,还来自于工作小组的分析。　　2.确定DFMEA的详细分析对象　　根据实施DFMEA需要耗费大量时间的具体情况,本研究的参考文献[2]提出了一种新方法来确定需要详细实施DFMEA的对象;思路是对系统进行逐级分析,根据一定的标准确定需要详细分析的分支(以下称为重要分支),对重要分支一直细化到最底层,不可再分的重要分支即为需要详细分析的对象。方法分为3步,即建立系统的组成结构树、确定阈值、选择所需分析的对象。　　（1）建立系统的组成结构树　　此处系统的组成结构树与上述中的系统结构树类似,但本质上不同。这里的系统组成结构树是与系统的组成完全相同,依照系统的结构和功能逐级向下建立,直到系统的零部件为止(称为组成结构树的叶结点),组成结构树的示意图见下图。

图中的系统由子系统1和子系统2组成,两个子系统分别完成相应的功能。子系统1由子总成1和2组成,子总成1又可以向下划分为零部件;子系统2由两个零部件组成。其中S12,S21,S22,S111和S112都是该组成结构树的叶结点。　　（2）确定阈值　　阈值是确定重要分支所依据的条件。根据DFMEA的原理,推荐确定重要度(S)和风险顺序数(RPN)两个参数的阈值,只要某分支的S和RPN两参数中的任意一个等于或超过阈值,该分支就被确定为重要分支。除S和RPN以外,DFMEA中还有发生度(O)和探测度(D)两个参数,S用来描述故障后果,O表明故障原因的发生概率,D是对探测措施有效程度的度量,RPN是S,O,D3者的乘积。O和D的阈值根据类似产品的故障数据确定,原则是要比DFMEA中的阈值低。　　（3）选择所需分析的对象　　对产品的组成结构树逐级向下分析,首先确定第一级分支的所有的S,O,D值,并计算得到RPN值;然后根据阈值来确定哪一个分支为重要分支,被确定为重要分支的仍然重复以上过程直到组成结构树的叶结点,非重要分支则不再继续分析。　　以下图所示的系统组成结构树为例,选择需要分析的对象。假设S和RPN的阈值分别为6和70,组成结构树中分支的各参数情况如图5所示,有“3”的部分为重要分支。

由图可见,子系统S1的S和RPN都达到阈值,被确定为重要分支;子系统S2的RPN虽未达到阈值,但S已经超过阈值,也被确定为重要分支;S12,S22和S111被确定为分析对象,需要对其进行详细的DFMEA。　　分析节流阀体的故障数据,确定S和RPN的阈值分别为5和30,分析结果见下图。由分析结果可知,需要对节气门位置传感器、怠速控制阀、阀片、阀体本体进行详细的DFMEA。

三、实施DFMEA的流程　　为增加DFMEA的可用度,使初次进行DFMEA的工作人员也能顺利地实施DFMEA,针对发动机设计的特点,对DFMEA的流程进行了进一步的归纳和改进(见下图)。

为加深对实施阶段的理解,提高分析效率,将实施阶段分成确定基础项、确定衍生项及生成DFMEA报告等3步。　　实施阶段中,功能、潜在故障模式、潜在故障影响、故障原因和现有控制措施等5个加“3”的为基础项,它们的分析是决定DFMEA实施成功与否的关键;S,O,D,RPN和建议的纠正措施为衍生项;基础项确定之后,衍生项可以随之确定。　　1.分析基础项　　（1）功能　　分析项目的功能,用尽可能简明的文字来说明被分析项目满足设计意图的功能;阀体的功能是与阀片配合保证最小流量;与怠速控制阀配合保证怠速流量;与节气门位置传感器配合保证主进气量。　　（2）潜在故障模式　　每项功能会对应一种或一种以上的故障模式,填写故障模式要遵循'破坏功能'的原则,即尽量列出破坏该功能的所有可能的模式;故障模式大部分来源于故障模式库,还有一部分是新出现的故障模式以及小组分析的结果,阀体的潜在故障模式为磨损、裂纹、断裂以及积碳等。　　（3）潜在故障后果　　每种故障模式都会有相应的故障后果;分析故障后果时,应尽可能分析出故障的最终影响,即最严重的影响;阀体的潜在故障后果为发动机无力、燃油消耗率高、怠速高。　　（4）潜在故障起因　　所谓故障的潜在起因是指设计薄弱部分的迹象,其结果就是故障模式;根据阀体结构和对其进行的功能分析,可以知道阀体磨损的潜在故障原因为,阀体喉口与阀片直径不匹配;阀杆与阀片螺钉孔的位置不匹配;怠速控制阀与怠速通道的孔径不匹配;怠速通道的孔系不同轴。　　（5）现有控制措施　　根据故障的潜在起因可确定预防与探测的措施,这些都是已有的或将要有的措施。　　阀体的现有控制措施为配合设计阀体喉口和阀片直径,保证其配合间隙;配合设计阀杆和阀片螺钉孔位置,保证其同心度;配合设计怠速控制阀和怠速通道的孔径,保证其配合间隙。　　2.分析衍生项　　根据潜在故障后果确定S,根据潜在故障原因以及同型产品的三包数据确定O,根据探测措施确定D;根据确定的S,O,D计算得到RPN值。如果需要修正,可以提出适当的建议措施,作为改进的依据,最后生成统一的DFMEA报告。　　美国汽车工业行动集团(AIAG)颁布的FMEA标准中,提供了严重度、O和D的评定准则[3],其中,O准则非常直观,根据计算得到的频率即可得。　　D和严重度判定准则的操作性较差,作者推荐企业根据AIAG的D准则,结合企业现有的控制措施制定适用于企业自身的D判定准则。　　至于严重度的判定,提倡仍沿用AIAG的准则,但为了增强其可操作性,作者对其进行了进一步的归纳总结,生成如下图所示的流程;根据该流程即可很容易地判定每种故障的严重度。

