DFMEA在水輪發電機組設計中的應用

撰文/茹志云

■421403 甘溪水輪泵水電站 湖南 衡陽

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DFMEA在水輪發電機組設計中的應用

撰文/茹志云

■421403 甘溪水輪泵水電站 湖南 衡陽

文章針對水輪發電機組設計，闡述了 DFMEA的必要性，詳細介紹 DFMEA的實施方法、注意事項，并舉例加以說明。對水輪發電機組設計中應用和推廣DFMEA有一定的參考價值。關鍵詞：DFMEA；水輪發電機組設計；應用策略

水輪發電機組的質量問題和可靠性事故嚴重影響電站的經濟效益，有時甚至威脅到人們群眾的生命和財產安全。有必要采用DFMEA這個先進、有效的工具保證產品質量，提高產品的可靠性，變事后糾錯為事前預防，從設計源頭減少或避免產品的失效。目前有部分水輪發電機組企業實施了DFMEA，但很多流于形式，沒真正起到預防控制的作用。本文介紹 DFMEA在水輪發電機組設計中的應用方法、注意事項，引導DFMEA的有效實施，以提升水輪發電機產品的質量和可靠性，降低產品的開發和維護成本。

水輪發電機組設計中實施DFMEA的必要性

水輪發電機組的研發基本在傳統模式下進行?；疽揽拷涷炘O計和類比設計，少數關鍵零部件關鍵數據運用傳統理論進行了理論計算，設計者水平決定產品的設計質量?；径疾粫龀商椎膶嶒灅訖C來進行試驗，對機組的可靠性、可制造性和可維護性考慮不足。對從近三十年來統計數據發現機組故障，特備是中小型水電站故障不少且維修成本頗高。

而DFMEA能有效的預防故障，同時是開展產品可靠性設計、試驗、特性分析、技術風險分析、故障模式分析、可靠性關鍵項目等工作的基礎和源頭。具體來說，DFMEA能起到如下作用：

a減少風險和損失，避免產品失效，提高產品的可靠性；

b早期就考慮可制造性和可維護性，避免晚期更改，降低成本，縮短開發周期；

c為制定試驗計劃、質量控制計劃、測試標準和檢驗規范提供依據；

d發揮集體智慧，積累經驗，為后續工作提供寶貴的參考；

e提供改進設計的優先級依據，引導資源分配；

因此，很有必要在水輪發電機組設計過程中實施DFMEA。

DFMEA 在水輪發電機組設計中的實施方法

下面以FEMA第四版為標準，結合多年設計水輪發電機的經驗，和為相關企業做DFMEA培訓的心得就如何在水輪發電機組設計中應用做一個簡明扼要的說明。

aDFMEA基本思路

DFMEA的基本思路是：預測故障模式分析后果→確定原因和機理→找到避免或減少潛在失效發生的措施→采取措施并文件化。具體可采用以下步驟實施：

b 識別項目、功能與要求

項目：即DFMEA分析的對象，依照系統的結構和功能逐級向下建立，直到系統的零部件為止。如最終的產品、系統、模塊、零部件、指標等。

功能：是指被分析項目的功能，就是這個零部件、子系統/系統或接口到底有什么用，要達到什么目的。

要求：指功能/指標的具體要求。

“項目、功能、要求” 是DFMEA的基礎和出發點。如果這一欄沒沒有考慮清楚，那么整個DFMEA就等于無源之水、無本之木了。

一個項目到底有哪些功能和具體要求，有時我們并沒有完全掌握。我們應多方面、多層次、多角度挖掘出各零部件或子系統的項目/功能/要求，并且不滿足于對已有的認識，而應逐次深入、反復地再理解、再認識，以免直接導致DFMEA的缺失。

c 列出所有潛在失效模式，和失效的模式潛在后果

失效模式是指失效的外在宏觀表現形式和規律，是一個“觀察到的”或“外部影響”，應遵循“破壞功能”的原則。針對水輪發電機組，我們應建立失效模式清單。

潛在失效的后果是失效模式對功能的影響，就如顧客感受的一樣。也就是失效模式一旦發生時，對系統或裝備以及操作人員所造成的影響?？蓮膶蛻粢?、制造裝配、包裝、交付服務、安全性法律法規等方面考慮。

