周天导 周炳海
(同济大学 机械与能源工程学院 上海201804)
近年来,以中国为代表的发展中国家和中东地区阀门需求快速增长,逐步取代西方国家成为全球阀门行业增长的领跑者。国内阀门行业整体上也保持着持续增长的态势,景气程度高于全球水平。而在市场竞争过程中,不断提升阀门产品质量,降低生产成本,是企业发展和生存的关键。A厂在生产一款新型阀门过程中,低温环境下试验一次通过率仅为20.5%。通过分类统计,由于卡滞原因导致的阀门失效模式占82.8%,如图1所示。由其导致的返修及二次装配严重影响了产品的生产进度、成本以及顾客满意度,亟待改进。
图1 A厂阀门装配失效模式柏拉图
失效模式和影响分析(FMEA)作为推动制造过程进行深层次质量改进的一种可靠性分析技术,可以降低生产成本,并对制造、装配进行更改和完善,从而减轻事后更改情况的发生,最大限度地保证产品的性能和可靠性。在阀门装配过程中,通过运用FMEA方法,能够帮助确定阀门卡滞导致失效模式的潜在薄弱环节,研究每个潜在薄弱环节的原因和失效机理,评价失效形式的影响程度,并计算风险顺序数,然后针对主要的薄弱环节进行工艺上的改善,排除或降低其影响程度。本文以A厂的阀门装配过程质量改善项目为例,详细介绍了如何使用FMEA方法对潜在的制造过程中的问题进行风险分析和评估,提出改善措施,最终达到提高阀门装配质量的目的。
FMEA是可靠性分析中的一种定性方法。该方法对分析系统中潜在的失效模式及其对产品功能的影响进行分析,并把每一个潜在的失效模式按它的失效影响进行分类。根据分析情况,提出可采取的预防改进措施,以提高产品质量和可靠性。
失效模式可能存在于设计、过程或工艺、服务、外包供应商、服务以及设备等方面。FMEA方法可以对正在研究的对象可能发生的失效模式进行分析、评估,从而提出行之有效的改进措施,消除或把潜在的风险降低至可接受的水平。
FMEA实施时首先要收集有关资料,掌握分析对象。FMEA能否取得预期效果,就必须全面、透彻地了解所分析的对象。实施FMEA分析时,要列举出能够考虑到的失效模式形式、研究失效模式带来的影响、起因和失效机理以及严酷度,提出改善措施并进行效果验证。FMEA报告作为FMEA的输出,应包含失效判据、严酷度定义、FMEA过程、表格、结果等。FMEA报告应进行评审,评审通过后分析结束,如未通过则需要修改过程并继续以上的流程。
风险顺序数是FMEA分析中的一个重要参数,目的是对产品的每一个失效模式的严酷度、频繁度以及可探测度情况进行综合分析,全面评价每一个潜在失效模式的影响。通过根据RPN值进排出先后顺序,对RPN值较大的项目优先采取改善措施,减小RPN值,以消除不良、降低风险。风险顺序数是严酷度S、频度O和探测度D的乘积。RPN(Risk Priority Number)=严酷度 S(Severity)×频度O(Occurrence)×可探测度D(Detect ability)
1.2.1 严酷度 S
严酷度是指某种失效模式发生时最严重的影响后果。由于产品和过程的不同,严酷度评价准则可能是不同的,因此并不要求数值上的绝对准确,只需要有区分度。严酷度评分准则如表1所示。
表1 严酷度评价准则
1.2.2 频度O
频度是指失效原因发生的可能性的多少。频度的评价准则应考虑以往或同类产品的性能和原理、新方法运用、环境变化、历史经验等因素,并通过协商讨论达成一致。频度评分准则如表2所示。
表2 频度评价准则
1.2.3 可探测度D
可探测度是指对现行控制措施的有效程度,也是对产品中潜在的失效在使用之前的可检测性进行评估。评分准则如表3所示。
表3 可探测都评价准则
1.2.4 计算RPN值
选择应用风险顺序数RPN,来对设计以及过程潜在的失效模式实施风险评估,即,RPN=S × O× D值的大小进行先后排序,可以用来确定失效原因的等级。RPN值的范围可以在1~1000之间,RPN数值越大表示潜在的问题越严重,FMEA应优先进行改进。一般来说,当严酷度达到5(S=5)时,即意味着产品性能已经衰退。当频度达到5(O=5)时,即意味着有很大失效发生的可能性。当可探测度达到5时(D=5)时,即意味着能够通过检验发现。因此可以将RPN=125作为一个临界点,即当RPN=125时,必须采取行动。表4是A厂对RPN值的建议评价规则。
表4 A厂RPN建议评价规则
A厂生产的阀门在装配过程中通过低温介质合格率过低,需要进行返修及二次装配,严重影响生产成本及交货期。因此成立质量改善小组,实施FMEA对阀门装配卡滞的主要潜在风险进行评估,并实施改善措施。
本次FMEA项目由阀门生产的相关部门组成跨职能团队,包括了设计师、工艺师、质量师、阀门装配工、阀门实验工以及阀门壳体机加工、表面处理等相关专业的技术人员等。通过各级各类、不同职能人员的充分参与,保障数据收集的全面性和准确性,保证分析的科学性和合理性,确保结论的正确性和有效性。
通过开展FMEA项目小组内部培训,项目负责人讲述了FMEA的理论知识和案例分享,使每位成员统一认识,明确项目意义、实施步骤和方法,便于相关工作开展,如图2所示。
图2 FMEA过程演示
结合该阀门产品的结构及阀门开关过程的流程图,对阀门卡滞影响装配质量的影响因素从人、机、料、法、环几个方面开展头脑风暴,绘制鱼刺图,并确认最主要的潜在因素导致阀门卡滞,如图3所示。
图3 鱼刺图
围绕鱼刺分析图中的主要因素展开,将阀门卡滞对应的潜在失效模式、原因及影响制成FMEA工作表。小组成员集体讨论并按评分标准进行评估后,最终确定失效模式的风险优先度。
由表5可得:
(1)阀门卡滞质量问题最主要的导致因素是阀门的设计,其次是装配工艺的问题。
(2)通过FMEA分析,可得出阀门装配过程选用的O胶圈并不适用于低温工况,其在低温工况下会存在功能失效是最主要的风险,RPN值为448。
(3)根据风险顺序数值的大小,以及A厂的RPN值建议评价规则,确定各潜在失效模式的严酷度等级及提出并采取相对应的改善措施。
在实行就在预防措施改进后,对阀门装配过程再次进行FMEA分析评估,风险分析和风险评定数有显著下降,达到公司内部要求,如表6所示。
最后汇总以上FMEA分析的内容,填写阀门装配质量问题的FMEA记录和表格(改善前及改善后),编写FMEA报告,并归档。
FMEA作为一种识别并消除或减少潜在问题的方法被广泛运用,是具有逻辑性和积累性的潜在故障分析方法。通过有效使用FMEA方法,能够有效提高产品的质量和可靠性,减少缺陷降低成本,提高用户满意度,增强产品市场竞争力。阀门的装配过程是一项复杂的系统工程,各类环境下不同阀门的失效模式种类繁多,相关的数据在收集过程中还能再全面再细化。因此需要设计、工艺、操作以及服务保障人员集体协作,共同努力,通过不断的优化设计生产试验流程,提高阀门装配质量,提升用户满意度。
表5 A厂阀门装配潜在失效模式及影响分析表
表6 A厂阀门装配潜在失效模式及影响分析表(改善后)