梁新成，張智文，周 黎，袁 源

（1.西南大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，重慶 400715；2.西南大學(xué) 人工智能學(xué)院，重慶 400715； 3.重慶江增船舶重工有限公司，重慶 402284）

隨著傳統(tǒng)汽車(chē)保有量的急劇增加，產(chǎn)生了一系列問(wèn)題，如交通擁堵、能源供給緊張、廢氣排放及噪音等。新能源汽車(chē)由于使用非常規(guī)能源，并且綜合了車(chē)輛動(dòng)力及控制的先進(jìn)技術(shù)，因而具有低噪音、零污染等特點(diǎn)，也是汽車(chē)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的主要目標(biāo)。燃料電池汽車(chē)作為新能源汽車(chē)的一種，通過(guò)將氫氣的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能，僅排出熱和水，因而是一款真正意義上清潔、高效的汽車(chē)，也是我國(guó)保障能源安全、應(yīng)對(duì)氣候變化及實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”的重要抓手[1-3]。因此，開(kāi)展燃料電池汽車(chē)的相關(guān)研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

空氣壓縮機(jī)（以下簡(jiǎn)稱空壓機(jī)）被譽(yù)為“燃料電池之肺”，其壓比和流量對(duì)燃料電池系統(tǒng)的性能、成本和電堆尺寸等影響較大，且其自身能耗約占電池輸出總功率的20%以上。同時(shí)，空壓機(jī)成本約占整個(gè)燃料電池總成本的15%～20%，也是限制燃料電池規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的重要因素。另一方面，目前國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)相關(guān)產(chǎn)品長(zhǎng)期被歐美及日本等國(guó)外公司壟斷，售價(jià)高達(dá)10～15萬(wàn)元/套，國(guó)內(nèi)企業(yè)雖然正在加快研發(fā)，但設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)、制造工藝和控制技術(shù)等均落后于國(guó)外，且市場(chǎng)應(yīng)用極少。在工信部頒布的兩版《節(jié)能與新能源汽車(chē)技術(shù)路線圖》中，空壓機(jī)均被列為亟待突破的關(guān)鍵系統(tǒng)技術(shù)。因此，研發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的空壓機(jī)系統(tǒng)將有助于打破國(guó)外技術(shù)的壟斷，推動(dòng)氫能在交通領(lǐng)域的示范應(yīng)用。

空壓機(jī)由多個(gè)部件組成，其中主軸、壓氣葉輪、外殼及空氣箔片軸承等屬于關(guān)鍵部件，其設(shè)計(jì)的質(zhì)量直接影響空壓機(jī)乃至整個(gè)燃料電池的性能。以空氣箔片軸承為例，作為以空氣等氣體為潤(rùn)滑劑的滑動(dòng)軸承，具有精度及工作轉(zhuǎn)速高、耐高低溫、無(wú)需專(zhuān)門(mén)的潤(rùn)滑裝置及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但其機(jī)械承載力相對(duì)較弱，平箔片厚度、軸承波紋剛度及楔形區(qū)域入口高度等對(duì)其承載力影響大[4-5]。此外，空氣軸承本身的理論研究極為復(fù)雜，其承載力及支承剛度的仿真計(jì)算較為困難，需要應(yīng)用轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)等非線性理論進(jìn)行分析[6-7]。空壓機(jī)外殼對(duì)于系統(tǒng)效率及工作范圍有很大的影響，氣體在內(nèi)部的流動(dòng)相當(dāng)復(fù)雜，當(dāng)前鮮有文獻(xiàn)分析外殼參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響[8]。對(duì)壓氣葉輪而言，葉片入口安裝角、葉片出口安裝角、葉片包角以及葉片型線等參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的功耗影響較大，對(duì)其需要進(jìn)行優(yōu)化組合[9-10]。超高速電機(jī)作為空壓機(jī)中另一重要系統(tǒng)，其轉(zhuǎn)速高達(dá)100000 r/min或更高，則控制器的安裝、冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及系統(tǒng)噪聲等都需要慎重考慮[11-12]。由于車(chē)用燃料電池空壓機(jī)比通常的機(jī)械設(shè)計(jì)在精度、可靠性及壽命等方面的要求更高，故僅使用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論及方法容易造成反復(fù)修改導(dǎo)致研發(fā)成本和周期顯著上升。因此，有必要借助新的設(shè)計(jì)和分析方法以提升設(shè)計(jì)的可靠性和效率。