d列出潛在失效的原因和機理

失效原因指導致或激活失效機理的環境，指一個設計薄弱部分的跡象。

失效機理指導致失效的微觀的物理、化學、熱電或其它過程。

潛在失效的原因針對失效模式而言: 是什么原因引起了失效模式的發生？后續的建議措施以失效原因作為依據。盡量避免形式、空乏的失效原因分析，如責任心不強、設計不合理、設計不符合規范等。只有深刻、準確、中肯的定義失效的原因和機理，才能認識問題的本質，才有可能提出有效的措施。

e現行設計怎樣預防/探測？

控制預防：現在的設計是怎樣預防失效原因/機理和失效模式的發生的？指已經實施或承諾的活動。也是現行設計的薄弱部分。

控制探測：怎樣識別設計缺陷（失效原因）/失效模式是否存在，指在產品發布（投產）前，通過分析或物理的方法識別設計缺陷（失效原因）/失效模式是否存在。不同于PFMEA的產品檢測。探測包括設計分析和開發測試兩部分。探測性控制在設計開發過程中越早越好。

f 確定嚴重度、發生度、探測度，計算風險系數

因消費者對再制造產品的支付意愿不可能大于對新產品的支付意愿，且消費者對再制造產品的支付意愿不可能為負，故有0θ+β-γ1。

DFMEA 通過嚴重度 S、發生度 O、探測度 D 和風險順序數 RPN（S*O*D）四個參數對產品失效風險進行定量評估。 其中 S、O、D 三個參數的值為1～ 10，其值的確定在 AIAG（美國汽車工業集團）制定 的 FMEA 標準中都有相應的判定依據。其中探測度實際指不可探測度。

g采取措施降低風險

①改進措施的優先級別：

優先級別通過對S、O、D的分析和RPN數值來決定。針對水輪發電機組，建議如下原則：

原則一：首先關注S≥8 or O≥8 & D≥8的失效模式。

原則二：關注RPN≧125的失效模式。（說明：此處數據僅供參考）

首先要盡量設計完美，比如使用已證實的標準設計，修改不合適的設計。優先降低嚴重度，其次是采取預防（降低發生度）措施，再其次才是加強探測。

（1）通過設計更改降低嚴重度S；

（2）設計更改、控制、消除引起失效模式的原因，降低發生度O；

（3）通過設計更改、設計確認、設計驗證等降低探測度D。

DFMEA在水輪發電機組設計中的應用注意事項

a不要混淆DFMEA和PFMEA

不少企業將DFMEA做成了PFMEA，根源還是沒真正理解DFMEA以及與PFMEA的區別。DFMEA是產品的設計失效模式分析，而PFMEA是產品的過程失效模式分析。

DFMEA研究的是由設計缺陷造成的產品失效，除開產品設計本身，還包括因設計缺陷而導致的在生產、裝配、運行和維護等過程中的失效。同時它假定生產、裝配、運行和維護等過程符合工程規范。至于如何保證這些過程，則是PFMEA的內容了。

b重點切入，逐步完善

追求一次到位是理想的要求，實際上是很難做到的?？梢韵葟囊衙鞔_的要求和發現的問題入手。這包括項目任務書和產品規格書、類似產品過去的教訓（設計失敗案例、8D報告、運行不良、可靠性試驗發現的問題等）、類似產品客戶端反饋（如客訴，返修等）；制造、裝配、維護、質量部門的反饋等。 然后再推廣完善。

c從組織、資源和流程多方面保證DFMEA的有效實施

即使是目前已實施DFMEA的企業，相當部分也還處于應付狀態或者形式階段。要有效實施DFMEA，真正發揮其強大功能，至少要做到：1，有一個跨功能的資深的實施小組，包括研發、工程、質量、維護等資深工程師，由研發資深工程師/總工或項目經理任組長。2，具有相關資源，如要領導的支持，充足的時間等。 3，從產品開發流程保證DFMEA在整個產品開發過程中的有效實施。

結語

DFMEA對水輪發電機組的產品質量和效率的提升有很大的現實意義，如何有效實施是問題的關鍵。這需要了解DFMEA的基本要求，弄清DFEMA 與PFMEA的區別，深刻理解水輪發電機組產品，結合實際，從組織、資源和流程等方面保證。

參考：

［1］QS-9000 及相關手冊中文版修訂工作小組.潛在失效模式與后果分析（FMEA）參考手冊［K］. 北京：北京品士質量管理顧問有限公司，2001.

［2］D.H.Stamati. FMEA從理論到實踐［M］.陳曉彤，姚紹華，譯.北京：國防工業出版社，2005.

水輪發電機組設計DFMEA舉例