阀体磨损的严重度影响了发动机的'基本功能,但未完全丧失,所以严重度为7;阀体磨损的O根据故障数据的统计结果,结合专家组的分析,确定O为3;阀体磨损的检测度现有的控制措施除硬度检测外,均为对两零部件的配合检测,有较多的机会能找出潜在的起因,检测度为4。　　专家组确定S和RPN的阈值为7和80,当S超过7(含7),RPN超过80(含80)时,必须对其进行改进。因此,提出了以下建议措施:a)阀体喉口和阀片直径、阀片和阀杆影响全闭泄漏量,除保证其配合间隙外,还应通过设计保证装配后阀体喉口和阀片的同轴度,并进行全闭泄漏量检测;b)怠速控制阀和怠速通道影响怠速流量,先需要通过设计保证怠速通道孔系的同轴度,然后保证怠速控制阀和怠速通道的同轴度和间隙。　　完成以上分析后,要根据建议措施对设计进行修正(实际采取的措施可能与建议措施不同),修正后再重复以上步骤,直至S和RPN低于确定的DFMEA的S和RPN阈值。　　3.生成DFMEA报告　　完成每轮DFMEA之后,要及时生成DFMEA报告,包括需改进的零部件、建议措施和改进措施等。

案例二：DFMEA在通讯产品设计中的应用　　一、DFMEA简介　　1.DFMEA简介　　FMEA 是potential Failure Modeand Effects Analysis的缩写，意指失效模式和后果分析。它是一种识别设计风险，降低风险的分析方法。该方法于1949年由美国军方创建，并将其用于国防工业。后来在航空航天、汽车工业中得到广泛运用。1 993年，美国汽车工业行动集团首次发行了FMEA标准，并于2008年发布第四版。　　FMEA主要分为DFMEA和PFMEA。DFMEA指设计失效模式和后果分析，关注的是产品设计产生的潜在失效。　　PFMEA指过程失效模式和后果分析，关注的是产品制造过程中产生的潜在失效。　　本文将重点讨论通讯产品设计过程，如何通过DFMEA来提高产品质量。

