航空发动机燃油控制系统产品DFMEA分析应用实践

摘要：DFMEA是一种以预防为主的可靠性设计工具。在产品研制的不同阶段开展DFMEA分析，从故障影响程度、严酷度等级、发生概率3个维度定量识别产品设计薄弱环节，制定针对性的改进措施，并不断迭代更新，以提高产品使用可靠性。并且总结了功能DFMEA分析工作流程，并对某型航空发动机燃油控制系统产品进行应用实践，通过梳理该型产品任务可靠性框图，并结合相同结构产品以往故障模式定量分析，识别出产品的薄弱环节并采取措施，进行可靠性强化试验验证设计改进措施效果。最终结果表明，通过DFMEA分析，有效提升了产品的可靠性。

关键词：故障模式影响分析可靠性严酷度设计改进措施

DFMEAAnalysisandApplicationPracticeofAviationEngineFuelControlSystem

LINLeyuZHANGYunzhi

（AECCXi'anAero-EngineControlTechnologyCo.，Ltd.，Xi'an，ShaanxiProvince，710077China）

Abstract：DFMEAisapreventive-basedreliabilitydesigntool.ConductDFMEAanalysisatdifferentstagesofproductdevelopment，quantitativelyidentifyweaklinksinproductdesignfromthreedimensionsoffailureimpact，severitylevel，andprobabilityofoccurrence，formulatetargetedimprovementmeasures，andcontinuetoiterativelyupdatetoimproveproductreliability.ThispapersummarizesthefunctionalDFMEAanalysisworkflow，andappliesittoacertaintypeofaero-enginefuelcontrolsystemproduct.Bysortingoutthetaskreliabilityblockdiagramofthistypeofproduct，andcombiningwiththequantitativeanalysisofpastfailuremodesofproductswiththesamestructure，carrydesignimprovementmeasuresonidentifiedweaklinks，andusethereliabilityenhancementtesttheresult.ThefinalresultshowsthatthroughDFMEAanalysis，whicheffectivelyimprovesthereliabilityoftheproduct.

KeyWords：Failuremodeeffectsanalysis;Reliability;Severity;Improvementmeasure

故障失效模式与影响分析（FailureModeandEffectsAnalysis，FMEA）[1]是一种用来评估系统、设计、过程或服务等所有可能会发生的故障。为确保装备具备特定的质量特性，需要在研制策划阶段确定装备质量特性集合，然后将质量特性设计进入装备方案。为了将装备质量特性合成到方案中，需要与装备研制过程紧密关联，从研制过程中形成装备质量特性，实现质量特性维度、质量特性要素到质量特性属性等不同层次的质量需求的依次转化，明确装备质量保证目标。在航空发动机制造领域中，FMEA作为一种可靠性分析工具在产品设计过程中得到了广泛应用，被称为DFMEA。DFMEA分析与产品设计同步进行，针对产品可能发生的故障模式、原因及其影响，按故障风险优先顺序，采取设计改进措施或补偿措施，并预测或跟踪所采取措施的有效性，避免因设计缺陷导致的产品失效。DFMEA工作随着产品研制进展，应不断迭代、更新分析结果，及时发现设计中的薄弱环节并加以改进，进而提高产品的可靠性。

本文通过运用“故障模式—故障原因—设计改进措施”的DFMEA分析方法对某型航空发动机燃油控制系统附件以功能实现为目标，开展风险分析，制定可靠性设计改进措施并贯彻落实，最终通过可靠性强化试验验证的闭环管理，提供了一套完整的DFMEA分析实施流程为航空发动机产品设计改进工作提供参考。

1DFMEA分析

1.1DFMEA分析时机

针对产品寿命周期各阶段（论证与方案阶段、工程研制与定型阶段、生产阶段、使用阶段）不同特点，可采用不同的DFMEA分析方法，常见的有功能DFMEA、硬件DFMEA、软件DFMEA等。DFMEA分析工作时机很重要，不同阶段的研制产品开展DFMEA分析其意义是不同的，在论证与方案阶段、工程研制阶段的早期主要考虑产品的功能组成，而功能可按输出的质量特性分类，质量特性可按一定的技术指标来度量，将输出的质量特性一一列出，并对导致不能实现技术指标的情况进行分析，制定改进或补偿措施，确保产品实现功能性能指标；在工程研制与定型阶段，旨在研究产品的缺陷与薄弱环节，及时发现工艺薄弱环节并加以分析、改进，提高加工过程的稳定性和可操作性，进而提升产品质量。

