PFMEA在运载火箭研制中的应用研究

张柳锋 乐 斌 陈 储 叶顺坚

PFMEA在运载火箭研制中的应用研究

张柳锋 乐 斌 陈 储 叶顺坚

（上海航天精密机械研究所，上海 201600）

故障模式及影响分析（PFMEA）是预防质量问题的一种有效方法，文章通过以某一型号运载火箭的三级贮箱为案例，深入分析PFMEA的实施步骤和各要素，对筛选出的故障模式制定了改进措施，总结改进措施的落实结果和有效性，使PFMEA在运载火箭产品的研制过程中能够真正发挥其预防、降低风险的作用。

PFMEA；三级贮箱；改进措施

1 引言

故障模式及影响分析（Failure Mode and Effects Analysis，简称FMEA）是一种用来确定潜在故障及其原因的科学方法，通过制定改进措施可以预防质量问题的发生，目前已广泛应用于产品的设计、生产、使用和维护等过程，其中用于生产过程的称为PFMEA（P代表Process）。PFMEA指对产品制造过程中的每一道工序事先分析可能发生的故障，分析发生故障的原因和对后续工序或最终产品的影响，并风险评估，对风险高的故障采取改进措施，以此来消除或降低故障模式的可能，从而达到预防质量问题的发生和降低企业成本的目的[1]。

2 PFMEA在国内运载火箭研制中的应用情况

由于PFMEA可以预防质量问题的发生，目前国内航天企业和相关从业人员都已经认识到了PFMEA的重要作用，并且逐步在实践和应用。与国外相比，由于PFMEA工作起步较晚，且需要大量人员长时间的参与，而目前我国运载火箭多型号、高密度、快节奏的工作要求易使PFMEA工作浮于表面、流于形式。

以某型号运载火箭中的结构产品三级贮箱为分析对象，通过案例的形式具体分析、总结和归纳PFMEA的实施过程及其要素，对PFMEA在运载火箭产品研制中的应用有一定的指导和借鉴作用。

3 PFMEA的实施流程

3.1 PFMEA工作开展时机

PFMEA工作的最佳时机是产品设计图样确定后的工艺初步设计阶段，随着工艺设计的深入与工艺文件编制工作同步展开。有利于及时发现工艺设计中的薄弱环节或高风险活动，据此制定相应的改进措施。同时，应根据产品所处的生产阶段开展不同程度、不同层次的分析，即PFMEA不是一成不变的，它应及时反映工艺设计和生产工艺的变化，并随着产品研制的深入而不断补充、完善和反复迭代。

3.2 PFMEA准备工作

a. 明确PFMEA分析对象。以某一型号运载火箭的三级贮箱为分析对象开展相关研究工作。三级贮箱是该型号运载火箭箭体结构的重要组成部分，用于贮存三子级液体燃料，其主要由壳体、金属膜片和连接环等零件焊接而成；

b. 组建PFMEA团队。明确分析对象后，组建工作团队并合理分配工作任务。PFMEA团队一般应选择6～10人，由来自不同岗位和专业的人员组成，包括设计、工艺、生产和检验等部门的人员；

c. 搜集资料和数据。在实施PFMEA分析前，应搜集相应的资料和数据作为后续分析的参考，包括：产品设计图样及技术要求；产品的工艺文件；类似产品的生产工艺数据和历史故障模式等。

3.3 开展PFMEA分析并编写报告

3.3.1 建立产品工艺流程表

根据分析对象的设计图样及技术要求等文件，开展工艺设计并明确产品研制流程，建立详细的产品工艺流程表。三级贮箱的工艺流程（部分）见表1。

表1 工艺流程表

3.3.2 形成零部件工艺关系矩阵

习近平指出：“以人民为中心的发展思想，不能只停留在口头上、止步于思想环节，而要体现在经济社会发展的各个环节。”[9]129这就决定了我们在统筹推进各方面建设中，始终要以人民利益的实现为中心，在发展中保障和改善民生。

表2 三级贮箱工艺关系矩阵

依据设计图样及技术文件的要求，并结合前述工艺流程，梳理产品的关键/重要工序及特性，形成零部件工艺关系矩阵，表示零部件特性与工艺流程各工序间的关系。三级贮箱的零部件工艺关系矩阵（部分）见表2。