2.DFMEA的作用　　DFMEA由负责产品设计的设计工程师在设计开发阶段完成。同时它也是一种有效的法律记录，记录了我们降低顾客潜在风险，保护顾客投资所做的努力。　　DFMEA的实施，可以有效的提高产品质量，缩短产品开发周期，降低开发维护成本，提高顾客满意度。同时，DFMEA也是创新型企业知识管理的方法，为企业如何做好知识积累提供思路。　　3.DFMEA在执行过程中遇到的主要问题。　　FMEA目前在汽车制造行业运用最为广泛。因此大部分介绍FMEA或者DFMEA的专著都是以汽车行业为背景。　　这就为希望把DFMEA分析方法引入通讯产品设计的工程师带来了不小的麻烦。　　DFMEA在执行过程中，很容易产生下面两个问题：第一是把DFMEA做“虚”。DFMEA最重要的作用就是失效预防。很多企业甚至把分析工作放到了开发基本结束后，如何可能实际效果? DFMEA如果没有和现行的开发流程、制造流程紧密结合。最终都将变成纸上谈兵。　　第二，设计工程师没有正确理解DFMEA的内在逻辑关系，盲目照搬DFMEA标准的表格，依靠个人经验，无序的堆彻想象出来的失效模型。这样得出的结果，自然无法实现失效预防。　　针对这两类问题，笔者对DFMEA的方法做了一些改进，加入了自己的实践理解和操作经验，使之更为适合通讯产品设计的运用。该方法在某高新技术企业的交换机产品开发上进行了实施，收到了较好的效果。　　二、DFMEA流程　　1.DFMEA实施流程　　DFMEA的实施一般可分为：DFMEA策划，表头填写，团队组建，失效调研，结构分析功能分析，风险评估，风险量化，优化措施等，共计9个步骤。　　上述9个步骤和产品的开发密切相关，是本文讨论的重点，但并不是DFMEA的全部。DFMEA是一个动态文件，在整个产品的生命周期都有效，它应该随着产品在市场的表现，不断的被更新，直到产品退市。这种意识是DFMEA得以成功实施的很关键的一点。　　2.DFMEA与IPD开发流程的关系　　IPD(Integrated Product Development)是一种先进的产品研发流程，在通讯行业运用较广。在IPD流程中，产品研发一般包括以下六个阶段：概念阶段、计划阶段、开发阶段、验证阶段、发布阶段、品类阶段。其中概念阶段到验证阶段，一般认为是产品研发的关键阶段。也是我们DFMEA实施的主要阶段。　　DFMEA的实施与IPD流程有以下几个关键的契合点：　　（1）DFMEA策划在产品计划阶段结束前完成。DFMEA策划的启动，一般要求在产品设计方案定型以后开始，一般建议该活动放在产品计划阶段内完成。该阶段是我们制定各种产品开发计划的关键阶段。这也包括DFMEA的实施计划。　　（2）DFMEA的启动一般在计划阶段结束后。计划阶段结束，产品马上进入开发阶段阶段。该阶段是产品设计实现的阶段，也是DFMEA实施的主要时段。　　（3）DFMEA的优化措施必须在样机发布之前完成。要保证让DFMEA分析的结论，能成功的导入设计。那就必须做到在设计冻结之前，完成第一次DFMEA分析。这样才能使我们的DFMEA不流于表面。　　（4）DFMEA的更新必须在产品正式发布之前，至少完成一次。在产品的验证阶段，我们要做大量的调试、测试工作，很可能会发现一些设计问题。这些问题需要更新到我们上个阶段的DFMEA分析报告。　　（5）DFMEA需要在整个产品生命周期被持续更新。企业是否具备这种观念可以说是DFMEA在这个企业是否被成功实施的重要特征之一。只有坚持持续更新我们的DFMEA分析报告，才能做到知识的不断累积，进而用来提高下一个产品设计的质量。　　有了上面5个关键契合点的保证，至少在流程上保证了DFMEA的成功实施。但是，要使DFMEA能真正为我们的设计保驾护航，还需要我们深入的了解DFMEA各步骤的内在逻辑关系。　　三、实施DFMEA　　1.DFMEA实施准备　　（1）建立失效模型库　　失效模型库是一个创新型企业最重要的知识组成之一。它通常由产品故障数据库、售后维修记录、客户投诉等几个至关重要的数据库共同组成。这些内容基本上都是在市场上付出了高昂代价后，取得的知识积累。因此称得上是企业最核心的知识产权。这部分数据如何利用起来，指导新设计预防失效的发生，是失效模型库的最重要的价值体现。　　①我们要确保失效模型库的数据能被方便检索，且不易被遗漏。失效模型的记录要尽可能的详实，这有助于使用者理解。失效模型至少应包括以下内容：功能模块、潜在失效模式、潜在失效后果、潜在失效原因、现行控制措施。为了便于检索，建议对于每一条失效记录都定义几个关键词。比如主芯片的型号，主电路的功能等。　　②如何保证市场故障、售后维修或者客户投诉的内容能被整理，并放入失效模型库。企业应该建立这样的机制，鼓励相关人员为失效模型库作出贡献。只有充分动员全体人员的力量，才能使失效模式库不断得到更新和补充。　　③需要考虑如何保护失效模型库。