劉志全 宮 穎

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部,北京 100094)

1 引言

故障模式與影響分析(Failure Mode and Effect Analysis,FM EA),是一種可靠性分析方法,被廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外航天產(chǎn)品的研制過程中。分析的目的在于找出產(chǎn)品的薄弱環(huán)節(jié),并針對薄弱環(huán)節(jié)采取相關(guān)的預(yù)防、改進(jìn)或補(bǔ)償措施,以提高產(chǎn)品的可靠性。目前,國內(nèi)很多航天產(chǎn)品開展了FMEA 工作,但有些航天產(chǎn)品FM EA 工作的有效性不容樂觀。本文針對開展FMEA 工作有效性進(jìn)行探討,分析當(dāng)前航天產(chǎn)品FM EA 工作中存在的問題并提出相應(yīng)的解決途徑, 旨在糾正FM EA 工作中的偏差, 提高FM EA 工作的有效性。

2 航天產(chǎn)品FM EA 工作的有效性

FMEA 最主要的要求是將產(chǎn)品的故障模式、故障原因、故障影響程度、預(yù)防或控制措施、補(bǔ)救或補(bǔ)償措施全面而清楚地分析出來,從中檢索出產(chǎn)品的薄弱環(huán)節(jié)及其對應(yīng)的措施。評價(jià)FMEA 工作的有效性,最主要就是看FM EA 工作是否達(dá)到全面正確識(shí)別產(chǎn)品薄弱環(huán)節(jié)、對薄弱環(huán)節(jié)采取有效措施這樣的目的。如果滿足了上述要求并達(dá)到了上述目的,那么所開展的FM EA 工作就有效,反之亦然。

為了保證FM EA 工作的有效性, 就需要把握FMEA 工作開展的及時(shí)性和規(guī)范性、識(shí)別故障模式及其原因的全面性、表述故障模式及其原因和影響的正確性、采取措施的針對性和可操作性等。

1)FM EA 工作開展的及時(shí)性和規(guī)范性分別指FMEA 工作與設(shè)計(jì)的同步性及與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求的符合性。應(yīng)當(dāng)在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)的同時(shí),按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求進(jìn)行FM EA,以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)薄弱環(huán)節(jié)并采取措施,進(jìn)而落實(shí)在設(shè)計(jì)中。開展FM EA 工作是一個(gè)持續(xù)改進(jìn)、反復(fù)迭代的過程。就規(guī)范性而言,國家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB/Z 1391-2006 明確指出[1],FMEA 的約定層次劃分為“初始約定層次”、“約定層次”和“最低約定層次”?！俺跏技s定層次”是最高層次,它是FMEA 中最終影響的對象;“最低約定層次”是約定層次中最底層產(chǎn)品所在的層次,它決定了FM EA 工作的深入、細(xì)致程度。開展FM EA,首先應(yīng)當(dāng)按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求,對約定層次劃分進(jìn)行明確定義。此外, 標(biāo)準(zhǔn)GJB/Z 1391-2006 和QJ 3050-98 中對“嚴(yán)酷度等級”都作了定義[1-2],“嚴(yán)酷度等級”是根據(jù)“最終影響”的內(nèi)容而確定的?！白罱K影響”的內(nèi)容應(yīng)當(dāng)與“嚴(yán)酷度等級”相對應(yīng)。開展FMEA 工作不僅僅是填寫FM EA 工作表,最后還應(yīng)當(dāng)檢索出產(chǎn)品Ⅰ、Ⅱ類故障模式清單?？偠灾?需要遵照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求規(guī)范地開展FMEA。

