DFMEA在水轮发电机组设计中的应用

撰文/茹志云

■421403 甘溪水轮泵水电站 湖南 衡阳



DFMEA在水轮发电机组设计中的应用

撰文/茹志云

■421403 甘溪水轮泵水电站 湖南 衡阳

文章针对水轮发电机组设计，阐述了 DFMEA的必要性，详细介绍 DFMEA的实施方法、注意事项，并举例加以说明。对水轮发电机组设计中应用和推广DFMEA有一定的参考价值。关键词：DFMEA；水轮发电机组设计；应用策略

水轮发电机组的质量问题和可靠性事故严重影响电站的经济效益，有时甚至威胁到人们群众的生命和财产安全。有必要采用DFMEA这个先进、有效的工具保证产品质量，提高产品的可靠性，变事后纠错为事前预防，从设计源头减少或避免产品的失效。目前有部分水轮发电机组企业实施了DFMEA，但很多流于形式，没真正起到预防控制的作用。本文介绍 DFMEA在水轮发电机组设计中的应用方法、注意事项，引导DFMEA的有效实施，以提升水轮发电机产品的质量和可靠性，降低产品的开发和维护成本。

水轮发电机组设计中实施DFMEA的必要性

水轮发电机组的研发基本在传统模式下进行。基本依靠经验设计和类比设计，少数关键零部件关键数据运用传统理论进行了理论计算，设计者水平决定产品的设计质量。基本都不会做成套的实验样机来进行试验，对机组的可靠性、可制造性和可维护性考虑不足。对从近三十年来统计数据发现机组故障，特备是中小型水电站故障不少且维修成本颇高。

而DFMEA能有效的预防故障，同时是开展产品可靠性设计、试验、特性分析、技术风险分析、故障模式分析、可靠性关键项目等工作的基础和源头。具体来说，DFMEA能起到如下作用：

a减少风险和损失，避免产品失效，提高产品的可靠性；

b早期就考虑可制造性和可维护性，避免晚期更改，降低成本，缩短开发周期；

c为制定试验计划、质量控制计划、测试标准和检验规范提供依据；

d发挥集体智慧，积累经验，为后续工作提供宝贵的参考；

e提供改进设计的优先级依据，引导资源分配；

因此，很有必要在水轮发电机组设计过程中实施DFMEA。

DFMEA 在水轮发电机组设计中的实施方法

下面以FEMA第四版为标准，结合多年设计水轮发电机的经验，和为相关企业做DFMEA培训的心得就如何在水轮发电机组设计中应用做一个简明扼要的说明。

aDFMEA基本思路

DFMEA的基本思路是：预测故障模式分析后果→确定原因和机理→找到避免或减少潜在失效发生的措施→采取措施并文件化。具体可采用以下步骤实施：

b 识别项目、功能与要求

项目：即DFMEA分析的对象，依照系统的结构和功能逐级向下建立，直到系统的零部件为止。如最终的产品、系统、模块、零部件、指标等。

功能：是指被分析项目的功能，就是这个零部件、子系统/系统或接口到底有什么用，要达到什么目的。

要求：指功能/指标的具体要求。

“项目、功能、要求” 是DFMEA的基础和出发点。如果这一栏没没有考虑清楚，那么整个DFMEA就等于无源之水、无本之木了。

一个项目到底有哪些功能和具体要求，有时我们并没有完全掌握。我们应多方面、多层次、多角度挖掘出各零部件或子系统的项目/功能/要求，并且不满足于对已有的认识，而应逐次深入、反复地再理解、再认识，以免直接导致DFMEA的缺失。

c 列出所有潜在失效模式，和失效的模式潜在后果

失效模式是指失效的外在宏观表现形式和规律，是一个“观察到的”或“外部影响”，应遵循“破坏功能”的原则。针对水轮发电机组，我们应建立失效模式清单。

潜在失效的后果是失效模式对功能的影响，就如顾客感受的一样。也就是失效模式一旦发生时，对系统或装备以及操作人员所造成的影响。可从对客户要求、制造装配、包装、交付服务、安全性法律法规等方面考虑。

