改进的FMEA过程

摘要：为了能够在装备使用阶段开展FMEA，并缩减其工作量，国外提出了“改进的FMEA过程”，本文主要论述了这种改进的FMEA的改进之处、和传统FMEA过程的异同点以及该改进过程在根本原因分析技术中的应用。
关键词：装备管理， FMEA， 可靠性，根本原因分析
1 引言
故障模式影响分析（Failure Mode Effect Analysis，FMEA）是上个世纪50年代初由美国航空部门首先应用的一种规范化分析技术，该技术通过对装备各组成单元的故障模式及其影响进行分析，并按照严酷度进行分类，可有效预防装备的设计过程出现重大失误，提高装备可靠性[1]。
FMEA是进行RCMA以及FTA等其他保障性分析的基础。由于FMEA不需要高深的数学理论，易于掌握和应用，因而受到了工程部门的普遍重视。美国宇航局的通信卫星，几乎都采用了这一技术，我国也于1992年发布了GJB 1391 《故障模式、影响及危害性分析程序》，要求在武器装备研制过程中推广该技术。
在重大工程项目中开展FMEA，是十分必要的，且已取得了显著成果。但同时，也必须注意：在装备研制过程中贯穿始终地实施该技术，也十分费时费力。据估计，在航空工业中，一个典型飞行系统的FEMA将花费50-100人•年来执行。显然，对于绝大多数民用企业或者小型装备而言，这一分析过程太过于浪费人力物力了。过量的人力、物力要求最终影响了FMEA在装备管理和维护阶段的推广与应用。
根据FMEA的基本精神，对已有的FMEA过程进行改进，使之在装备管理投资可承受的能力范围内，满足使用单位对装备可靠性的管理需求，是近一两年可靠性管理部门研究的热点问题。为了区别，本文把上世纪50年代初航空部门应用的FMEA称为传统的FMEA，而把最近应用于民用企业和装备使用阶段管理的FMEA称为改进的FMEA。
2 改进的FMEA过程示例
无论是传统的FMEA还是改进的FMEA，其分析过程中都包含了一些理论和术语，规范化的理论描述很难让人一下子就抓住两者的不同之处。所以，本文结合一个具体示例来阐述改进的FMEA过程[2][3]。
假定在一个生产润滑油的工厂内，一个车间专门生产装润滑油的瓶子，其基本的生产流程简单描述为：生产塑料瓶→塑料瓶运到加注润滑油的机器旁边→加注润滑油→给加满润滑油的瓶子贴标签→打包装箱→箱子运至仓库。对这样一个生产过程或系统进行改进的FMEA分析，主要由以下几个步骤组成。
（1）首先，需要明确组成系统的各个子系统功能模块，这里按照系统的生产流程描述，可以简单把各子系统功能划分为：瓶子生产→瓶子运输→润滑油加注→贴标签→打包装箱→运至仓库等几个基本模块。
（2）下一步就是收集在我们所研究的每一个子系统或者功能模块中，所有可能发生的不期望事件。例如，以“润滑油加注”这个环节为例，经常发生的“灌装过程意外终止”就是不期望发生的典型事件之一。
准确定义“不期望发生的事件”，对于正确开展FMEA具有方向性的指导意义。例如，如果把“中断最大产量生产连续性的任何事件”定义为“不期望发生的事件”，那么很多制造企业中经常进行的计划停机检修显然也包括在内。这样，可能使FMEA分析人员置疑这种计划检修的合理性，促使他们不断寻找其他的方法来延长装备的MTBF，或者减少实际的停机时间（MTTR），例如采用基于状态的监测或者视情维修制度来代替定期检修制度。 当然，如果我们把“装备偏离正常的运行状态”定义为不期望发生的事件，那么，对于装备运行过程中一个有益的改进也由可能被误认为故障。#p#分页标题#e#
准确的“不期望发生事件”的定义除了具有方向性的指导意义外，还可以确保分析人员和工厂的操作、使用人员对所研究的问题有准确的理解和沟通，将分析小组的注意力集中在最重要的事情上。最后，这种定义要短小、精练、紧扣要点，不要包含太多的事件。可以把一些复杂的“不期望发生的事件”单独定义为几个门类，分别进行分析。
（3）列出造成每一个不期望发生事件出现的故障模式，并计算损失。例如造成“灌装过程意外终止”的故障模式可能是“瓶口阻塞”，且平均每天由“瓶口阻塞”导致的“灌装过程意外终止”事件要发生3次，以每次事件发生所造成的生产损失为150美元计，每年这一事件给企业造成的经济影响大约有150，000元。
FMEA中也许有其他更好的故障模式影响度量单位，如故障的次数、停机时间等，但在市场经济中，“美元”是最通用的商业语言，最能够引起管理者和参与者的兴趣和共鸣。所以在改进的FMEA中，推荐使用美元作为度量故障模式影响的单位。
（4）对上述步骤所收集的数据进行列表分析，确定造成主要经济损失的故障模式。
改进的FMEA过程中，一个重要的步骤就是对对所收集到的不期望发生的事件、造成这一事件出现的故障模式、该故障模式发生的频率和造成的经济损失进行列表分析，表的基本格式如表1所示。
表1 改进的FMEA工作单简单示例