失效模型库是企业核心竞争力的体现，因此如何做好数据安全显得格外重要。主要包括防止数据库丢失和数据泄密两方面的工作。防止数据库丢失只需要做好备份工作即可，有很多方法可以采用。数据库保密工作可以通过权限控制来实现。　　建立了一个有内容，易检索的失效模型库，为我们成功实施DFMEA打下了基础。至少它可以保证曾经出过的失效，我们不再犯。　　（2）确定DFMEA的范围　　对于较复杂的通讯产品设计，要先做好模块分解。通讯产品的设计按照其采用的技术成熟与否，可以分为三个等级。第一级是完成采用新技术的设计。第二级是有类似技术可供参照的设计。第三级是完全相同的技术。　　根据模块的技术成熟度，采取不同的DFMEA分析策略。　　技术成熟度高的，可以少做甚至不做分析；对于成熟度低的新设计，必须作为DFMEA分析的重点；而中间的第二级设计，笔者建议把精力放在设计变更部分。总的原则就是，把更多的精力向高风险的设计倾斜，这样才能使我们获得较好的投入产出比。　　（3）产品模块分解　　通讯产品按照各组成电路／模块实现的功能，一般都可以拆解成“系统— —子系统—— 部件”这样的金字塔结构。当然，系统复杂的产品将对应更多的层次。层次拆分过多或过少，都不利于我们理清各模块之间的关系。建议根据参与设计的角色或者职责分工来拆解整个系统。一个总的原则是，每个设计工程师负责自己那部分工作的DFMEA分析，总体规划工程师负责总成。　　完成模块分解，是为了便于我们确定负责人，确定DFMEA团队的核心人员。企业针对自己的产品特点，应做一个较为全面的分解，这个分解出来的结构将变成模板，用于指导具体项目的模块分解。　　2.DFMEA策划　　有了前面的准备，项目组可以在企划阶段(或者方案确定以后)策划DFMEA的实施计划。主要包括产品模块分解，指定DFMEA策略，指定模块负责人，确定完成时间等。　　3.DFMEA团队组建　　DFMEA团队是基于利益相关方原则来建立的。至少会包括设计工程师，工艺制造工程师，测试验收工程师，质量工程师等。为了能发挥团队的力量，要监控所有成员对DFMEA的贡献度，否则容易流于形式。　　4.产品结构分析　　很多设计人员在做DFMEA分析的时候，存在一定的盲目性，想到哪写到哪。根本无法保证产品的所有细节都被考虑到。做产品结构分析的作用就在于此，系统的、全面地分析产品的构成，确保各组成部分都能被分析到。　　5.产品功能分析　　产品功能是产品的价值所在。对于通讯产品设计，笔者建议从需求分析入手，对产品功能进行全面的分析。开发的概念阶段一般都会产生一个叫产品需求的文档。它是产品经理充分了解客户需求后，得出的一个产品开发要求。只要我们牢牢把握了这个文档，并据此深入分析详细的功能。我们就可以基本做到不遗漏功能。　　产品功能分析和产品结构分析一道，共同保证了我们对产品的全面分解。这些内容就构成了DFMEA标准表格的第一列“项目／功能”。　　6.风险评估　　DFMEA风险评估的思想，是把潜在失效发生的严重性，发生的概率，发生后被检测到的可能性，这三个指标加权作为衡量一个失效风险的高低。　　严重度、频度、探测度的评估具有一定的主观因素存在，不同的人对同一个问题往往会有不同的判断。我们不用去细抠具体的分值是多少，而应该把精力放在对前文表一到表三第二列内容的判断上。比如一个失效，我们判断它探测度的时候，只要确认它在那个阶段能被发现?如果在设计阶段被发现，那么就是3～5分，如果要到样机阶段才可能被发现，那么就是6～8分。　　7.量化评估。　　严重度、频度、探测度的分值加权，可以帮助我们判断失效风险的顺序，用RPN来表示。如何使用这三个参数，不同的企业有不同的方法。大部分企业采用三者相乘，以所得值的高低作为处理的优先顺序。对于通讯产品设计，笔者建议首先应考虑严重度。严重度超过8的失效可能导致企业付出惨重代价，比如违反法规导致的召回，对客户安全产生了问题而导致的诉讼等。因此设计失效模式及后果分析 DFMEA -案例，严重度超过8的失效应予以首要考虑。其次，再考虑以三者的乘积作为判断的依据。　　无论采用哪种方法，RPN值所代表的含义都仅是一个处理的先后顺序。当只存在一个失效模式时，这个值无论多高都没有任何意义。笔者也不建议企业对RPN设定阀值，比如有些企业定义“RPN低于1 00的失效，可以不需要采取措施”，这样的设定容易产生惰性。　　8.优化措施。　　有了RPN值，我们就可以判断出哪些失效需要优先考虑优化措施。优化措施是针对降低频度和探测度而言的。一个失效的严重度一般不能被降低，除非是采取的措施是更换了关键模块／部件，或者是去除了某些功能。　　优化措施需要明确负责人，完成时间等。只有把分析的结论导入了设计，我们的DFMEA才算落到了实处。

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