2)識(shí)別故障模式及其原因的全面性,就是指在識(shí)別產(chǎn)品可能的故障模式及其原因時(shí)的全面程度(或不發(fā)生遺漏項(xiàng)目的程度)。實(shí)事上,全面識(shí)別產(chǎn)品故障模式及其原因,與產(chǎn)品設(shè)計(jì)者對產(chǎn)品技術(shù)的掌握程度(知識(shí)和經(jīng)驗(yàn))有關(guān)。對產(chǎn)品技術(shù)掌握較好的產(chǎn)品設(shè)計(jì)者,容易做到全面識(shí)別產(chǎn)品故障模式及其原因,而對產(chǎn)品技術(shù)掌握較差的產(chǎn)品設(shè)計(jì)者就有可能疏漏一些內(nèi)容。

3)表述故障模式及其原因和影響的正確性,是指在填寫FMEA 工作表時(shí),對故障模式及其原因和影響表達(dá)的清楚和具體程度。正確表述故障模式及其原因和影響是保證和提高FM EA 工作有效性的基礎(chǔ)。產(chǎn)品設(shè)計(jì)者應(yīng)當(dāng)清楚、具體、正確地表述故障模式、故障原因和故障影響,盡可能避免采用類似“……故障”、“……失效”這樣籠統(tǒng)的描述方式,來描述故障模式和故障原因,也不能采用“故障原因+故障模式”的復(fù)合式方式來描述故障模式,更不能采用“故障模式1 或故障模式2”的并列方式來描述一個(gè)故障模式。應(yīng)杜絕用劃“√”符號(hào)或空白的方式來表達(dá)故障影響。

4)采取措施的針對性和可操作性是指在填寫FM EA 工作表時(shí),所填寫的預(yù)防措施相對于故障原因的針對性和可操作性、所填寫補(bǔ)償措施相對故障影響的針對性和可操作性。采取有針對性的、可操作的措施是體現(xiàn)FM EA 工作有效性的重要方面。應(yīng)盡可能避免采用無針對性的、口號(hào)化的措施。

3 當(dāng)前航天產(chǎn)品FM EA 工作中存在的問題及原因分析

3.1 存在的問題

目前,國內(nèi)很多航天產(chǎn)品開展了FM EA 工作,并取得了一定的成效。但有些航天產(chǎn)品FM EA 工作的有效性沒有充分實(shí)現(xiàn)。問題突出地表現(xiàn)在如下五個(gè)方面。

1)開展FMEA 工作的及時(shí)性和規(guī)范性方面的問題

有的FMEA 工作在設(shè)計(jì)階段并沒有開展,而到了設(shè)計(jì)完成之后再補(bǔ)做FM EA, 沒有落實(shí)“FMEA與設(shè)計(jì)同步開展”的原則。從某種意義上講,就是錯(cuò)過了在設(shè)計(jì)階段及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)薄弱環(huán)節(jié)并改進(jìn)設(shè)計(jì)的機(jī)會(huì)。設(shè)計(jì)工作與FM EA 的脫節(jié)削弱了FMEA的有效性。

也有委托其他可靠性專業(yè)人員來代替產(chǎn)品設(shè)計(jì)者進(jìn)行FM EA 的現(xiàn)象。應(yīng)當(dāng)指出,其他可靠性專業(yè)人員可以協(xié)助產(chǎn)品設(shè)計(jì)者開展FM EA,但是絕不能代替。FMEA 工作的主體應(yīng)當(dāng)是產(chǎn)品設(shè)計(jì)者。非產(chǎn)品設(shè)計(jì)者不可能全面了解產(chǎn)品,當(dāng)然也就談不上全面識(shí)別出產(chǎn)品的薄弱環(huán)節(jié)。所以,代替產(chǎn)品設(shè)計(jì)者進(jìn)行FM EA,不符合“誰設(shè)計(jì)誰負(fù)責(zé)FM EA”的原則,嚴(yán)重降低了FM EA 工作的有效性。

