全生命周期失效模式分析在設(shè)備維護(hù)中的應(yīng)用

韓 冰，張 捷，田二勛

（北京奔馳汽車有限公司，北京 100176）

0 引言

故障類型和影響分析（FMEA）是FMA（故障類型分析）和FEA（故障影響分析）的組合。用來(lái)確定潛在失效模式及對(duì)系統(tǒng)的影響，在使用FMEA 方法過(guò)程中，首先分析系統(tǒng)中每一個(gè)潛在的故障模式，評(píng)估其對(duì)系統(tǒng)所產(chǎn)生的影響，進(jìn)而采取相應(yīng)的預(yù)防、改進(jìn)、優(yōu)化措施，以持續(xù)提高設(shè)備可靠性的方法。FMEA 是一個(gè)逐步優(yōu)化，循環(huán)改進(jìn)的過(guò)程，可以評(píng)估大型復(fù)雜設(shè)備在服役期間的失效、故障造成風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)根據(jù)失效風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的評(píng)定，進(jìn)而據(jù)此制定有效的設(shè)備維護(hù)策略。在進(jìn)行傳統(tǒng)的FMEA應(yīng)用過(guò)程中，在充分識(shí)別、分析各功能單元的失效模式后，評(píng)定其失效優(yōu)先級(jí)系數(shù)（RPN），其定義見(jiàn)式（1）。

式（1）中：S（Severity，失效模式的嚴(yán)重程度參數(shù)），用于評(píng)價(jià)失效發(fā)生后果嚴(yán)重程度；O（Occurrence，失效模式發(fā)生可能性參數(shù)），體現(xiàn)失效發(fā)生次數(shù)與運(yùn)行時(shí)間的關(guān)系；D（Detection，失效模式可探測(cè)度參數(shù)），表示失效可被探測(cè)或識(shí)別的難易程度。3 個(gè)參數(shù)等級(jí)劃分從小到大用常數(shù)10 到1 來(lái)量化。由式（1）可知，RPN 值是將表示失效模式的嚴(yán)重程度、失效發(fā)生的可能性，以及失效可探測(cè)程度的3 個(gè)基本參數(shù)相乘后得出的。維護(hù)人員可根據(jù)RPN 值的大小對(duì)失效模式進(jìn)行危害性評(píng)定，并制定相應(yīng)的維護(hù)措施。

而在設(shè)備全生命周期服役過(guò)程中，隨著時(shí)間增加，在磨損、老化、腐蝕、疲勞等因素的作用下，設(shè)備的功能單元、組成部件失效可能性發(fā)生變化。使用傳統(tǒng)FMEA 方法評(píng)估設(shè)備功能單元失效概率的參數(shù)在全生命周期中為常數(shù)，因此無(wú)法體現(xiàn)設(shè)備失效概率隨時(shí)間的變化情況，因此計(jì)算得出的RPN 值也是常數(shù)，無(wú)法體現(xiàn)隨著設(shè)備服役期的增長(zhǎng)各功能單元失效風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先級(jí)系數(shù)的變化規(guī)律，其存在一定局限性。設(shè)備失效曲線（也叫浴盆曲線）可以完整表現(xiàn)設(shè)備在全生命周期內(nèi)失效概率隨時(shí)間的變化規(guī)律?；诖藢?duì)FMEA 方法中失效發(fā)生可能性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行改進(jìn)，并對(duì)沖壓設(shè)備各失效模式進(jìn)行動(dòng)態(tài)評(píng)估與分析，可提高FMEA 方法的準(zhǔn)確性與合理性。

1 設(shè)備全生命周期FMEA

通過(guò)對(duì)設(shè)備失效進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)大部分設(shè)備失效概率曲線，如圖1 所示。這種失效曲線被叫做浴盆曲線。

圖1 設(shè)備失效曲線

從圖1 中可以看出，在設(shè)備全生命周期中，設(shè)備功能單元或組成部件的失效概率可分為3 個(gè)階段，即早期失效期、偶發(fā)失效期以及損耗失效期。

（1）早期失效期：此階段為設(shè)備調(diào)試期，失效概率很高，主要原因?yàn)樵荚O(shè)計(jì)、零部件材料以及制造過(guò)程產(chǎn)生的缺陷。隨著設(shè)備調(diào)試、改進(jìn)逐步進(jìn)行，設(shè)備整體的失效概率迅速降低，交付設(shè)備，投入使用。

（2）偶發(fā)失效期：在此階段設(shè)備處于穩(wěn)定生產(chǎn)，失效概率較低，運(yùn)行穩(wěn)定，且失效發(fā)生概率基本可視為常數(shù)。

（3）損耗失效期：該階段為失效劣化期，工作效率隨時(shí)間的延長(zhǎng)而急速增加，主要由單元或組件的磨損、疲勞、老化和耗損等原因造成。如果采取相應(yīng)措施，更換新部件或維修，則可有效控制設(shè)備失效風(fēng)險(xiǎn)。

