基于工业变流产品的 FMEA研究

初蕊 1 ，王婷 2 ，李素芬 3 ，杨磊 4

1.2.3.4 中车株洲电力机车研究所有限公司，湖南 株洲 412001

摘 要：本文介绍了FMEA的背景、发展情况，详细介绍了FMEA分析过程的重要指标以及分析流程和方法，并以工业变流产品中的某变频器为例进行结构分析，对部分关键部件进行了失效分析及其影响的研究，阐明了FMEA在产品设计过程中的应用意义。

关键词：FMEA；变流产品；失效模式

1. 背景

失效模式和影响分析（Failure Model and Effects Analysis，FMEA）是一项用于确定、识别和消除在系统、设计、过程和服务中已知和潜在的失效、问题、错误的工程技术，FMEA实际上是FMA（故障模式分析）和FEA（故障影响分析）的组合，通过识别产品失效模式，研究分析各种失效模式产生的原因及其造成的影响，对各种可能的分析进行评价、分析，以便在现有技术的基础上消除这些风险或将这些风险减小到可接受的水平。FMEA方法起源于硬件，是一种传统的可靠性和安全性分析方法，在硬件的可靠性工程中已获得了广泛的应用，已经被证明是一种十分有效的分析方法，对提高硬件的可靠性、安全性发挥了重要作用，从原理上看，硬件FMEA方法通过识别失效模式、分析失效模式产生的原因及其造成的影响，研究防范措施以避免或减轻危害。及时性是成功实施FMEA的最重要因之一，它是一个“事前的行为”，而不是“事后的行为”。

2. FMEA发展情况

FMEA技术最早起源于美国，在20世纪50年代初，美国格鲁门飞机公司第一次将FMEA技术用于某飞机的操作系统的设计分析，取得了很好的效果，到60年代中期，美国的航天工业领域开始运用FMEA技术，从此FMEA技术开始逐渐被应用于各个行业，70年代末，FMEA技术逐渐进入医疗设备产业和汽车产业，到80年代初，FMEA又进入微电子产业，1991年，ISO9000推荐使用FMEA作为提高产品和过程设计的工具，1994年，FMEA又成为QS9000的认证要求，并成为QS-9000五大核心工具之一。至今，FMEA通过工程实践已经形成了一套科学而完整的分析方法，并已成为传统产业和高科技行业保持其品质不断改进的必备方法。

FMEA在制造业的应用比较普通，不仅可以在产品设计阶段、产品投产前就进行设计FMEA分析，还可以在产品生产、装配等过程中对其进行过程FMEA分析。基于目前FMEA在电子、汽车、武器装备等领域取得的显著成效。如何把FMEA应用在工业产品中，并在设计初期找到隐患故障，进行有效的风险分析和控制，是可靠性工程师努力的一个方向。

3. DFMEA的重要指标

失效即丧失完成规定的功能，其表现形式成为失效模式，引起产品失效的物理、化学或生物等变化的内在原因称为失效机理。DFMEA的主要工作就是确定失效模式，查找失效机理，从而制定措施来避免或降低失效的发生。DFMEA主要有4个重要指标：严重度（S）、频度（O）、探测度（D）和风险优先系数（RPN）。严重度（S）是指潜在失效模式发生时对零件、子系统、系统或顾客影响后果的严重程度的评价指标；频度（O）指某一特定的起因/机理在设计寿命内出现的可能性；探测度（D）是指用现行控制方法来探测潜在失效能力的评价指标。为量化评价，按照1-10的打分原则对S、O、D进行评价。风险优先系数（RPN）是S、O、D的乘积，即RPN=S*O*D。

4. DFMEA在工业变流产品中的应用

以某变频器产品为例，以功能模块、器件为单位划分，确定各个功能块的功能，并分析其不同要素的失效模式以及对变频器系统或者用户的失效影响，对针对失效模式的失效起因进行分析，结合现行的预防措施，对已经实施、即将可以实施的预防措施进行罗列。

4.1 结构分析

将系统拆分至子系统、产品以及零部件，并使用可视化的方法来表达系统、子系统以及零部件。考虑物理接触（支架、螺栓、夹子和各种类型的连接器）、能量传递（传热、摩擦或运动传递）、信息交换（计算机输入或输出、线束、电信号或任何其他类型的信息交换安全项目）、人-机（控制、开关、反应，显示，警告，设置，进入/退出）、物料交换（冷却液，废气等）等互联。

4.2 功能分析及失效模式和原因分析

在全面了解系统及其运行条件和环境后，功能分析的目的是使产品可视化，按照功能将某变频器系统分为主电路、电源、主控、采样子系统、人机交互五个子系统。

4.3失效模式影响评估

确定故障模式的影响，判断其严重程度，并给出预防控制措施，对于风险顺序数RPN值得分较高的项点，尤其关注，给出建议措施，并且反馈给设计人员，从而从设计角度优化设计。

4.4 协同研发体系中的DFMEA

产品质量是衡量企业竞争力的重要因素，而70-80%的产品质量由早期设计阶段决定，目前很多企业都已经开始采用FMEA作为产品设计过程中的重要环节，因此从零部件的DFMEA入手反过来验证子系统、系统的DFMEA可以有效的提升系统可靠性，并且可以降低成本和开发周期。

4.5 FMEA在设计过程中存在的问题

FMEA中故障模式和故障原因分析不全，由于经验和基础数据的不足，分析人员不是从产品的功能、性能故障的角度分析，而是从产品硬件角度进行分析，造成故障原因分析不足。同时，没有将产品的故障模式固化到FMEA要求中，作为后续类似产品FMEA必须考虑的问题，而是多凭设计者经验。

FMEA工作缺乏持续性，对产品研制的不同阶段，应进行不同程度、不同层次的FMEA，也就是说，FMEA应及时反映设计、工艺上的变化，并随着研制阶段的展开而不断补充、完善和反复迭代。应对FMEA的结果进行跟踪与分析，以验证其正确性和改进措施的有效性。这种跟踪分析的过程，也是逐步积累FMEA工程经验的过程，一套完整的FMEA资料，是各方面经验的总结，是宝贵的工程财富，应当不断积累并归档。

5. 结论与展望

尽管FMEA在应用中还存在一些问题，但是FMEA作为一种从设计上防患于未然的方法,可以逐步有效的挖掘出产品的潜在故障模式，从严重程度、发生概率、危害性综合评估产品的薄弱环节，并提出降低风险的改进措施，所以只要坚持开展FMEA,逐步建立通用性、模块性、标准化的故障模式及改进措施分析数据库，工业产品的可靠性必将提升。

参考文献:

1. 朱云鹏著.基于FMEA的数控机床可靠性分配方法的研究 [D]. 东北大学. 2015

2. 肖启聪著.FMEA在NF公司过程质量管理中的应用研究 [J].质量技术监督研究.2015-04-20 .

3. 陈娟著.FMEA质量理念及应用研究 [J].世界标准化与质量管理.2004-09-23.

4. 谷成著.基于FMEA的国产元器件应用可靠性评价研究[D].哈尔滨工业大学.2019

5. 张晓爽著.基于FMEA的航空发动机故障诊断方案设计 [C]2015航空试验测试技术学术交流会论文集.2015-07-28

6. 阳曦鹏著.基于FMEA的电力设备故障管理系统设计 [J].电子产品可靠性与环境试验.2020-07-31

作者简介：初蕊（1987-11-28）女，高级工程师，研究方向：可靠性测试技术。