開展FMEA 工作規(guī)范性問題的表現(xiàn)之一是,進(jìn)行FM EA 時(shí),沒有定義約定層次或約定層次定義不明確。若對產(chǎn)品約定層次不作定義或定義不清,勢必導(dǎo)致初始約定層次、約定層次、最低約定層次不清,在同一份FM EA 工作表內(nèi),層次級別混亂。例如,在某個(gè)天線產(chǎn)品FMEA 的報(bào)告中,產(chǎn)品設(shè)計(jì)者把“XX 天線”填入了“產(chǎn)品或功能標(biāo)志”欄目中(正確的做法應(yīng)當(dāng)是將XX 天線的下一層次的內(nèi)容列入“產(chǎn)品或功能標(biāo)志”欄中)。

開展FM EA 工作規(guī)范性問題的另一表現(xiàn)是,FMEA 報(bào)告的“最終影響”欄目里所填寫的內(nèi)容與“嚴(yán)酷度等級”不對應(yīng)。有些最終影響若按標(biāo)準(zhǔn)中嚴(yán)酷度等級定義去判斷,連“Ⅱ”類都達(dá)不到,而事實(shí)上在FMEA 報(bào)告中卻被錯(cuò)誤地填寫成“Ⅰ”類。當(dāng)然,還有相反的情況:故障最終影響本身很嚴(yán)重,而嚴(yán)酷度等級卻被定得很低。如此識(shí)別出來的薄弱環(huán)節(jié)(如Ⅰ、Ⅱ類故障模式清單)不能夠真實(shí)反映產(chǎn)品的實(shí)際狀態(tài)。

填寫完FMEA 工作表后沒有給出薄弱環(huán)節(jié)及其控制措施的清單,也是開展FM EA 工作規(guī)范性問題的表現(xiàn)之一。在一些FM EA 報(bào)告中,經(jīng)常會(huì)看到僅有一張F(tuán)M EA 工作表而沒有分析輸出結(jié)果的現(xiàn)象。沒有分析結(jié)果的分析其效果將大打折扣。

2)識(shí)別故障模式及其原因的全面性方面的問題

有些產(chǎn)品設(shè)計(jì)者在開展FM EA 時(shí),沒有按照產(chǎn)品的功能及系統(tǒng)組成,來識(shí)別產(chǎn)品的薄弱環(huán)節(jié),而是按照行政單位界限來識(shí)別產(chǎn)品的薄弱環(huán)節(jié),結(jié)果丟掉若干個(gè)產(chǎn)品系統(tǒng)組成中本應(yīng)識(shí)別到的故障模式和故障原因。例如,某電機(jī)驅(qū)動(dòng)展開機(jī)構(gòu),它由控制器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、機(jī)械部件等部分組成。其中,控制器由外協(xié)單位負(fù)責(zé)研制。該展開機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)者進(jìn)行FMEA 時(shí),沒有涉及控制器的任何故障模式和故障原因,這樣就不能全面識(shí)別展開機(jī)構(gòu)的故障模式和故障原因,在一定程度上存在著“技術(shù)死角”。

對于有冗余設(shè)計(jì)的產(chǎn)品,一些產(chǎn)品設(shè)計(jì)者只分析了單一故障的情況,而忽略了整個(gè)冗余系統(tǒng)都出現(xiàn)故障(如共因共模故障)的情況, 這樣就會(huì)在FMEA 中遺漏一定的、甚至是重要的故障模式,也就會(huì)因?yàn)閷Ξa(chǎn)品故障模式不能全面識(shí)別和控制而給系統(tǒng)帶來較大的風(fēng)險(xiǎn)。

此外,一個(gè)故障模式可能對應(yīng)若干個(gè)故障原因,但有些FMEA 沒有全面列出故障原因,因而也就自然缺失了一些與故障原因相對應(yīng)的預(yù)防措施。例如,某FM EA 對微放電故障的原因關(guān)注了導(dǎo)線搭接或金屬碎屑,而遺漏了“間隙過小”這一微放電故障的可能原因。

