PFMEA在運載火箭研制中的應用研究

張柳鋒 樂 斌 陳 儲 葉順堅

PFMEA在運載火箭研制中的應用研究

張柳鋒 樂 斌 陳 儲 葉順堅

（上海航天精密機械研究所，上海 201600）

故障模式及影響分析（PFMEA）是預防質量問題的一種有效方法，文章通過以某一型號運載火箭的三級貯箱為案例，深入分析PFMEA的實施步驟和各要素，對篩選出的故障模式制定了改進措施，總結改進措施的落實結果和有效性，使PFMEA在運載火箭產(chǎn)品的研制過程中能夠真正發(fā)揮其預防、降低風險的作用。

PFMEA；三級貯箱；改進措施

1 引言

故障模式及影響分析（Failure Mode and Effects Analysis，簡稱FMEA）是一種用來確定潛在故障及其原因的科學方法，通過制定改進措施可以預防質量問題的發(fā)生，目前已廣泛應用于產(chǎn)品的設計、生產(chǎn)、使用和維護等過程，其中用于生產(chǎn)過程的稱為PFMEA（P代表Process）。PFMEA指對產(chǎn)品制造過程中的每一道工序事先分析可能發(fā)生的故障，分析發(fā)生故障的原因和對后續(xù)工序或最終產(chǎn)品的影響，并風險評估，對風險高的故障采取改進措施，以此來消除或降低故障模式的可能，從而達到預防質量問題的發(fā)生和降低企業(yè)成本的目的[1]。

2 PFMEA在國內運載火箭研制中的應用情況

由于PFMEA可以預防質量問題的發(fā)生，目前國內航天企業(yè)和相關從業(yè)人員都已經(jīng)認識到了PFMEA的重要作用，并且逐步在實踐和應用。與國外相比，由于PFMEA工作起步較晚，且需要大量人員長時間的參與，而目前我國運載火箭多型號、高密度、快節(jié)奏的工作要求易使PFMEA工作浮于表面、流于形式。

以某型號運載火箭中的結構產(chǎn)品三級貯箱為分析對象，通過案例的形式具體分析、總結和歸納PFMEA的實施過程及其要素，對PFMEA在運載火箭產(chǎn)品研制中的應用有一定的指導和借鑒作用。

3 PFMEA的實施流程

3.1 PFMEA工作開展時機

PFMEA工作的最佳時機是產(chǎn)品設計圖樣確定后的工藝初步設計階段，隨著工藝設計的深入與工藝文件編制工作同步展開。有利于及時發(fā)現(xiàn)工藝設計中的薄弱環(huán)節(jié)或高風險活動，據(jù)此制定相應的改進措施。同時，應根據(jù)產(chǎn)品所處的生產(chǎn)階段開展不同程度、不同層次的分析，即PFMEA不是一成不變的，它應及時反映工藝設計和生產(chǎn)工藝的變化，并隨著產(chǎn)品研制的深入而不斷補充、完善和反復迭代。

3.2 PFMEA準備工作

a. 明確PFMEA分析對象。以某一型號運載火箭的三級貯箱為分析對象開展相關研究工作。三級貯箱是該型號運載火箭箭體結構的重要組成部分，用于貯存三子級液體燃料，其主要由殼體、金屬膜片和連接環(huán)等零件焊接而成；

b. 組建PFMEA團隊。明確分析對象后，組建工作團隊并合理分配工作任務。PFMEA團隊一般應選擇6～10人，由來自不同崗位和專業(yè)的人員組成，包括設計、工藝、生產(chǎn)和檢驗等部門的人員；

c. 搜集資料和數(shù)據(jù)。在實施PFMEA分析前，應搜集相應的資料和數(shù)據(jù)作為后續(xù)分析的參考，包括：產(chǎn)品設計圖樣及技術要求；產(chǎn)品的工藝文件；類似產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)和歷史故障模式等。

3.3 開展PFMEA分析并編寫報告

3.3.1 建立產(chǎn)品工藝流程表

根據(jù)分析對象的設計圖樣及技術要求等文件，開展工藝設計并明確產(chǎn)品研制流程，建立詳細的產(chǎn)品工藝流程表。三級貯箱的工藝流程（部分）見表1。

表1 工藝流程表

3.3.2 形成零部件工藝關系矩陣

習近平指出：“以人民為中心的發(fā)展思想，不能只停留在口頭上、止步于思想環(huán)節(jié)，而要體現(xiàn)在經(jīng)濟社會發(fā)展的各個環(huán)節(jié)?！盵9]129這就決定了我們在統(tǒng)籌推進各方面建設中，始終要以人民利益的實現(xiàn)為中心，在發(fā)展中保障和改善民生。