潛在失效模式及影響分析（Failure Mode and Effects Analysis, FMEA）是一種用以確保在產(chǎn)品和過(guò)程的開(kāi)發(fā)過(guò)程中潛在問(wèn)題被考慮并闡明的分析方法[13]。通常分為設(shè)計(jì)FMEA（Design FMEA, DFMEA）和工藝FMEA（Process FMEA, PFMEA）。前者由設(shè)計(jì)部門(mén)完成，著重于分析元件及關(guān)鍵設(shè)計(jì)要素的物理失效模式；后者由工藝部門(mén)完成，著重于分析由于加工不符合要求而造成產(chǎn)品失效[14]。作為一種可靠性分析方法曾在航空航天等多個(gè)領(lǐng)域取得了良好的效果，功能尤為強(qiáng)大。鑒于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法存在不足和FMEA方法的先進(jìn)性，有必要將二者結(jié)合起來(lái)實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)研發(fā)效率的提升。

1 DFMEA的概述

1.1 DFMEA在國(guó)外的應(yīng)用

FMEA作為一種可靠性分析方法起源于美國(guó)。早在上世紀(jì)50年代初，美國(guó)格魯門(mén)飛機(jī)公司在研制飛機(jī)主操縱系統(tǒng)時(shí)就采用了FMEA方法，雖未進(jìn)行危害性分析（Criticality Analysis, CA），但仍取得了良好的效果。從上世紀(jì)60年代起，該方法開(kāi)始廣泛地應(yīng)用于航空、航天、艦船、兵器等裝備研制中，并逐漸滲透到機(jī)械、汽車(chē)、醫(yī)療設(shè)備等民用工業(yè)領(lǐng)域，取得了顯著的效果。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中這一階段約占開(kāi)發(fā)費(fèi)用的30%、總時(shí)間的40%。此外，產(chǎn)品質(zhì)量好壞的60%～70%取決于產(chǎn)品設(shè)計(jì)工作，其質(zhì)量事故有1/3以上緣于產(chǎn)品設(shè)計(jì)不善造成，產(chǎn)品制造成本也在很大程度上取決于設(shè)計(jì)的合理性。因此，如何在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段有效地避免失效非常重要。作為FMEA的一種，DFMEA通過(guò)系統(tǒng)分析，確定元器件、零部件、設(shè)備、軟件在設(shè)計(jì)中所有可能的故障模式，以及每一故障模式的原因及影響，以便找出潛在的薄弱環(huán)節(jié)，并提出改進(jìn)措施。通常用故障影響的嚴(yán)重程度以及發(fā)生的概率來(lái)估計(jì)其危害程度，并根據(jù)危害程度確定采取設(shè)計(jì)改進(jìn)、使用補(bǔ)償措施的優(yōu)先順序。

1.2 DFMEA在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用

20世紀(jì)60年代，我國(guó)才開(kāi)始重視并引進(jìn)可靠性技術(shù)。隨著可靠性技術(shù)的發(fā)展，其在工程中的應(yīng)用不斷擴(kuò)大，帶動(dòng)了FMEA的傳播和應(yīng)用。我國(guó)制定的《系統(tǒng)可靠性分析技術(shù)失效模式和效應(yīng)分析程序》（GB 826—87）、《裝備研制和生產(chǎn)可靠性通用綱領(lǐng)》（GJB 450）及《故障模式、影響及危害性分析程序》（GJB 1391—92）等[15]。DFMEA的應(yīng)用提升了汽車(chē)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)水平，縮短了研發(fā)的周期和成本，也促使了其理論性的進(jìn)一步完善。

1.3 DFMEA存在的問(wèn)題

盡管DFMEA的功能強(qiáng)大，但目前在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用中還存在諸多問(wèn)題，如企業(yè)對(duì)DFMEA效益與價(jià)值認(rèn)識(shí)不清楚、開(kāi)發(fā)周期緊張無(wú)法完成DFMEA檢查等問(wèn)題[16]。具體如下：

