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设备和工装潜在失效模式及后果分析Potential Failure Mode and Effects Analysis for Tooling & Equipment MachineryFMEA简 介失效模式及后果分析思想可用于机器以降低与有关机器有关的潜在失效模式发生的可能性。（贯穿全文中的术语“机器”包括设备和工装），机器FMEA（MFMEA）支持从设计开发到设计批准的机器设计过程。MFMEA是对机器的整个运行过程中每一步骤或每项功能的完全评审。本手册陈述了用于开发有效MFMEA的思路。对于机器的过程FMEA的建立开发，应遵循克莱斯勒、福特和通用公司FMEA手册中的过程FMEA思路。应在用于生产的任何机器制造之前，启动建立过程FMEA。MFMEA是用于评估、改进机器的可靠性、可维修性、耐用性的设计的输出。MFMEA是动态文件，在机器开发与运行的各个阶段，发生更改或获得更多信息时持续予以更新。用户的定义 MFMEA中“用户”的定义安装用于生产的机器的制造机构。制造机构包括工厂工程师、维护、生产以及其它工厂方支撑人员。小组的努力 在进行MFMEA的过程中，希望负责机器的工程师能够主动地联系所有相关部门的代表。这些领域区包括（但不限于）生产、制造工程，安全、质量、供方、产品工程和用户。FMEA过程应成为促进各相关部门之间相互交换意见的一种催化剂，从而推进小组协作的工作方式。另外，对于任何商业“类别”的组分，如果需要的话，也应查询来自这些供方代表的意见。机器FMEA 除非负责的工程师有 FMEA和团队工作推进经验，否则有一位有经验的MFMEA推进员来协助小组的工作是非常有益。机器FMEA基本上是由负责机器工程师/小组使用的一种分析技术，用于尽可能地确保机器在运行过程中的潜在失效模式及其相关的失效起因机理都考虑到了。因为MFMEA是预防性维护方案的输入，并用于辅助将使用的机器控制的实现，因此协作小组中如无用户维护及供方现场服务部门的代表，不同能形成有效的MFMEA。协作小组在开展分析时，应以改进机器可靠性、可维修性、耐用性为关注焦点。最为严谨的形式，MFMEA应是关于生产环境中机器完整运行性能的集体智慧的结晶（包括基于经验和过去阅历可能出现潜在失效的项目的分析）。机器FMEA:l 辅助客观评价，掌握机器步序，l 在制造机器之前，更多地考虑可能影响用户（操作人员和支撑人员）的潜在失效模式及其后果，l 提供信息，以辅助策划预防性维护的有效过程，l 提高机器的可靠性与耐用性，降低寿命周期成本，l 提高机器可维修性，降低平均修复时间，l 提高机器的可靠性、耐用性与可维修性，增人机器的可用性，和l 产生潜在失效模式序列清单，建立预防/纠正措施的优先级系统。完全贯彻执行的话，MFMEA方法可用于新型应用或环境中的新制、进、更换、大检修的机器。负责设计的工程师应启动MFMEA过程。MFMEA分析机器运行过程中的所有步序，以满足用户的需求。MFMEA的核心是通过执行诸如设计更改，设备控制和或预防性可预见性维护等预防/纠正措施，识别潜在失效模式并降低其发生的概率度。MFMEA的开发负责机器的工程师掌握一些有益于MFMEA准备工作的正式、非正式的文件是有帮助的。准备FMEA之前，必须完全掌握在给定的环境、固定的条件和规定的时间周期内，期望机器做什么和不期望做什么这些预期可通过可靠性与可维修性规格说明，设计要求、方案目标、性能报告，预防/纠正措施报告，类似机器的维修履历，以及联邦或本地规章制度要求来确定。开始进行MFMEA之前，协作小组至少应掌握l 机器整个运行过程的详细步序说明，l 设备文档l 机器的工程图纸，以及l 机器可靠性信息（估计或实际）。