由此可以看出設(shè)備失效的概率是隨著設(shè)備服役時(shí)間的變化而變化的，傳統(tǒng)意義上的FMEA 評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)O 值的評(píng)估在設(shè)備全生命周期為常數(shù)，無(wú)法動(dòng)態(tài)的反應(yīng)設(shè)備各部件的失效概率，也會(huì)對(duì)RPN 值產(chǎn)生影響，進(jìn)而采取相應(yīng)的維護(hù)措施也會(huì)失去動(dòng)態(tài)性和客觀性，造成設(shè)備在全生命周期中的過(guò)度維護(hù)或欠維護(hù)。基于設(shè)備全生命周期失效曲線重新定義FMEA 方法中設(shè)備失效概率的評(píng)估準(zhǔn)則，使O 值隨著設(shè)備服役年限與維修、更換時(shí)間點(diǎn)而變化。這樣可以動(dòng)態(tài)的評(píng)估RPN 值，同時(shí)也避免了設(shè)備的過(guò)度維護(hù)或欠維護(hù)。

設(shè)備全生命周期FMEA 方法，以“浴盆曲線”的原理，引入了設(shè)備服役年限N 作為變量，定義設(shè)備功能部件失效概率O 值為N 的函數(shù)。優(yōu)化了設(shè)備失效概率這個(gè)參數(shù)的評(píng)估準(zhǔn)。

對(duì)于設(shè)備功能組件，功能比較單一，本身不存在復(fù)雜的關(guān)聯(lián)系統(tǒng)。因此探究部件失效概率是可以忽略浴盆曲線的早期失效階段。因此失效概率與服役時(shí)間的關(guān)系可以歸結(jié)為階躍函數(shù)。在部件安裝后，經(jīng)歷穩(wěn)定的失效偶發(fā)期時(shí)，設(shè)備失效概率較低，而功能部件進(jìn)入到損耗失效期時(shí)設(shè)備失效概率急劇升高。為了能夠有效預(yù)防設(shè)備損耗失效期功能部件突然失效造成的緊急停機(jī)情況，在FMEA 中對(duì)設(shè)備失效概率的評(píng)估需要提前一年提升O值，這樣RPN 值也對(duì)應(yīng)提升，針對(duì)提升的RPN 值可以提前一年對(duì)功能部件采取相應(yīng)措施，控制其失效風(fēng)險(xiǎn)。

在全生命周期的FMEA 評(píng)估中，功能部件的使用壽命為M 年，對(duì)設(shè)備正常維護(hù)前提下，在新功能部件使用第M 年對(duì)其進(jìn)行維護(hù)或更換。該功能部件的失效概率與設(shè)備服役年限的關(guān)系，見(jiàn)式（2）：

式（2）中：Y 為設(shè)備服役年限，Oi為功能部件i 的失效概率，M 為該功能部件的使用壽命。該函數(shù)關(guān)系如圖2 所示。

圖2 失效概率評(píng)估系數(shù)與服役時(shí)間函數(shù)關(guān)系

根據(jù)FMEA 評(píng)估方法中的對(duì)RPN 值的定義，如式（1），結(jié)合式（2）可以得出?；谌芷贔EMA 方法中，RPN 值的定義，如式（3）所示。

由圖2 和式（3）可以看出，隨著整體設(shè)備的使用時(shí)間增加，功能部件在維護(hù)更換后，功能部件的狀態(tài)要低于原始初裝狀態(tài)，失效風(fēng)險(xiǎn)也略有增加，因此每個(gè)階躍的數(shù)值也會(huì)隨著使用年限略有增加，這樣能夠更加準(zhǔn)確的反應(yīng)設(shè)備失效概率。

2 設(shè)備全生命周期FMEA 在沖壓生產(chǎn)線的應(yīng)用

大型沖壓自動(dòng)生產(chǎn)線生產(chǎn)效率高，沖壓產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，在大型汽車制造廠的沖壓車間廣泛應(yīng)用。而沖壓自動(dòng)生產(chǎn)線自動(dòng)化程度高，涉及電氣、機(jī)械、液壓、氣動(dòng)多類功能部件高度集成，設(shè)備復(fù)雜。為了能夠?qū)崟r(shí)有效分析生產(chǎn)線各功能部件的失效模式，并有效控制失效風(fēng)險(xiǎn)，使用全生命周期FMEA 方法動(dòng)態(tài)、客觀的評(píng)估自動(dòng)化沖壓生產(chǎn)線失效風(fēng)險(xiǎn)。表1 至表3 分別表示使用全生命周期FMEA 方法評(píng)估沖壓設(shè)備失效模式參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)。

表1 FMEA 設(shè)備故障嚴(yán)重度（S）評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

由表1 和表2 可以看出，S 代表設(shè)備功能單元失效造成后果的嚴(yán)重程度，評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)為發(fā)生處理失效所占據(jù)的生產(chǎn)的時(shí)間以及對(duì)下游工藝的影響。D 代表失效的可探測(cè)程度，評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)為失效發(fā)生前被檢測(cè)、預(yù)判出的難易程度，以及失效發(fā)生后被識(shí)別、查找出的難易程度。這2 個(gè)參數(shù)都與功能單元、組成部件本身特性有關(guān)，都體現(xiàn)人員檢測(cè)、處理、恢復(fù)故障的能力，在設(shè)備本身特性不變，維護(hù)人員技能水平不變的情況下，可以用常數(shù)評(píng)價(jià)。