3.3.3 填写PFMEA分析表

根据三级贮箱的每一道工序，开展故障模式分析、故障原因分析、故障影响分析、严酷度分析、发生概率分析和探测度分析，并填写PFMEA分析表[2]。

a. 故障模式分析：分析潜在的过程故障模式是指分析过程可能发生的无法达到过程功能要求或过程设计意图的问题的表现形式。它可能是引起下一道工序的故障模式的原因，也可能是上一道工序故障模式的后果[3]；

b. 故障原因分析：故障原因指故障是怎样发生的，并应依据纠正或可以控制的原则予以说明，尽可能地列出所有故障模式所对应的全部潜在起因；

c. 故障影响分析：故障影响是指可感知的故障模式对最终产品的影响，产品失效的后果应使用相关性能来描述，例如不能紧固、无法安装、不匹配、承压能力不足等；

d. 严酷度分析：严酷度指某个工序的故障模式对单机产品的最严重的影响程度，目前常用的评分准则见表3。

表3 严酷度等级评分准则

表4 故障发生概率等级评分准则

f. 探测度分析：主动探测出故障模式（如采用防护措施、量具测量、人工检查等方法），不包括故障模式被动暴露出的情况（如发生故障），评分准则见表5。

表5 探测度等级评分准则

根据上述PFMEA各要素的分析和判定原则，填写三级贮箱的PFMEA分析表，见表6。

表6 三级贮箱PFMEA分析表

3.3.4 PFMEA结果分析，并采取改进措施降低风险

根据分析结果，列出满足下列条件之一的故障模式，作为后续工艺改进的重点方向，见表7。a.故障模式严酷度为I类或II类；b.故障模式发生概率为4级或4级以上；c.故障模式探测度为4级或4级以上。针对

故障模式，需制定合理有效的改进措施，以减少工艺故障模式发生概率和探测度的级别为出发点的工艺设计改进措施和使用补偿措施，并尽可能做到参数量化，明确落实在相关文件中。改进措施制定后，应预测或跟踪改进措施的落实结果、有效性，对故障模式发生概率和故障模式探测度级别的变化情况进行分析，判断是否降低至4级以下。采取改进措施后尚不满足要求时，需进一步改进工艺，直到风险等级降至4级以下。

表7 改进措施及落实情况

3.4 三级贮箱PFMEA小结

以“三级贮箱”为对象开展的PFMEA分析工作，梳理出了各工序的主要故障模式，并针对这些故障模式开展了相对应的故障原因和影响分析，同时制定了有效的改进措施，使产品的研制风险降到了可接受的范围。目前三级贮箱不存在严酷度为Ⅰ、Ⅱ类故障模式且故障模式发生概率或被检测难度无法降至4级以下的情况。

4 结束语

使用PFMEA技术可以提升并丰富质量管理手段，实现从“事后改进”到“提前预防”的目的。目前运载火箭产品的研制具有高风险、高成本的特点，如果不预防规避风险，那所付出的代价将是巨大并且无法承受的，建议PFMEA技术推广应用到运载火箭其他产品的研制中。

1 徐云云，孙宗第，赵旭磊. 过程潜在失效模式及后果分析（PFMEA）在汽车制造业中的应用分析[J]. 企业科技与发展 2015(3)：21～23

2 康锐，石荣德，王江山，等. 故障模式、影响及危害性分析指南[S]. GJB/Z 1391～2006

3 刘静. 浅谈潜在失效模式及后果分析在产品开发中应用[M]. 北京：机械工业标准化与质量，2014

Application Research of PFMEA in Launch Vehicle Development

Zhang Liufeng Le Bin Chen Chu Ye Shunjian

(Shanghai Spaceflight Precision Machinery Institute, Shanghai 201600)

PFMEA is an effective method to prevent quality problems. taking a third class container of a certain type of launch vechicle as a case, the implementation process and elements of PFMEA are deeply analyzed, the improvement measures are formulated for the screened failure modes, and the implementation results of the improvement measures are given, to make sure the PFMEA can truly play its role in preventing and reducing risks in the development of launch vehicle products.

PFMEA；third class container；improvement measures

张柳锋（1986），工程师，材料科学与工程专业；研究方向：运载火箭工艺管理。

2018-12-03