为了便于潜在失效及其后果分析的文件化，附录A给出了样表1）FMEA编号 填入FMEA文件编号，以便于查询。注：l22项的举例见表一。2）机器/系统、子系统或部件的名称与编号 注明适当的分析级别，并填入被分析的系统，子系统 或部件的名称及编号。MFMEA小组必须为他们特定的活动确定系统、子系统或部件的组成。划分系统、子系统和部件的实际界限是任意的，并且必须由MFMEA小组来确认。 系统MFMEA的范围一个系统可以看作是由各个子系统组成的。这些子系统往往是由不同的小组设计的。一些典型的系统MFMEA可能包括下列系统：下置焊接系统，或底盘装饰Marriage系统等等。因此，系统MFMEA的焦点是要确保组成系统的不同子系统之间的所有接口和交互作用都要覆盖。子系统MFMEA的范围一个子系统MFMEA通常是一个大系统的子集。例如，机器人是下置焊接系统的一个子集。因此，子系统MFMEA的焦点是要确保组成子系统的不同部件之间的所有接口和交互作用都要覆盖。部件MFMEA范围部件MFMEA通常是以子系统的组成部分为焦点的MFMEA。例如，手部工具（例如，焊枪、封枪、抓爪）是机器人的一个部件（机器人是下置焊接系统的子系统）。3）设计责任 填入整车厂，部门和小组。如果适宜用，还包括供方的名称。4）编制者 填入负责编制MFMEA工程师的姓名，电话和所在公司的名称。5）项目/工厂 填入所分析的机器将要应用和或影响的项目工厂。6）关键日期 填入初次 MFMEA应完成的日期，该日期不应超过计划的施工工程发布日期。7）FMEA日期 填入编制MFMEA原始稿日期及最新修订的日期。8）核心小组 列出有权确定和/执行任务的责任部门的名称和个人姓名。（建议所有参加人员的姓名、部门、电话、地址等都应记录一张分发表上。）9）项目/功能 填入被分析的步骤或功能的简单说明。小组应评审适用性能、材料、过程、环境以及安全标准。尽可能用简明的文字来说明被分析步骤或功能的意图/要求，包括描述有关系统，子系统或部件设计（度量/测量变量）的信息。当步序涉及多种功能，且有不同的失效模式，应将所有的功能单独列出。性能要求实例 以每分钟X立方厘米的速度将密封剂打向面板 以不低于每分钟X加仑的速度将冷却剂打向工作件 在Y秒之内,升温至X（N一m）的力矩在 Y秒之内，升温至XoC，并保持温度Z秒传递功率，从A点至B点在Y分钟内，移动产品X米10）潜在失效模式 所谓潜在失效模式是指机器可能会未达到机器功能要求栏中所描述的被分析步序或功能的目标要求。它是对在特定步骤或功能中不符合的说明。它可能是下一步序（顺流）潜在失效模式的起因或是上一步序（逆流）潜在失效的模式的后果。无论怎样，在准备MFMEA时，应做下列假设来料与零件准确无误，机器建立、安装、调节、维护，满足规定且在操作序列中的所有前道步序，均按规定执行。列出针对部件、子系统，系统或机器特性的待分析的特定步骤或功能的潜在失效模式。假设失效可能发生，但并不一定发生。对于每种潜在失效模式，应考虑采取措施，使机器重新达到生产能力。机器工程师/小组应能提出并回答下列问题： 机器步序怎样会失效，使不能满足工程规定？ 什么可能失效，使不能满足顾客（最终用户，随后的功能步骤，或现场服务）的期望？推荐从相类似的机器的比较以及类似机器的用户（最终用户和随后的操作）要求的评审切入。典型失效模式可包括，但不限于：弯曲 断裂 磨损 裂纹 翘起 短路肮脏 粘合 开路接地 11）潜在失效的后果 （失效）的后果应按照所分析的具体系统，子系统或部件来说明。失效模式对上、下过程的任何影响也应陈述。如果失效模式可能影响对法规、安全性的符合性，或影响操作者，应给予清楚的说明。