1）對(duì)DFMEA的理解不到位，存在脫節(jié)現(xiàn)象。一些企業(yè)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)完成后補(bǔ)充一個(gè)DFMEA表格，后者是在產(chǎn)品失效后進(jìn)行分析，沒(méi)有在“事件發(fā)生前”采取措施，錯(cuò)過(guò)了在設(shè)計(jì)階段發(fā)現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)并改進(jìn)設(shè)計(jì)的機(jī)會(huì)，使DFMEA的工作流于形式。對(duì)于產(chǎn)品的不同研制階段，應(yīng)該進(jìn)行不同程度、層次的DFMEA。總之，需要深刻理解DFMEA的精髓，將其在產(chǎn)品的研制階段反復(fù)完善與迭代。

2）未形成一個(gè)跨部門(mén)的協(xié)調(diào)小組，僅依靠個(gè)別設(shè)計(jì)師的經(jīng)驗(yàn)[17]。在實(shí)際中，DFMEA由具有設(shè)計(jì)責(zé)任的產(chǎn)品設(shè)計(jì)小組的某個(gè)設(shè)計(jì)人員按照自身的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行編制。受工程師自身素質(zhì)和經(jīng)驗(yàn)的限制，常常會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題根源分析不全面、找不到好的解決方案等，進(jìn)而導(dǎo)致DFMEA的內(nèi)容蒼白無(wú)力。DFMEA需要貫徹“誰(shuí)設(shè)計(jì)、誰(shuí)負(fù)責(zé)”的原則，更需要設(shè)計(jì)、工藝、制造、售后及用戶等組成一個(gè)協(xié)調(diào)小組，通過(guò)集思廣益完成相關(guān)的內(nèi)容。

3）DFMEA是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，需要不斷完善和修改[18]。部分企業(yè)的DFMEA對(duì)失敗教訓(xùn)、成功設(shè)計(jì)思路等數(shù)據(jù)積累不及時(shí)，相關(guān)參數(shù)如嚴(yán)重度、頻度及探測(cè)度的取值具有隨意性，控制措施與失效原因之間沒(méi)有對(duì)應(yīng)關(guān)系，這些都造成了參考資料老舊及與實(shí)際情況不符合，失去了指導(dǎo)后續(xù)設(shè)計(jì)的價(jià)值。

4）DFMEA需要完善。盡管頻度等參數(shù)在使用中參考了國(guó)外的標(biāo)準(zhǔn)，但由于國(guó)內(nèi)外的設(shè)計(jì)及制造水平存在明顯的差異，完全照搬不可行。一些參數(shù)在相鄰的分?jǐn)?shù)之間決斷時(shí)難以作出判斷。實(shí)際上DFMEA中的風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)（Risk Priority Number, RPN）的數(shù)值具有不連續(xù)性，即使相同的RPN數(shù)值代表的意義也并非完全一致，故完全根據(jù)RPN數(shù)值來(lái)判斷失效模式存在風(fēng)險(xiǎn)。因此，DFMEA還需要與其他方法一起共同提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)水平。

2 DFMEA在空壓機(jī)研發(fā)中的應(yīng)用

空壓機(jī)是一個(gè)具有多個(gè)零部件/總成的復(fù)雜系統(tǒng)，直接應(yīng)用DFMEA進(jìn)行各個(gè)層級(jí)分析的工作量過(guò)大，且零部件之間的耦合關(guān)系也會(huì)增加完成的難度，因此，本文僅對(duì)圖1的幾個(gè)重要零部件進(jìn)行分析并給出改進(jìn)建議。

圖1 空壓機(jī)的部分零部件結(jié)構(gòu)圖

2.1 相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)的取值和計(jì)算依據(jù)

為了能夠?qū)諌簷C(jī)部件的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，按照FMEA的相關(guān)理論對(duì)嚴(yán)重度（S）、頻度（O）及探測(cè)度（D）進(jìn)行取值，再計(jì)算出RPN的值NRP= S×O×D，以確定失效的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)并進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)。其中相關(guān)參數(shù)的取值依據(jù)如表1—表3所示[19]。