3)分系統(tǒng)和系統(tǒng)FM EA 效果方面的問題

一般情況下,系統(tǒng)由若干個(gè)分系統(tǒng)組成,分系統(tǒng)由若干個(gè)設(shè)備組成。目前,存在分系統(tǒng)和系統(tǒng)級FM EA,簡單匯總下級產(chǎn)品FM EA 結(jié)果的現(xiàn)象。有的分系統(tǒng)FM EA,僅僅把分系統(tǒng)所屬的各設(shè)備的FM EA 進(jìn)行簡單匯總;有的系統(tǒng)FMEA,僅僅把系統(tǒng)所屬的各分系統(tǒng)的FM EA 進(jìn)行簡單匯總。這樣就不能很好地去識(shí)別分系統(tǒng)層面上或系統(tǒng)層面上的薄弱環(huán)節(jié), 特別是因設(shè)備間的接口(對于分系統(tǒng)FM EA)或分系統(tǒng)間的接口(對于系統(tǒng)FM EA)而產(chǎn)生的薄弱環(huán)節(jié),從而使分系統(tǒng)或系統(tǒng)級FMEA 的有效性大打折扣。

4)表述故障模式及其原因和影響的正確性方面的問題

在一些FM EA 報(bào)告中經(jīng)常出現(xiàn)故障模式及其原因表達(dá)不清楚、不具體的現(xiàn)象。例如,“微動(dòng)開關(guān)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”的復(fù)合方式來錯(cuò)誤描述故障模式(如“因多余物而導(dǎo)致軸承卡死”);還有采用“故障模式1 或故障模式2”的并列方式來錯(cuò)誤描述一個(gè)故障模式(例如:“主軸斷裂或主軸塑性變形”),其實(shí),“主軸斷裂”和“主軸塑性變形”是兩個(gè)不同的故障模式,而不應(yīng)當(dāng)寫在同一個(gè)“故障模式”欄目中。再比如,在“機(jī)構(gòu)卡死”這一故障模式的“故障原因”欄目中填寫“減速器失效”,并不能將機(jī)構(gòu)卡死的真正原因表達(dá)清楚。將“器件損壞”表述為“顯示器不工作”這一故障模式的故障原因是難以將“顯示器不工作”的真正原因表達(dá)清楚的(因?yàn)橐粋€(gè)顯示器有多個(gè)器件,簡單地填寫“器件損壞”而沒有說明“哪個(gè)器件損壞”是表達(dá)不清的),即使發(fā)現(xiàn)了“顯示器不工作”這一薄弱環(huán)節(jié),也無法針對故障原因采取相應(yīng)的預(yù)防措施。

有些FMEA 報(bào)告的“故障影響”欄目出現(xiàn)符號(hào)“√”或空白,報(bào)告作者以此來表達(dá)有無影響,而沒有表述故障影響的具體內(nèi)容,還有的FM EA “故障影響”欄目中出現(xiàn)“無影響”。而事實(shí)上,出現(xiàn)的故障必定會(huì)使產(chǎn)品的可靠性降低,不會(huì)無影響。

5)采取措施的針對性和可操作性方面的問題

有些FM EA 的“防止措施”或“預(yù)防措施”與“故障原因”不對應(yīng),沒有針對性?！把a(bǔ)救措施”或“補(bǔ)償措施”與“故障影響”不對應(yīng),也沒有針對性。在一些FM EA 報(bào)告中,經(jīng)常會(huì)看到諸如“加強(qiáng)計(jì)算分析”、“嚴(yán)格生產(chǎn)過程控制”、“嚴(yán)格產(chǎn)品驗(yàn)收把關(guān)”這類具有口號(hào)性質(zhì)的措施。這種口號(hào)化而沒有操作性的控制措施,很難反映在具體的設(shè)計(jì)或工藝文件中,對于完善設(shè)計(jì)或工藝(即在設(shè)計(jì)圖樣或技術(shù)要求或工藝文件中落實(shí)有關(guān)控制措施)毫無意義。還有一些FMEA 報(bào)告,在“防止措施”或“預(yù)防措施”欄目填寫“無”或者空白。既然找到了故障發(fā)生的可能原因,而又不采取相應(yīng)的措施加以預(yù)防, 那么所進(jìn)行的FMEA 就是無效的工作。