（失效的）后果应根据用户所关注或体验来说明。典型失效后果可能是但不限于以下情况： 机器损坏 增加的周期时间 降级的输出 不匹配的性能 运行期间，生产丧失 力矩不够 运行间歇 过度噪声 需要额外的努力 危及到操作工技术员 部分或完全功能丧失 过度振动 缺乏重复性 过分后冲12）严重度（S） 严重度是一给定失效模式最严重的影响后果的级别。严重度是单一的MFMEA范围内的相对定级结果。严重度数值的降低只有通过改变机器设计才能够实现。严重度应用下表来进行估计。推荐的评价准则小组应对评定准则与分级规则达成一致意见，尽管个别系统分析可做修改。（见表2）注：不推荐修改确定为9和10的严重度数值。严重度数定级为1的失效模式不应进行进一步的分析。12）严重度（S）续表2 推荐的MFMEA严重度评价准则后果评定准则：后果的严重度严重度无警告的严重危害非常严重的严重度定级一在没有任何预兆的情况下，影响操作工、厂方或维护人员的安全，和/或影响对政府法规的符合性。10有警告的严重危害高的严重度定级-在有先兆情况下影响操作工，厂方或维修人员的安全，和/或影响对政府法规的符合性。9很高停工超过8小时，或者生产有缺陷产品的时间超过4个小时8高停工时间介于4-8小时之间，或生产有缺陷产品的时间超过4个小时7中等停工时间介于1-4小时之间，或生产有缺陷产品的时间介于1-2小时之间。6低停工时间介于30分钟与1小时之间，或生产有缺陷产品的时间达到1个小时。5很低停工时间介于10-30分钟，但未生产有缺陷产品。4轻微停工时间达到10分钟，但未生产有缺陷产品。3很轻微过程参数的变动超出规格界限。生产期间，需进行调整或其它的过程控制。无停工时间与缺陷产品的生产。2无过程参数的变动在规格界限内，在正常维护时，可以进行调整或其它的过程控制。113)级别 该可选栏目可用于突出高严重度的失效或者其它用户委托的用途。14）失效的潜在起因/机理 潜在失效原因定义为失效是怎样发生的，可用被纠正或控制的事物来描述。尽可能地列出每一种潜在失效模式的失效起因。如果一个失效模式只有一个失效起因，即如果纠正该起因会对失效模式带来直接的影响，则这一部分的MFMEA思考过程就完成了。然而，许多失效起因并不互相排斥，为了纠正或控制失效起因，需要进行分析，以确定哪些根本的起因是主要的，哪些最容易控制住。应说明这些起因，以便可针对这些起因采取补求措施。14）失效的潜在起因/机理 典型的失效原因可包括，但不限于（续） 无润滑或不足 腐蚀 磨损的定位器 材料疲劳 磨损的工具 定位器上破裂的缺口 污染 蠕变 磨损损耗 磨蚀 漂移只需列出特定的错误或功能不良；模棱两可的部分不必列出（例如，操作工失误，机器功能不良）。15）频度（0） 频度是指潜在失效的起因机理在指定时期内出现的可能性。通过设计改变以预防或控制失效的起因机理是降低频度数的优先方法。应采用一致的频度分级规则，以保持连续性。频度数是MFMEA范围内的相对级别，它不一定反映实际出现的可能性。推蓉的评价准则小组应对相互一致的评价准则与定级方法达成一致意见，尽管对个别系统分析可作调整。下列推存准则允许采用标准运行时间或可靠性作为确定频度的手段。（见表3。）可靠性是指生产机器在给定的操作条件和用户指定的时间间隔内，无失效连续运行的可能性的大小。用户时间是指要求机器无失效运行的时间跨度（时间、周期、等）。用户时间帧应根据对用户来说重要的运行模式进行定义。