表2 三級貯箱工藝關系矩陣

依據(jù)設計圖樣及技術文件的要求，并結合前述工藝流程，梳理產(chǎn)品的關鍵/重要工序及特性，形成零部件工藝關系矩陣，表示零部件特性與工藝流程各工序間的關系。三級貯箱的零部件工藝關系矩陣（部分）見表2。

3.3.3 填寫PFMEA分析表

根據(jù)三級貯箱的每一道工序，開展故障模式分析、故障原因分析、故障影響分析、嚴酷度分析、發(fā)生概率分析和探測度分析，并填寫PFMEA分析表[2]。

a. 故障模式分析：分析潛在的過程故障模式是指分析過程可能發(fā)生的無法達到過程功能要求或過程設計意圖的問題的表現(xiàn)形式。它可能是引起下一道工序的故障模式的原因，也可能是上一道工序故障模式的后果[3]；

b. 故障原因分析：故障原因指故障是怎樣發(fā)生的，并應依據(jù)糾正或可以控制的原則予以說明，盡可能地列出所有故障模式所對應的全部潛在起因；

c. 故障影響分析：故障影響是指可感知的故障模式對最終產(chǎn)品的影響，產(chǎn)品失效的后果應使用相關性能來描述，例如不能緊固、無法安裝、不匹配、承壓能力不足等；

d. 嚴酷度分析：嚴酷度指某個工序的故障模式對單機產(chǎn)品的最嚴重的影響程度，目前常用的評分準則見表3。

表3 嚴酷度等級評分準則

表4 故障發(fā)生概率等級評分準則

f. 探測度分析：主動探測出故障模式（如采用防護措施、量具測量、人工檢查等方法），不包括故障模式被動暴露出的情況（如發(fā)生故障），評分準則見表5。

表5 探測度等級評分準則

根據(jù)上述PFMEA各要素的分析和判定原則，填寫三級貯箱的PFMEA分析表，見表6。

表6 三級貯箱PFMEA分析表

3.3.4 PFMEA結果分析，并采取改進措施降低風險

根據(jù)分析結果，列出滿足下列條件之一的故障模式，作為后續(xù)工藝改進的重點方向，見表7。a.故障模式嚴酷度為I類或II類；b.故障模式發(fā)生概率為4級或4級以上；c.故障模式探測度為4級或4級以上。針對

故障模式，需制定合理有效的改進措施，以減少工藝故障模式發(fā)生概率和探測度的級別為出發(fā)點的工藝設計改進措施和使用補償措施，并盡可能做到參數(shù)量化，明確落實在相關文件中。改進措施制定后，應預測或跟蹤改進措施的落實結果、有效性，對故障模式發(fā)生概率和故障模式探測度級別的變化情況進行分析，判斷是否降低至4級以下。采取改進措施后尚不滿足要求時，需進一步改進工藝，直到風險等級降至4級以下。

表7 改進措施及落實情況

3.4 三級貯箱PFMEA小結

以“三級貯箱”為對象開展的PFMEA分析工作，梳理出了各工序的主要故障模式，并針對這些故障模式開展了相對應的故障原因和影響分析，同時制定了有效的改進措施，使產(chǎn)品的研制風險降到了可接受的范圍。目前三級貯箱不存在嚴酷度為Ⅰ、Ⅱ類故障模式且故障模式發(fā)生概率或被檢測難度無法降至4級以下的情況。

4 結束語

使用PFMEA技術可以提升并豐富質量管理手段，實現(xiàn)從“事后改進”到“提前預防”的目的。目前運載火箭產(chǎn)品的研制具有高風險、高成本的特點，如果不預防規(guī)避風險，那所付出的代價將是巨大并且無法承受的，建議PFMEA技術推廣應用到運載火箭其他產(chǎn)品的研制中。

1 徐云云，孫宗第，趙旭磊. 過程潛在失效模式及后果分析（PFMEA）在汽車制造業(yè)中的應用分析[J]. 企業(yè)科技與發(fā)展 2015(3)：21～23

2 康銳，石榮德，王江山，等. 故障模式、影響及危害性分析指南[S]. GJB/Z 1391～2006

3 劉靜. 淺談潛在失效模式及后果分析在產(chǎn)品開發(fā)中應用[M]. 北京：機械工業(yè)標準化與質量，2014

Application Research of PFMEA in Launch Vehicle Development

Zhang Liufeng Le Bin Chen Chu Ye Shunjian

(Shanghai Spaceflight Precision Machinery Institute, Shanghai 201600)

PFMEA is an effective method to prevent quality problems. taking a third class container of a certain type of launch vechicle as a case, the implementation process and elements of PFMEA are deeply analyzed, the improvement measures are formulated for the screened failure modes, and the implementation results of the improvement measures are given, to make sure the PFMEA can truly play its role in preventing and reducing risks in the development of launch vehicle products.

PFMEA；third class container；improvement measures

張柳鋒（1986），工程師，材料科學與工程專業(yè)；研究方向：運載火箭工藝管理。

2018-12-03