表1 頻度O取值表

表2 嚴(yán)重度S取值

表3 探測(cè)度D取值

2.2 零部件存在問(wèn)題梳理

將空壓機(jī)零部件存在的問(wèn)題分別進(jìn)行整理，具體如下：

1）本項(xiàng)目中的空氣箔片軸承分為推力軸承和徑向軸承兩種。其中推力軸承表現(xiàn)出的問(wèn)題是磨損和坍塌，主要是設(shè)計(jì)時(shí)材料的選擇失當(dāng)。徑向軸承的問(wèn)題是剛度不夠，存在高溫失效；軸承內(nèi)孔的粗糙度不合理，存在碰擦和卡死現(xiàn)象。此外，材質(zhì)的耐磨性差，部件壽命不滿足要求。

2）主軸總體分為三段，主軸前段安裝壓氣機(jī)，主軸后段為止推盤(pán)，中間段為永磁體，三段用護(hù)套過(guò)盈連接。其存在問(wèn)題是主軸軸承強(qiáng)度不夠，壽命無(wú)法保證。主軸外圓和軸承之間的間隙不合理，會(huì)導(dǎo)致磨損產(chǎn)生。電機(jī)設(shè)計(jì)也存在問(wèn)題，無(wú)法保證額定的輸入功率。

3）壓氣葉輪存在葉輪與壓氣機(jī)殼配合間隙小于運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的最小允許間隙，容易發(fā)生尺寸干涉。另外，材質(zhì)選擇不當(dāng)，當(dāng)前材料易變形甚至脆裂，引起動(dòng)平衡變化。

4）外殼材料是6063鋁合金，其中有冷卻液流道、空氣通道、軸承支撐孔為重要特征。分析發(fā)現(xiàn)外殼容易出現(xiàn)疲勞現(xiàn)象，材料承受不了200 ℃以上的溫度，殼體會(huì)出現(xiàn)變形，耐腐蝕的能力也比較差。與擴(kuò)壓體的配合存在問(wèn)題，可能導(dǎo)致部分零部件無(wú)法安裝。

2.3 應(yīng)用DFMEA進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)

在完成空壓機(jī)問(wèn)題梳理的基礎(chǔ)上，再結(jié)合DFMEA理論對(duì)前期空氣箔片軸承、外殼、主軸及葉輪等核心零部件的設(shè)計(jì)進(jìn)行了系統(tǒng)的分析和虛擬實(shí)驗(yàn)，即分析了潛在失效的模式、后果、原因及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，也對(duì)未來(lái)擬采取的改進(jìn)措施進(jìn)行了整理，具體如表4所示。表4中S、O及D的取值借鑒了表1—表3。必須指出，DFMEA表是一個(gè)動(dòng)態(tài)文件，需要持續(xù)改進(jìn)直至產(chǎn)品的生命周期結(jié)束。項(xiàng)目組根據(jù)失效模式的RPN門(mén)限值和S值的閾值來(lái)判斷是否需要改進(jìn)，其中規(guī)定當(dāng)RPN門(mén)限值為80，或S值大于等于6時(shí)進(jìn)行改進(jìn)，修改后的RPN值不大于40。

表4 空壓機(jī)零部件的DFMEA表格

3 結(jié)論

車(chē)用燃料電池空壓機(jī)是復(fù)雜且精密的機(jī)電一體化系統(tǒng)，用傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)方法存在開(kāi)發(fā)成本高、可靠性差的問(wèn)題，將DFMEA分析方法引入在設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)CAE計(jì)算及虛擬實(shí)驗(yàn)等方法對(duì)設(shè)計(jì)的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，發(fā)現(xiàn)了空壓機(jī)設(shè)計(jì)方面存在的不足。再根據(jù)DFMEA方法制定了修改意見(jiàn)，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)、更換材料等提高了設(shè)計(jì)的可靠性，降低了研發(fā)的成本。主要結(jié)論如下：

1）應(yīng)用DFMEA方法系統(tǒng)整理了空壓機(jī)重要零部件在設(shè)計(jì)方面存在的失效問(wèn)題，較好地消除了設(shè)計(jì)方面存在的風(fēng)險(xiǎn)。

2）根據(jù)失效模式，給出了相應(yīng)的解決辦法，使設(shè)計(jì)的可靠性大幅提升，空氣軸承等重要部件的性能得以明顯改進(jìn)。