表3 推荐的MFMEA频度评价准则准则在运行小时数内可能的失效次数0R准则在运行周期数内可能的失效次数0R准则：基于用户要求时间的上可靠性频度定级1次/1小时1次/90周期R（t）1%：MTBF大约是用户要求时间的10%101次/8小时1次/900周期R（t）=5%：MTBF大约是用户要求时间的30%91次/24小时1次/36000周期R（t）=20%：MTBF大约是用户要求时间的60%81次/80小时1次/90000周期R（t）=37%：MTBF与用户要求时间相同71次/350小时1次/180000周期R（t）=60%：MTBF比用户要求时间大2倍61次/1000小时1次/270000周期R（t）=78%：MTBF比用户要求时间大4倍51次/2500小时1次/360000周期R（t）=85%：MTBF比用户要求时间大6倍41次/5000小时1次/540000周期R（t）=90%：MTBF比用户要求时间大10倍31次/10，000小时1次/900000周期R（t）=95%：MTBF比用户要求时间大20倍21次/25，000小时1次/900000周期以上失效R（t）=98%：MTBF比用户要求时间大50倍1注：以上可靠性计算假设机器的失效率为一常数，且可修复。参见附录D有关频度表格计算的实例。16）现行机器控制 列出已经完成或承诺完成的预防、探测、设计确认/验证（DV）其它活动，并且这些活动将确保设计对于所考虑的失效模式和/或起因/机理是足够的。现行控制是在指已被或正在被同样或类似设计所采用的那些措施（如设计评审、数学研究、可行性评审、样件试验）。小组应一直致力于设计控制的改进；例如，创建新的系统试验或者创建新的系统模型化运算方法等。要考虑两种类型的设计控制： 预防：防止潜在失效起因/机理或失效模式出现，或者降低其出现的几率。探测：通过分析方法或物理方法，探测潜在失效起因机理或者失效模式。如果可能，最好的途径是先采用预防控制。假如预防性控制被融入设计意图并成为其一部分，它可能会影响最初的频度定级。探测度的最初定级将以探测失效起因机理或探测失效模式的设计控制为基础。例如，考虑一个“皮带断裂”的失效模式。探测控制可能是通过报警或光的运用，探测并报告皮带已断裂的一个传感器。预防控制可能是带有反馈系统至自动调节皮带轮系统的一个传感器，自动系统可连续调节张力，以防皮带断裂，或者降低由于不合适张力而导致的皮带断裂出现的几率。本手册中的MFMEA表中设有两栏（即单独的预防控制和探测控制栏），以帮助小组清楚地区分这两种机器控制。这可以迅速而直观地确定这两种机器控制均已得到考虑。最好采用这样的两栏表格。机器控制如果使用单栏表格，应使用下列前缀。对于预防控制，在所列的每个预防控制上一个字母“ P”。对于探测控制，在所列的每个探测控制前加上一个字母“ D”。一旦确定了机器控制，评审所有的预防控制以决定是否有频度数需要修订。17）探测度（D） 探测度是与机器控制中所列出来的最佳探测控制相关联的定级数。探测度是一个在某MFMEA范围内的相对级别。为了获得一个较低的定级，通常计划的机器在控制必须予以改进。17）探测度（D）（续） 推荐的评价准则 小组对相互一致的评价准则和定级方法达成一致意见，尽管对个别系统可作调整。（见表4）表4 推荐的MFMEA探测度评价准则探测度准则：设计控制可能探测出来的可能性探测度定级几乎不可能设计或机器控制不能探测出潜在的起因及后续的失效，或者根本没有设计或机器控制。10很极小设计或机器控制只有很极少的机会探测潜在原因及后续的失效的模式。9极小设计或机器控制只有极少的机会探测潜出在原因及后续的失效的模式。机器控制可以提示失效。8很少设计或机器控制不能防止失效的发生。失效发生后，机器控制可以隔离原因及后续的失效模式。7少设计或机器控制有较小的机会探测出潜在原因及后续的失效模式。机器控制可以指示紧急失效。6中等设计控制有中等的机会探测出潜在原因和后续得失效模式。机器控制可以防止紧急失效。