3.2 原因分析

出現(xiàn)上述問題的原因主要有如下三個(gè)方面:

1)FMEA 的標(biāo)準(zhǔn)體系不完善

關(guān)于FM EA 的現(xiàn)行有效標(biāo)準(zhǔn)有多個(gè),有的標(biāo)準(zhǔn)自身有不完善之處,某些要求不夠明確、可操作性差,亟待修訂完善;標(biāo)準(zhǔn)與標(biāo)準(zhǔn)之間的術(shù)語、工作表格形式等要求也不盡相同,這是導(dǎo)致開展FM EA 工作規(guī)范性差的原因之一。例如,同為航天行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的QJ 3050-98 與QJ 2437-93[3]所提的要求有差別,這樣就不同程度地給標(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)行者帶來理解上的偏差與混亂。在標(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)行層面,某個(gè)單位可能承接多個(gè)用戶單位關(guān)于某產(chǎn)品的研制任務(wù),每個(gè)用戶單位對該承制單位提出的FM EA 要求可能不盡相同(執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)不同),這就導(dǎo)致產(chǎn)品設(shè)計(jì)者在進(jìn)行同一產(chǎn)品的FMEA 時(shí)需要滿足不同用戶的要求。

2)對產(chǎn)品設(shè)計(jì)者進(jìn)行FM EA 培訓(xùn)不到位

對產(chǎn)品設(shè)計(jì)者進(jìn)行FM EA 培訓(xùn)不到位,表現(xiàn)在某些產(chǎn)品設(shè)計(jì)者,對FM EA 工作的重要性認(rèn)識(shí)不足和對FM EA 方法沒有掌握這兩個(gè)方面。

某些產(chǎn)品設(shè)計(jì)者沒有理解FMEA 是一個(gè)完善產(chǎn)品、提高產(chǎn)品可靠性的有效方法,在思想上沒有解決“為什么要開展FM EA?”的問題,當(dāng)然就不去想如何做好它,只簡單地認(rèn)為FM EA 是一項(xiàng)任務(wù)。對FMEA 工作的重要性認(rèn)識(shí)不足,必然導(dǎo)致FM EA工作的效果不好——難以達(dá)到發(fā)現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)、改進(jìn)設(shè)計(jì)或工藝的目的。

上文提及的開展FMEA 工作的規(guī)范性差、識(shí)別故障模式及其原因的全面性差、分系統(tǒng)和系統(tǒng)FMEA 效果差、表述故障模式及其原因和影響的正確性差、采取措施的針對性和可操作性差等問題,都與產(chǎn)品設(shè)計(jì)者沒有很好掌握FM EA 方法有關(guān)。產(chǎn)品設(shè)計(jì)者不掌握FMEA 方法,再加上對產(chǎn)品技術(shù)內(nèi)容沒有吃透,技術(shù)能力不足,導(dǎo)致上述問題發(fā)生是必然的。

3)對FMEA 工作的時(shí)機(jī)和進(jìn)度安排不合理

開展FM EA 工作及時(shí)性差的問題,與產(chǎn)品研制技術(shù)流程及可靠性工作計(jì)劃中,對FMEA 工作的時(shí)機(jī)安排不合理或計(jì)劃執(zhí)行力不強(qiáng)有關(guān)。如果在產(chǎn)品研制技術(shù)流程及可靠性工作計(jì)劃中,沒有對FMEA工作給予合理的時(shí)機(jī)安排, 則“FMEA 與設(shè)計(jì)同步開展”難以落實(shí)。