而從表3 中可以看出，設(shè)備全生命周期FMEA 方法中評(píng)估設(shè)備失效概率分為2 個(gè)方面，以運(yùn)行周期“年”為單位，一方面是短周期失效概率與短周期運(yùn)行時(shí)間相關(guān)的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，如表3（a），評(píng)估等級(jí)為常數(shù)，從每分鐘發(fā)生到每年發(fā)生評(píng)估等級(jí)依次降低。另一方面以運(yùn)行周期“年”為單位，體現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行長(zhǎng)周期運(yùn)行過(guò)程中，磨損、腐蝕、老化對(duì)設(shè)備功能部件造成的失效風(fēng)險(xiǎn)。該失效等級(jí)為運(yùn)行時(shí)間（設(shè)備使用年限）的函數(shù)。另外，根據(jù)設(shè)備功能部件的失效概率曲線可以將自動(dòng)沖壓設(shè)備的所有功能部件的失效有效壽命分類為3 年、5 年、7 年、10 年，分別對(duì)應(yīng)式（1）中的M＝3、M＝5、M＝7、M＝10（如表3）。

表2 FMEA 失效可探測(cè)度（D）評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

表3a FMEA 失效發(fā)生可能性（O）評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

表3b FMEA 失效發(fā)生可能性（O）評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)表1 至表3 定義的失效等級(jí)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，建立自動(dòng)沖壓生產(chǎn)線的所有功能部件的FMEA 風(fēng)險(xiǎn)控制體系。由于自動(dòng)沖壓線系統(tǒng)復(fù)雜，因此本文僅以自動(dòng)沖壓線的壓力機(jī)機(jī)械傳動(dòng)功能單元為例，來(lái)介紹全生命周期FMEA 方法對(duì)其失效風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與控制策略。該自動(dòng)沖壓生產(chǎn)線服役期為9 年，表4 為表示的是壓機(jī)的機(jī)械傳動(dòng)功能部件FMEA 風(fēng)險(xiǎn)控制體系。

表4 壓機(jī)的機(jī)械傳動(dòng)功能部件FMEA 風(fēng)險(xiǎn)控制體系

表4 中“Occurrence”一列為設(shè)備失效概率，Y3、Y5、Y10 分別對(duì)應(yīng)功能部件的失效有效壽命分類為3 年、5 年、10 年。該列所對(duì)應(yīng)的數(shù)值是根據(jù)表3（b）中的函數(shù)自動(dòng)得出，帶入式（1），直接與“Severity”和“Detection”2 個(gè)參數(shù)相乘得出RPN 值。例如，表4 中第4 行，壓力機(jī)上橫梁機(jī)械傳動(dòng)單元中由于軸承磨損導(dǎo)致的驅(qū)動(dòng)力不足（壓力機(jī)報(bào)警檢測(cè)角度超差）這個(gè)失效模式中。軸承壽命定義為10 年，目前設(shè)備運(yùn)行時(shí)間為9 年，即，M＝10，Y＝9，根據(jù)表3（b）可以得出，該失效模式的O 值為5，因此該失效模式對(duì)應(yīng)的RPN 值為225。說(shuō)明在設(shè)備使用過(guò)程中10 年有效壽命的軸承，在第9 年計(jì)算得出的RPN 值較大，需要采取相應(yīng)的維護(hù)/維修策略，才能保證設(shè)備在第10 年運(yùn)行過(guò)程中不會(huì)因?yàn)檩S承過(guò)度磨損而發(fā)生故障。因此可以看出，比較傳統(tǒng)FMEA方法來(lái)看，基于設(shè)備全生命周期的FMEA 方法可以動(dòng)態(tài)的評(píng)估功能部件的失效概率，進(jìn)而更精準(zhǔn)的采取控制措施。

3 總結(jié)

以設(shè)備全生命周期失效特征（浴盆曲線）理論為基礎(chǔ)，優(yōu)化傳統(tǒng)FMEA 的評(píng)估方法。新評(píng)估方法針對(duì)設(shè)備中各功能部件建立RPN 值與設(shè)備服役年限的函數(shù)關(guān)系，能夠在設(shè)備服役的全生命周期動(dòng)態(tài)評(píng)估個(gè)功能部件的失效風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)將全生命周期FMEA 方法應(yīng)用于自動(dòng)沖壓生產(chǎn)線中，從結(jié)果可以看出隨著服役時(shí)間的變化，生產(chǎn)線的各功能部件的失效風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估參數(shù)RPN值也發(fā)生變化。基于設(shè)備全生命周期FMEA 方法能夠動(dòng)態(tài)評(píng)估設(shè)備各功能部件的失效風(fēng)險(xiǎn)，為設(shè)備維護(hù)/維修方案提供精益、合理的技術(shù)支持，能夠同時(shí)避免設(shè)備過(guò)維護(hù)或欠維護(hù)，保證設(shè)備穩(wěn)定性的同時(shí)降低設(shè)備維護(hù)成本。