5中上设计控制有中上多的机会探测出潜在原因及后续得失效模式。机器控制可以防止紧急失效。4多设计控制有较多的机会探测出潜在原因及后续的失效模式。机器控制可以防止紧急失效并隔离原因。3很多设计控制有很多的机会探测出潜在原因及后续的失效模式。可能无需机器控制。2几乎肯定设计控制几乎肯定能探测出潜在原因及后续的失效模式，无需机器控制。118）风险顺序数（RPN） 风险顺序数是严重度（S）、频度（0）和探测度（D）的乘积。 （S）X（0）X（D）RPN在单一的MFMEA范围内，此值（介于l1000之间）可用于所担心事项的排序。19）建议的措施 应首先针对高严重度，高RPN值和小组指定的其它项目进行纠正措施的工程评价。任何建议措施的意图都是要依下列顺序降低其风险级别：严重度、频度和探测度。19）建议的措施（续） 一般实践中，不管其RPN值是多大，当严重度是9或10时，必须予以特别注意，以确保现行的设计控制或预防/纠正措施针对了这种风险。在所有的已确定潜在失效模式的后果可能会给操作工或技术人员造成危害的情况下，应采取纠正预防措施，以便通过消除或控制起因来避免失效模式的产生，或指定适当的保护（措施）。在对严重度值为9或10的项目给予特别关注之后，小组再考虑其它的失效模式，其意图在于降低严重度，其次频度，再次是探测度。建议措施的主要目的是降低风险，增加用户满意度，提高机器的可靠性，可维修性与耐用性。只有设计更改才能导致严重度的降低。优选推荐设计更改，消除或控制失效模式的一个或多个起因机理，才能有效降低频度。增加机器控制，检查和或预防预测维护，将导致探测度的降低。不太希望机器失效后，再增加控制检查手段进行探测机器失效，因为其未考虑失效模式的严重度或频度。对于一个特定的失效模式起因控制的组合，如果工程评价认为无需采用建议措施，则应在本栏内注明“无”。20）建议措施的责任 填入每一项建议措施的责任组织的名称和个人的姓名以及目标完成日期。21）采取的措施 采取措施后，填写实际措施的简要说明及其生效日期。22）修订的评分 在确定了预防纠正措施以后，估计并记录严重度、频度、探测度值的结果。计算并记录RPN的结果。如果没有采取任何措施，将相关栏空白即可。所有修订了的分值应进行评审。如果认为有必要采取进施的话，重复该项分析，焦点应永远是持续改进上。跟踪措施负责机器的工程师应负责保证所有的建议措施已被实施或已妥善落实。MFMEA是一份动态文件，它不仅应体现最新机器设计水平，而且应体现最新相关措施，包括开始生产后所发生的措施。负责机器的工程师可采用几种方式来保证所关注的问题得到明确并且所建议的措施得到实施。这些方式包括，但不限于以下内容：l 保证设计要求得到实现l 评审工程图纸和规范l 确认这些已反映在装配生产文件中l 评审建立与安装FMEA和控制计划附录C 系统FMEA 为帮助示意系统与系统与部件FMEA的含义，以下提供两个示例，如图F1（关于借口和交互作用）和图2（关于项目、功能和失效模式）。示例1：接口和交互作用子系统B子系统A 子系统C系统 子系统D 环境 图F1. 接口和交互作用FMEA小组负责确定相关FMEA之职责。图FI的示例表明小组已确定了在进行 系统FMEA时，必须考虑的子系统A、 B、 C和 D，以及在完成系统 FMEA必须考虑构成该系统一部分的外围环境。接口 子系统之间通过接口直接连接。在图F1中，示意了子系统之间的接口，子系统A与B接触（连接），B与C接触，C与D接触，A与D接触，且B与D接触。环境也与图F1中列出的每一个子系统相连接，这就要求在进行则FMEA时要对“环境接口”加以考虑。注：每一个子系统 FMEA 应将其接口包括在其各自的子系统FMEA分析中。