如果在研制周期中开展DFMEA足够早，则结合更改克服由DFMEA程序识别的缺陷，会取得更好的效费比，因此，DFMEA是与设计过程同步反复迭代进行的过程[2]。

2功能、硬件FMEA分析流程

首先应明确约定层次的定义，即确定被分析对象，约定层次既可以按产品的功能层次关系定义，又可按产品的硬件结构层次关系定义。当选用硬件DFMEA方法时，应针对产品的硬件结构关系划分约定层次。

DFMEA分析从产品最低约定层次的零组件逐项开展，分析故障模式对零组件所在约定层次、高一层次以及最终产品使用、功能、状态可能的影响。在每一个任务剖面下，对参与实现功能的约定层次所有可能的故障进行分析，分析根据系统定义中的功能描述、故障判据的要求，确定其所有可能的故障模式[3]，进而对每个故障模式进行分析从下至上按约定层次逐级开展分析，从最低约定层次开始，直至初始约定层次相邻的下一个层次为止，从多维度查找可能导致故障的所有原因。

判断每个故障模式的影响严重程度及发生概率等级，对已识别的每个故障模式的严酷度等级以及发生概率等级进行定量分析，对照故障风险优先序矩阵表确定故障模式风险等级并排序，按已确定风险接受准则，从“降低严酷度等级、减小发生概率”两个维度，对故障模式在设计与使用方面采取措施，以消除或减轻故障影响，进而提高产品的可靠性。

2.1DFMEA分析结果应用

通过DFMEA分析结果，可识别产品的关键、重要特性，定量确定关键、重要零组件，发现和评价结构设计过程中薄弱环节[4]，从设计、工艺、装配、试验等方面开展工作，对风险实施动态管控，确保产品具有较高的可靠性。

3功能DFMEA应用实践

本文所选某航空发动机燃油控制系统附件处于工程研制阶段初期，故选择使用功能DFMEA开展案例分析。

3.1产品功能概述

某航空发动机燃油泵的功能是向燃油调节器和伺服燃油加热器提供大量的高压燃油，齿轮泵是燃油泵的核心部件，齿轮泵壳体上装有主油滤及其旁通活门，还装有油滤压差信号器，主油滤用于过滤进入齿轮泵的燃油，当主油滤前后压差增大到规定值时，压差信号器发出报警信号，当主油滤堵塞时旁通活门打开，使燃油通过旁通活门向齿轮泵供油。为了限制齿轮间压差过大，燃油泵装有安全活门，当齿轮泵后压差超过安全活门极限值时，安全活门打开，燃油回到齿轮泵进口，保证齿轮泵前后压差不至于过高。该型燃油泵的主要失效模式是容积效率降低和不供油，常见故障原因有活门卡滞、超转限制活门折断、轴承偏磨等。

3.2绘制任务可靠性框图

通过功能分析，定义初始约定层次为发动机，其他约定层次为调节器附件，最低约定层次为零组件。在描述产品工作原理后，对产品在不同任务剖面下的主要原理和功能，绘制功能层次图和结构层次图[5]，并根据产品功能和结构层次图，绘制任务可靠性框图。

3.3燃油控制系统产品常见故障模式

一般可通过统计、试验、分析、预测等方法获取产品的故障模式，对采用现有的产品，以该产品在过去的使用中发生的故障模式为基础，再根据现使用条件的异同进行分析修正，对采用新的产品，可根据产品功能和结构特点进行分析、预测，进而得到该产品的故障模式，或以结构、功能相似产品的故障模式为基础，分析判断其故障模式，燃油控制系统产品常见故障模式有漏油量超标、活门卡滞、轴承咬死、汽蚀等。

