張柳鋒 樂(lè) 斌 陳 儲(chǔ) 葉順堅(jiān)

PFMEA在運(yùn)載火箭研制中的應(yīng)用研究

張柳鋒 樂(lè) 斌 陳 儲(chǔ) 葉順堅(jiān)

（上海航天精密機(jī)械研究所，上海 201600）

故障模式及影響分析（PFMEA）是預(yù)防質(zhì)量問(wèn)題的一種有效方法，文章通過(guò)以某一型號(hào)運(yùn)載火箭的三級(jí)貯箱為案例，深入分析PFMEA的實(shí)施步驟和各要素，對(duì)篩選出的故障模式制定了改進(jìn)措施，總結(jié)改進(jìn)措施的落實(shí)結(jié)果和有效性，使PFMEA在運(yùn)載火箭產(chǎn)品的研制過(guò)程中能夠真正發(fā)揮其預(yù)防、降低風(fēng)險(xiǎn)的作用。

PFMEA；三級(jí)貯箱；改進(jìn)措施

1 引言

故障模式及影響分析（Failure Mode and Effects Analysis，簡(jiǎn)稱(chēng)FMEA）是一種用來(lái)確定潛在故障及其原因的科學(xué)方法，通過(guò)制定改進(jìn)措施可以預(yù)防質(zhì)量問(wèn)題的發(fā)生，目前已廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、使用和維護(hù)等過(guò)程，其中用于生產(chǎn)過(guò)程的稱(chēng)為PFMEA（P代表Process）。PFMEA指對(duì)產(chǎn)品制造過(guò)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(duì)后續(xù)工序或最終產(chǎn)品的影響，并風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)高的故障采取改進(jìn)措施，以此來(lái)消除或降低故障模式的可能，從而達(dá)到預(yù)防質(zhì)量問(wèn)題的發(fā)生和降低企業(yè)成本的目的[1]。

2 PFMEA在國(guó)內(nèi)運(yùn)載火箭研制中的應(yīng)用情況

由于PFMEA可以預(yù)防質(zhì)量問(wèn)題的發(fā)生，目前國(guó)內(nèi)航天企業(yè)和相關(guān)從業(yè)人員都已經(jīng)認(rèn)識(shí)到了PFMEA的重要作用，并且逐步在實(shí)踐和應(yīng)用。與國(guó)外相比，由于PFMEA工作起步較晚，且需要大量人員長(zhǎng)時(shí)間的參與，而目前我國(guó)運(yùn)載火箭多型號(hào)、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(hào)運(yùn)載火箭中的結(jié)構(gòu)產(chǎn)品三級(jí)貯箱為分析對(duì)象，通過(guò)案例的形式具體分析、總結(jié)和歸納PFMEA的實(shí)施過(guò)程及其要素，對(duì)PFMEA在運(yùn)載火箭產(chǎn)品研制中的應(yīng)用有一定的指導(dǎo)和借鑒作用。

3 PFMEA的實(shí)施流程

3.1 PFMEA工作開(kāi)展時(shí)機(jī)

PFMEA工作的最佳時(shí)機(jī)是產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖樣確定后的工藝初步設(shè)計(jì)階段，隨著工藝設(shè)計(jì)的深入與工藝文件編制工作同步展開(kāi)。有利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)工藝設(shè)計(jì)中的薄弱環(huán)節(jié)或高風(fēng)險(xiǎn)活動(dòng)，據(jù)此制定相應(yīng)的改進(jìn)措施。同時(shí)，應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品所處的生產(chǎn)階段開(kāi)展不同程度、不同層次的分析，即PFMEA不是一成不變的，它應(yīng)及時(shí)反映工藝設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝的變化，并隨著產(chǎn)品研制的深入而不斷補(bǔ)充、完善和反復(fù)迭代。

3.2 PFMEA準(zhǔn)備工作

a. 明確PFMEA分析對(duì)象。以某一型號(hào)運(yùn)載火箭的三級(jí)貯箱為分析對(duì)象開(kāi)展相關(guān)研究工作。三級(jí)貯箱是該型號(hào)運(yùn)載火箭箭體結(jié)構(gòu)的重要組成部分，用于貯存三子級(jí)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(tuán)隊(duì)。明確分析對(duì)象后，組建工作團(tuán)隊(duì)并合理分配工作任務(wù)。PFMEA團(tuán)隊(duì)一般應(yīng)選擇6～10人，由來(lái)自不同崗位和專(zhuān)業(yè)的人員組成，包括設(shè)計(jì)、工藝、生產(chǎn)和檢驗(yàn)等部門(mén)的人員；

c. 搜集資料和數(shù)據(jù)。在實(shí)施PFMEA分析前，應(yīng)搜集相應(yīng)的資料和數(shù)據(jù)作為后續(xù)分析的參考，包括：產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖樣及技術(shù)要求；產(chǎn)品的工藝文件；類(lèi)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(kāi)展PFMEA分析并編寫(xiě)報(bào)告

3.3.1 建立產(chǎn)品工藝流程表

根據(jù)分析對(duì)象的設(shè)計(jì)圖樣及技術(shù)要求等文件，開(kāi)展工藝設(shè)計(jì)并明確產(chǎn)品研制流程，建立詳細(xì)的產(chǎn)品工藝流程表。三級(jí)貯箱的工藝流程（部分）見(jiàn)表1。