为了确定需要避免或者改进的主要故障模式，需要对表1中的数据进行深入分析，分析过程的一个基本依据是经济学中常见的二八律，即20%的个体对系统能够产生80%的影响。在工业领域，该规律可以描述为：20%或者更少的故障模式造成了系统80%或者更多的损失。换句话说，如果我们集中精力处理这20%的故障模式，企业80%的损失就会避免，这样，在相对比较少的投入和相对较短的时间内，我们就能够实现较大的产量提高。
获取20%的重要事件的过程如下：（a）把故障模式发生的频率和所造成的经济影响相乘，求出该故障模式造成的总损失，即计算表1中最后一列的值；(b)把每一故障模式的年度损失相加，得到总损失，即表1中的XXXX；（c）总损失乘以80%，即我们确定重要故障模式的经济损失度量依据，在表1中用yyyy表示；（d）按照总损失值对各种故障模式进行排序，这样，总损失数值最大故障模式将会排到最前面；（e）把损失由大到小累加至80%的损失总额；（f）包含在前80%的损失总额内的故障模式就是我们所要研究和改进的重要故障模式。
（5）提出改进的措施
针对第四步所确定的重要功能模式，提出改进措施；
（6）验证改进措施的效果，形成最后的FMEA报告。
3 两种FMEA方法的异同点
既然都称为FMEA，说明两种分析方法无论在基础理论还是分析步骤上，还是由很多共同点的。这种共同点主要表现在，作为一种定性的方法，两个过程都遵循着一些基本的分析框架。在这个框架的指导下，两种方法在一些工作细节、指导思想上却存在着一些明显不同。通过深入学习和理解，对两种分析方法的异同点归纳如下：
首先，两者需要对待分析的系统或者装备进行全面了解，但分析开展的时机不同。传统的FMEA中，从研制阶段开始，就要按照功能法确定系统的结构，直到系统设计完毕后，需要按照硬件法逐一分析组成系统的各单元。但是改进的FMEA，更多针对部署到现场的装备，特别适用于装备的使用阶段。
其次，两种分析方法都需要列出所分析系统的故障模式清单，但获取故障模式的数据来源不同。传统的FMEA是基于可能性的概率事件，要求对所有子系统的所有故障模式进行列举分析，“尽量不要遗漏”；而改进的FMEA则主要针对历史事件，即那些过去已经实际发生的故障模式的进行分析。数据统计来源的不同导致两者的故障模式覆盖范围、工作量以及分析工作的针对性明显不同。
第三，两种分析方法都需要根据故障模式的影响来对故障模式进行分类，但确定的指导思想和方法明显不同。传统FMEA的故障模式影响分为任务性、安全性、经济性影响三个方面，显然改进的FMEA只考虑的经济性的影响。
第四，两种分析方法都需要制定出针对故障模式的预防措施，但传统FMEA要求对所有的故障模式制定预防措施，但改进的FMEA运用经济学中常见的二八律来确定重要故障模式范围，通过集中精力分析这20%的重要事件，以相对较少的投入和较短时间实现了较大的产出。
最后，表格在两种分析过程中都占有重要的地位，但表格内容不同，另外，两种分析方法都需要形成最后的分析文件。
通过以上对比，可知，改进的FMEA，尽管在基本的分析过程框架和一些基本理论术语上与传统FMEA存在着“大同”，但在每一分析步骤的细节上，两者都存在着“小异”。正是这些“小异”，明显增强了改进的FMEA的可操作性和针对性，降低了分析工作量，并能够在短时间内取得显著效益。可以说，正是这些“小异”使得改进的FMEA技术在工业领域大受欢迎，并得到了迅速推广。#p#分页标题#e#
4 改进的FMEA应用
如果说，应用传统的FMEA主要目的是为了改进装备的设计过程，制造出合格装备，那么，改进的FMEA则是为了保证装备在使用过程中的可靠性，降低装备使用与维护的工作量，提高装备的利用率和管理水平。国外，改进的FMEA主要应用于复杂装备的使用、维护与管理方面，其中一个最为典型和规范的应用就是用于追究导致不期望发生事件（事故）的根本原因（故障模式）。
在美能源部DOE 5000.3A《事故报告和操作信息的处理》、DOE-NE-STD-1004-92《根本原因分析指南》中，都规定了应用改进的FMEA追究事故发生的根本原因的方法和过程。根本原因分析技术的定义为[4][5]：通过一整套系统化、逻辑化客观化和规范化的分析方法，找出装备故障的故障机理和根本原因，并通过制定合理的纠正行动彻底消除这些根本原因，从而恢复装备功能，防止同样或者类似故障重复发生的一种解决装备故障问题的分析技术。
很多文献中，都把导致事故发生的“根本原因”与本文所论述的“重要故障模式”看成具有相同内涵的术语。图1是我国大亚湾核电站引入美国RCA技术后一个典型似的RCA分析流程[6]。无论从整个流程与前面所论述的改进的FMEA过程对比上，还是FMEA在该流程中所处的位置，都可以看出改进的FMEA在RCA技术的关键地位和重要性。
装备故障描述以及影响范围的确定

数据收集
FMEA
分析与评定
重构故障情节
根本原因判定
范围扩展，对装备或者其他生产系统的影响
纠正措施的制定

纠正措施 的实施

效果跟踪

图1 大亚湾核电站的RCA分析流程

5 结束语
在大型复杂装备的研制过程中，FMEA确实起到了相当重要的作用。但如何在装备的使用与维护过程中运用该技术，国内很少这方面的研究。而在国外，以故障根本原因分析技术为背景的FMEA改进过程已经获得了广泛应用。借鉴或者采用改进的FMEA过程，以较少投入获取较大收益，对于不断改进和提高我国装备和装备管理的可靠性和可用性，具有重要意义。