交互作用： 一个子系缢的变化可能会引起另一个子系统的变化。在图1中，任何接口系统中子系统之间都可能发生相互作用。（例如子系统A加热，会导致于系统D与子系统B通过各自的接口也获得热量，而且子系统A还向环境释放热量）。交互作用还可能通过“环境”的传递，发生在“非接触”的系统之间。（例如，如果环境的湿度很大，子系统A与C是不同的金属，由金属组成的子系统B隔开，由于环境的湿度，子系统A和C之间仍然会发生电解反应）。因此，非接触子系统之间的交互作用在预测上会相对难一些，但却很能重要，应加以考虑。示例2：项目、功能和失效撞式图FZ（见下页）描述了以“树形排列”方式展示项目、功能和失效模式的一种方法，可以帮助小组直观地分析系统、子系统和部件。在系统等级上的描述比子系统和部件等级的描述。更趋于一般性（对组件的描述通常是最具体的）。树形排列”对系统、子系统和组件作如下安排项目设计目标（对设计目标的描述通常是有帮助的）一功能1 潜在失效模式A 潜在失效模式B等等一功能二 潜在失效模式A 潜在失效模式B等等一等等附录D机器FMEA频度表格计算表J1频度表格计算失效率 MTBF t （用户时间） R（t）（t） 表示 1 / 1 1 8 0.03% MTBF大约是用户时间的10% 1 / 8 8 24 4.98% MTBF大约是用户时间的30% 1 / 24 24 40 18.98% MTBF大约是用户时间的60%1 / 80 80 80 36.79% MTBF等于时间1 / 350 350 200 60.65% MTBF大约是用户时间的2倍 1 / 1000 1000 250 77.88% MTBF大约是用户时间的4倍 1 / 2500 2500 400 85.21% MTBF大约是用户时间的6倍 1 / 5000 5000 500 90.48% MTBF大约是用户时间的10倍1 / 10000 10000 500 95.12% MTBF大约是用户时间的20倍1 / 25000 25000 500 98.02% MTBF大约是用户时间的50倍1. R（t）=e-t/mtbf 名词术语表加速寿命测试 比典型操作情况下快得多的机器、设备设计关系的验证。特别适用于新技术、设计变更以及正在进行的开发。可用性 工装在任何时刻都处于可运行和执行规定功能状态的能力的度量。特别是，当需要时，工装处于可运行状态的时间百分比。控制计划 控制计划提供过程监视和控制方法，用于对特性的控制。设计意图 对给定的组件子系统系统，对希望要做什么或不希望要做什么的描述。设计寿命 设计所预期的能完成其要求的时间间隔（如周期、时间、里程等）。设计确认验证（DV） 保证设计能满足其要求的一种程序。实验设计问（DOE） 用最少的试验实验确定影响均值和变差的因素的方法。无负荷运转 不处理工作件，机器试运转以验证：功能、间隙和安装稳定性耐用性 在规定保养下，正常使用规定时间，无重要退化完成预期功能的能力。设备 过程机器的一部分，不特定于某一部件或子零件。故障例分析 从不期望发生的事件开始，确定所有可能发生途径的自上而下的失效分析的策略。可行性 确定过程，设计、程序或计划在所需的时间帧内，能够成功完成实施。特性 一种可测量的产品特性（如半径、硬度）或一种可测量的过程特性（如安装力、温度）。Gantt图 一种使用水平条示意哪些任务在项目时间跨度内可以同时完成的简单工具。寿命周期 机器、设备历经从概念形成到报废的整个序列。寿命周期成率（LCC） 在机器的预期寿命期间，产生的所有成本因素的总和。机器 工装和设备的组合。执行生产过程的所有硬件（包括所需的操作软件）的一般术语。可维护性 机器在规定的条件下和规定的时间内，按规定的程序进行维修时