d列出潜在失效的原因和机理

失效原因指导致或激活失效机理的环境，指一个设计薄弱部分的迹象。

失效机理指导致失效的微观的物理、化学、热电或其它过程。

潜在失效的原因针对失效模式而言: 是什么原因引起了失效模式的发生？后续的建议措施以失效原因作为依据。尽量避免形式、空乏的失效原因分析，如责任心不强、设计不合理、设计不符合规范等。只有深刻、准确、中肯的定义失效的原因和机理，才能认识问题的本质，才有可能提出有效的措施。

e现行设计怎样预防/探测？

控制预防：现在的设计是怎样预防失效原因/机理和失效模式的发生的？指已经实施或承诺的活动。也是现行设计的薄弱部分。

控制探测：怎样识别设计缺陷（失效原因）/失效模式是否存在，指在产品发布（投产）前，通过分析或物理的方法识别设计缺陷（失效原因）/失效模式是否存在。不同于PFMEA的产品检测。探测包括设计分析和开发测试两部分。探测性控制在设计开发过程中越早越好。

f 确定严重度、发生度、探测度，计算风险系数

因消费者对再制造产品的支付意愿不可能大于对新产品的支付意愿，且消费者对再制造产品的支付意愿不可能为负，故有0θ+β-γ1。

DFMEA 通过严重度 S、发生度 O、探测度 D 和风险顺序数 RPN（S*O*D）四个参数对产品失效风险进行定量评估。 其中 S、O、D 三个参数的值为1～ 10，其值的确定在 AIAG（美国汽车工业集团）制定 的 FMEA 标准中都有相应的判定依据。其中探测度实际指不可探测度。

g采取措施降低风险

①改进措施的优先级别：

优先级别通过对S、O、D的分析和RPN数值来决定。针对水轮发电机组，建议如下原则：

原则一：首先关注S≥8 or O≥8 & D≥8的失效模式。

原则二：关注RPN≧125的失效模式。（说明：此处数据仅供参考）

首先要尽量设计完美，比如使用已证实的标准设计，修改不合适的设计。优先降低严重度，其次是采取预防（降低发生度）措施，再其次才是加强探测。

（1）通过设计更改降低严重度S；

（2）设计更改、控制、消除引起失效模式的原因，降低发生度O；

（3）通过设计更改、设计确认、设计验证等降低探测度D。

DFMEA在水轮发电机组设计中的应用注意事项

a不要混淆DFMEA和PFMEA

不少企业将DFMEA做成了PFMEA，根源还是没真正理解DFMEA以及与PFMEA的区别。DFMEA是产品的设计失效模式分析，而PFMEA是产品的过程失效模式分析。

DFMEA研究的是由设计缺陷造成的产品失效，除开产品设计本身，还包括因设计缺陷而导致的在生产、装配、运行和维护等过程中的失效。同时它假定生产、装配、运行和维护等过程符合工程规范。至于如何保证这些过程，则是PFMEA的内容了。

b重点切入，逐步完善

追求一次到位是理想的要求，实际上是很难做到的。可以先从已明确的要求和发现的问题入手。这包括项目任务书和产品规格书、类似产品过去的教训（设计失败案例、8D报告、运行不良、可靠性试验发现的问题等）、类似产品客户端反馈（如客诉，返修等）；制造、装配、维护、质量部门的反馈等。 然后再推广完善。

c从组织、资源和流程多方面保证DFMEA的有效实施

即使是目前已实施DFMEA的企业，相当部分也还处于应付状态或者形式阶段。要有效实施DFMEA，真正发挥其强大功能，至少要做到：1，有一个跨功能的资深的实施小组，包括研发、工程、质量、维护等资深工程师，由研发资深工程师/总工或项目经理任组长。2，具有相关资源，如要领导的支持，充足的时间等。 3，从产品开发流程保证DFMEA在整个产品开发过程中的有效实施。

结语

DFMEA对水轮发电机组的产品质量和效率的提升有很大的现实意义，如何有效实施是问题的关键。这需要了解DFMEA的基本要求，弄清DFEMA 与PFMEA的区别，深刻理解水轮发电机组产品，结合实际，从组织、资源和流程等方面保证。

参考：

［1］QS-9000 及相关手册中文版修订工作小组.潜在失效模式与后果分析（FMEA）参考手册［K］. 北京：北京品士质量管理顾问有限公司，2001.

［2］D.H.Stamati. FMEA从理论到实践［M］.陈晓彤，姚绍华，译.北京：国防工业出版社，2005.

水轮发电机组设计DFMEA举例