另一方面,上文提及的開展FM EA 工作的規(guī)范性差、識(shí)別故障模式及其原因的全面性差、分系統(tǒng)和系統(tǒng)FMEA 效果差、表述故障模式及其原因和影響的正確性差、采取措施的針對性和可操作性差等問題,也與產(chǎn)品設(shè)計(jì)者開展FM EA 缺乏必要的時(shí)間保障有關(guān)。產(chǎn)品設(shè)計(jì)者開展FM EA 是需要一定時(shí)間進(jìn)行思考和分析的,若管理部門對FMEA 工作的時(shí)間進(jìn)度安排不合理(留給產(chǎn)品設(shè)計(jì)者進(jìn)行FM EA 工作的時(shí)間不足),那么產(chǎn)品設(shè)計(jì)者迫于不合理的進(jìn)度安排,為了在短時(shí)間內(nèi)完成任務(wù),常常不求甚解,降低分析的工作質(zhì)量,追求形式上的任務(wù)完成,如此勢必失去了FMEA 工作的意義。

4 提高航天產(chǎn)品FM EA 工作有效性的途徑

基于對當(dāng)前一些航天產(chǎn)品FM EA 工作存在問題及原因的分析,提出提高航天產(chǎn)品FM EA 工作有效性的建議如下:

1)清理現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn),航天系統(tǒng)內(nèi)自上而下統(tǒng)一認(rèn)識(shí),修訂完善FM EA 標(biāo)準(zhǔn)。修訂版QJ 3050 在QJ 3050-98 的基礎(chǔ)上, 將增補(bǔ)工藝FM EA 和軟件FM EA,對Q J 3050-98 中某些要求不夠明確、操作性差的不完善之處還要進(jìn)行修訂。FMEA 標(biāo)準(zhǔn)之間的不統(tǒng)一、不協(xié)調(diào)問題也應(yīng)當(dāng)通過梳理標(biāo)準(zhǔn),修訂或廢止某些不適用的標(biāo)準(zhǔn)來解決。

2)航天產(chǎn)品承制單位應(yīng)加大對產(chǎn)品設(shè)計(jì)者進(jìn)行FM EA 培訓(xùn)的力度,通過培訓(xùn),提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)者對FM EA 工作重要性的認(rèn)識(shí),讓產(chǎn)品設(shè)計(jì)者樹立“FM EA 工作的主體是產(chǎn)品設(shè)計(jì)者”、“FM EA 與設(shè)計(jì)同步開展”的正確理念,自覺地將FM EA 應(yīng)用在航天產(chǎn)品的研制中;提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)者對FMEA 方法的理解和應(yīng)用水平,提高產(chǎn)品FM EA 的分析質(zhì)量;提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)者的相關(guān)技術(shù)水平,讓產(chǎn)品設(shè)計(jì)者掌握產(chǎn)品技術(shù)細(xì)節(jié)、成功設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和失敗案例。

3)航天產(chǎn)品研制管理部門應(yīng)科學(xué)安排FMEA工作的時(shí)機(jī)和進(jìn)度,在產(chǎn)品研制流程和可靠性工作計(jì)劃中落實(shí)“FM EA 與設(shè)計(jì)同步開展”、“誰設(shè)計(jì)誰負(fù)責(zé)”的原則,防止設(shè)計(jì)與FM EA 工作脫節(jié),同時(shí)給產(chǎn)品設(shè)計(jì)者開展FMEA 工作提供必要的時(shí)間保障,以確保FMEA 工作的有效性。

)

[1]中國人民解放軍總裝備部.GJB/Z 1391-2006 故障模式、影響及危害性分析指南[S].北京:國防科工委軍標(biāo)出版發(fā)行部, 2006

[2]中國航天工業(yè)總公司.QJ 3050-98 航天產(chǎn)品故障模式、影響及危害性分析指南[S].北京:中國航天標(biāo)準(zhǔn)化研究所,1998

[3]中華人民共和國航空航天工業(yè)部.QJ 2437-93 衛(wèi)星故障模式影響和危害度分析[S].北京:中國航天標(biāo)準(zhǔn)化研究所,1993

[4]Stamatis D H.故障模式影響分析FMEA 從理論到實(shí)踐[M].陳曉彤, 姚紹華,譯.北京:國防工業(yè)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