表1 工藝流程表

3.3.2 形成零部件工藝關(guān)系矩陣

習(xí)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(jì)社會(huì)發(fā)展的各個(gè)環(huán)節(jié)?！盵9]129這就決定了我們?cè)诮y(tǒng)籌推進(jìn)各方面建設(shè)中，始終要以人民利益的實(shí)現(xiàn)為中心，在發(fā)展中保障和改善民生。

表2 三級(jí)貯箱工藝關(guān)系矩陣

依據(jù)設(shè)計(jì)圖樣及技術(shù)文件的要求，并結(jié)合前述工藝流程，梳理產(chǎn)品的關(guān)鍵/重要工序及特性，形成零部件工藝關(guān)系矩陣，表示零部件特性與工藝流程各工序間的關(guān)系。三級(jí)貯箱的零部件工藝關(guān)系矩陣（部分）見(jiàn)表2。

3.3.3 填寫(xiě)PFMEA分析表

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

a. 故障模式分析：分析潛在的過(guò)程故障模式是指分析過(guò)程可能發(fā)生的無(wú)法達(dá)到過(guò)程功能要求或過(guò)程設(shè)計(jì)意圖的問(wèn)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(yīng)依據(jù)糾正或可以控制的原則予以說(shuō)明，盡可能地列出所有故障模式所對(duì)應(yīng)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(duì)最終產(chǎn)品的影響，產(chǎn)品失效的后果應(yīng)使用相關(guān)性能來(lái)描述，例如不能緊固、無(wú)法安裝、不匹配、承壓能力不足等；

d. 嚴(yán)酷度分析：嚴(yán)酷度指某個(gè)工序的故障模式對(duì)單機(jī)產(chǎn)品的最嚴(yán)重的影響程度，目前常用的評(píng)分準(zhǔn)則見(jiàn)表3。

表3 嚴(yán)酷度等級(jí)評(píng)分準(zhǔn)則

表4 故障發(fā)生概率等級(jí)評(píng)分準(zhǔn)則

f. 探測(cè)度分析：主動(dòng)探測(cè)出故障模式（如采用防護(hù)措施、量具測(cè)量、人工檢查等方法），不包括故障模式被動(dòng)暴露出的情況（如發(fā)生故障），評(píng)分準(zhǔn)則見(jiàn)表5。

表5 探測(cè)度等級(jí)評(píng)分準(zhǔn)則

根據(jù)上述PFMEA各要素的分析和判定原則，填寫(xiě)三級(jí)貯箱的PFMEA分析表，見(jiàn)表6。

表6 三級(jí)貯箱PFMEA分析表

3.3.4 PFMEA結(jié)果分析，并采取改進(jìn)措施降低風(fēng)險(xiǎn)

根據(jù)分析結(jié)果，列出滿(mǎn)足下列條件之一的故障模式，作為后續(xù)工藝改進(jìn)的重點(diǎn)方向，見(jiàn)表7。a.故障模式嚴(yán)酷度為I類(lèi)或II類(lèi)；b.故障模式發(fā)生概率為4級(jí)或4級(jí)以上；c.故障模式探測(cè)度為4級(jí)或4級(jí)以上。針對(duì)

故障模式，需制定合理有效的改進(jìn)措施，以減少工藝故障模式發(fā)生概率和探測(cè)度的級(jí)別為出發(fā)點(diǎn)的工藝設(shè)計(jì)改進(jìn)措施和使用補(bǔ)償措施，并盡可能做到參數(shù)量化，明確落實(shí)在相關(guān)文件中。改進(jìn)措施制定后，應(yīng)預(yù)測(cè)或跟蹤改進(jìn)措施的落實(shí)結(jié)果、有效性，對(duì)故障模式發(fā)生概率和故障模式探測(cè)度級(jí)別的變化情況進(jìn)行分析，判斷是否降低至4級(jí)以下。采取改進(jìn)措施后尚不滿(mǎn)足要求時(shí)，需進(jìn)一步改進(jìn)工藝，直到風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)降至4級(jí)以下。

表7 改進(jìn)措施及落實(shí)情況

3.4 三級(jí)貯箱PFMEA小結(jié)

以“三級(jí)貯箱”為對(duì)象開(kāi)展的PFMEA分析工作，梳理出了各工序的主要故障模式，并針對(duì)這些故障模式開(kāi)展了相對(duì)應(yīng)的故障原因和影響分析，同時(shí)制定了有效的改進(jìn)措施，使產(chǎn)品的研制風(fēng)險(xiǎn)降到了可接受的范圍。目前三級(jí)貯箱不存在嚴(yán)酷度為Ⅰ、Ⅱ類(lèi)故障模式且故障模式發(fā)生概率或被檢測(cè)難度無(wú)法降至4級(jí)以下的情況。

4 結(jié)束語(yǔ)

使用PFMEA技術(shù)可以提升并豐富質(zhì)量管理手段，實(shí)現(xiàn)從“事后改進(jìn)”到“提前預(yù)防”的目的。目前運(yùn)載火箭產(chǎn)品的研制具有高風(fēng)險(xiǎn)、高成本的特點(diǎn)，如果不預(yù)防規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，那所付出的代價(jià)將是巨大并且無(wú)法承受的，建議PFMEA技術(shù)推廣應(yīng)用到運(yùn)載火箭其他產(chǎn)品的研制中。

1 徐云云，孫宗第，趙旭磊. 過(guò)程潛在失效模式及后果分析（PFMEA）在汽車(chē)制造業(yè)中的應(yīng)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(kāi)發(fā)中應(yīng)用[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)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(xué)與工程專(zhuān)業(yè)；研究方向：運(yùn)載火箭工藝管理。

2018-12-03