3.4故障模式分析

通过同类型产品在外场（厂）的使用数据及以往发生的典型故障处置情况，总结故障模式并开展分析。

3.4.1活门卡滞

活门卡滞是由于活门组件在加工过程中，未能保证活门光洁锐边，未严格控制加工工艺，将外来物引入活门组件，造成活门在使用过程中产生卡滞，影响附件性能。活门的卡滞是由于工艺、加工制造过程管理不严造成的，在以后的产品加工制造过程中，只要加强质量控制就可避免类似情况的发生，因此，对活门不进行可靠性强化试验。

3.4.2超转限制活门折断

针对超转限制活门设计要求基体材料为GH4169，工作台阶材料为Co-Cr-W合金，二者采用金基钎料焊接而成。由于Co-Cr-W合金和金基钎料为国内新研材料，代用材料4Cr14Ni14W2Mo机械性能与Co-Cr-W合金存在较大差异，从而导致在外场发生折断故障。对材料为Co-Cr-W合金的超转限制活门进行强化试验，以考核超转限制活门组件的工作可靠性。

3.4.3轴承偏磨

首次试验时曾发生过轴承偏磨故障，同类产品外场（厂）使用过程中也发生过轴承偏磨的故障，原因是齿轮泵进出口压差过大引起，结合DFMEA分析结果有必要对轴承进行可靠性强化试验，验证出口压力对轴承偏磨的影响。

3.5填写DFMEA表

典型的失效起因可能包括但不限于材料选择不当、设计寿命估计不足、盈利过大、润滑不足等，应在尽可能广的范围内，列出每个失效模式所有可以想到的失效起因和/或机理，填写DFMEA表。

3.6风险处置

综合评定分值为1～5分为不可接受故障，应采取最小风险设计，消除或减小风险至可接受水平，并进入措施跟踪系统；6～9分为不合要求故障，应采取安全装置或报警装置，并进入措施跟踪系统；10～17分为经用户评价同意后可接受的故障，应在使用维护规程中说明，对使用、操作人员进行培训，措施不进入措施跟踪系统；18～20分为不需用户评价可接受的故障，通过改进设计可消除，措施不进入措施跟踪系统。所有故障模式均采取了设计改进措施，并按故障接受准则，对综合评定分值为10分的轴承偏磨故障，完成了轴承涂覆材料、涂覆工艺、优化内部流道的专项攻关措施。

3.7可靠性强化试验

产品级试验中发现齿轮泵轴承偏磨故障，分析后认为，故障原因是齿轮泵进出口压差过大引起，但轴承的润滑、降温都需要齿轮泵有一定的出口压力才能建立油膜，若泵出口压力过低，就会影响轴承的润滑和降温效果。通过开展可靠性强化试验，积累压力对齿轮泵工作性能的影响数据，以验证设计改进措施的有效性。

根据环境条件和试验器条件，选定超低压与超高压两个工作阶段的11个工作点，共计完成9h的泵后出口压力试验，试验过程中产品工作正常，试后性能良好，分解后未发现轴承组件严重磨损及汽蚀，证明设计改进措施有效提升了产品可靠性。

4结语

本文对某航空发动机齿轮泵附件产品开展功能FMEA分析，通过“故障模式—故障原因—设计措施”的方法运用FMEA提出设计改进措施，到可靠性强化试验验证，证实了FMEA对提高产品可靠性有促进作用。通过FMEA分析综合评定结果，识别对产品功能实现影响大的零组件，作为确定关键、重要特性的重要依据。

故障模式是规范FMEA分析的基础，应尽可能收集产品寿命周期内的故障信息，总结、提炼故障模式，不断丰富故障模式数据库，以提高分析结果准确率。

参考文献

[1]周迎春，胡迪.基于第五版DFMEA在产品开发中的管理实施及具体运用[J].时代汽车，2022（18）：136-139.

[2]陈昌鑫.DFMEA在新能源汽车整车控制器研发过程中的应用研究[D].杭州：浙江大学，2020.

[3]张斌，张庆猛，朱猛，等.FMEA在宇航元器件质量风险管控中的应用[J].中国航天，2020（S01）：35-41.

[4]赵光亮，仉佃伟，杨英振，等.DFMEA在发动机控制器设计中的应用问题研究[J].造纸装备及材料，2022，51（12）：129-131.

[5]韦治，孙奇.DFMDA在产品设计开发过程的应用[J].机械工业标准化与质量，2019（5）：47-51.