DFMEA：主动风险识别以防止系统故障

什么是故障模式？

故障模式是指导致产品或过程的性能超出预期参数的任何情况。它的范围可以从几乎不被注意到且不会以任何方式影响性能的非常小的错误，一直到导致产品召回和关闭生产线的重大故障。在最严重的情况下，故障模式最终可能会对最终用户造成伤害，甚至导致诉讼。

解释故障模式影响分析 (FMEA)

识别故障模式很重要，但这只是故障模式影响分析的第一步。

FMEA 的目的是确定故障发生的原因、纠正故障的重要性，然后采取措施防止故障再次发生。无论您关注的是流程、设计还是整个系统，FMEA 都是确保最大正常运行时间、安全性和最终用户满意度的关键组成部分。

FMEA 的 5 个关键步骤

在最简单的应用中，执行 FMEA 有 5 个基本步骤。

1. 识别潜在的故障和影响
2. 评估故障严重性
3. 预测故障发生的可能性
4. 故障检测流程
5. 确定风险优先级

DFMEA 的目的是什么？

DFMEA 的目的是识别并解决对生产效率、质量和安全的任何威胁。通过这样做，您将简化流程、提高工厂安全性、提高成本效益、保持产品质量并提高客户满意度。

这就是为什么 DFMEA 流程是许多行业（包括制造、医疗保健、公用事业和建筑）的重要风险评估和风险缓解工具。

DFMEA 在产品开发中的优势

DFMEA 是改进产品设计和降低长期成本的实用工具。主要优点包括：

• 在生产前发现设计缺陷，这是比在生产线上修复这些缺陷便宜得多的选择。
• 系统地解决设计风险，确保产品更加耐用、一致。
• 促进工程师、维护和质量团队之间的协作。
• 通过 DFMEA 创建的设计逻辑和缓解策略记录为未来的审核和迭代提供支持。

减少与设计相关的问题，从而带来更好的用户体验并减少保修索赔。使用 DFMEA 的行业

人们一直认为 DFMEA 仅限于航空航天或汽车行业，但实际上，它的影响范围要大得多。任何设计复杂产品或系统的行业都可以从实施 DFMEA 中受益。例如，在制造业中，它通常用于在生产开始之前评估机械部件、电气系统和子组件。在电子领域，它可以帮助团队发现电路布局中的缺陷。医疗器械行业定期应用 DFMEA 来识别可能导致安全隐患的具体设计问题，从而避免进一步的监管审查。

在能源和公用事业领域，DFMEA 支持涡轮机、变压器和其他基础设施的设计。消费品公司依靠它来提高产品可靠性并减少保修索赔。即使农业、国防和建筑机械等行业也应用 DFMEA 原则来降低故障风险并确保长期资产绩效。

DFMEA 如何运作？

设计失效模式和影响分析的工作原理是聚集一组具有所分析设计专业知识的人员。这些人一起集思广益，思考设计可能失败的所有方式。

团队成员可以回忆过去的经验，并利用他们的知识来思考失败可能如何发生以及这些失败可能产生的结果。对于现有设计，DFMEA 可以使用过去的数据来帮助确定故障及其影响。

然后，团队协作决定主动解决问题。这可能包括对设计、零件、材料或设计和生产过程的其他元素进行更改。计算机化维护管理系统 (CMMS) 等工具可以通过集中历史故障数据和资产性能趋势来支持此流程，帮助团队做出更明智的设计决策。

有关大型团队如何使用此方法的更多技术指导，请参阅 NASA 的 FMEA 系统工程手册。

DFMEA 示例

假设工程师开发了一种用于包装最终产品的资产。在原型测试期间，DFMEA 识别出胶带分配器机构中的故障。它会在使用约 100 小时后发生，并导致胶带无法根据需要分配。反过来，大约 50% 的包装密封不正确，在某些情况下，产品会从包装中溢出而无法使用。

这是一个大问题。在 DFMEA 期间，团队将发生率排名为 7，严重性排名为 10，检测排名为 2。这导致 RPN 为 140，团队确定需要解决该问题。

经过检查，团队发现问题是由允许分配器自由旋转的轴承故障引起的。团队可以选择通过建议定期润滑和维护、更改分配器中使用的材料或进行其他一些更改来解决此问题，以减少资产的最终用户遇到此故障的可能性。确定 DFMEA 范围：包括哪些内容

在开始分配风险评分之前，您应该定义 DFMEA 的范围。您正在分析设计的哪些部分？哪些故障模式在您的控制范围内？

范围明确的 DFMEA 可以避免浪费精力，并将重点放在风险上。您要确保不会重复 PFMEA 或系统级分析中已涵盖的工作。首先定义设计的边界、预期功能和任何客户特定的要求。然后，找出最有可能发生故障的接口。

范围界定直接影响结果的质量和相关性。如果范围太宽，您的团队可能会迷失在低优先级的问题中。如果您的范围太窄，您可能会错过各部分之间的重要交互。

谁将进行 DFMEA？

当您将从不同角度理解设计的专业人士聚集在一起时，DFMEA 效果最佳。这通常意味着设计工程师、生产主管、质量专家，或许还包括维护或现场服务人员。

要避免的常见 DFMEA 错误

当流程一致时，DFMEA 效果最佳。但一些常见的错误可能会损害其价值。人们等待太久才进行 DFMEA。如果您只在生产开始后才开始分析风险，那么您就会错过做出任何有影响力的改变的机会。不涉及跨职能团队是另一个陷阱。单独工作的工程师可能会错过维护、运营或质量团队可以提供的实际见解。

一些团队还陷入了在没有明确定义的情况下分配严重性、发生率和检测分数的陷阱。如果未事先就评级达成一致，RPN 的可靠性就会降低。其他人则跳过记录建议的行动或在实施后未能跟进。此外，从未重新审视的 DFMEA 很快就会过时。这项经过同行评审的研究引用了 200 多篇期刊文章，强调了改进之处，并采用了增强检测、减少变异性和支持设计可靠性的技术。

什么时候应该使用 DFMEA？

DFMEA 在设计阶段的早期（原型最终确定或工具调试之前）最有价值。不过，它也很有用：

• 对现有设计进行重大更改时
• 发生重大故障或现场问题后
• 在影响材料或组件的成本削减项目期间
• 作为持续质量改进计划的一部分

目标是防止设计相关问题引发生产问题、召回或安全问题。

DFMEA 与 PFMEA

过程故障模式和影响分析 (PFMEA) 和 DFMEA 都是更广泛的故障模式和影响分析 (FMEA) 的分支。

PFMEA 着眼于整个过程并识别系统中的潜在故障。例如，在制造业中，PFMEA 可能会查找喷漆、组装或运输产品等过程中的故障。

然而，设计失效模式和影响分析侧重于设计特定区域的失效。在产品开发方面，DFMEA 调查产品可能会出现故障的原因，例如当以某种方式使用或暴露在特定温度下时。用于制造这些产品的资产也可以接受 DFMEA，以确保资产按预期运行。

如何执行 DFMEA

执行 DFMEA 可能是一个非常深入且耗时的过程，但在设计错误导致重大问题之前发现并修复它们非常重要。开始方法如下：

1。选择要分析的设计。

一旦您将 DFMEA 流程完全集成到您的产品生命周期中，您将在每个设计中使用它。但就目前而言，可以在产品开发过程的任何阶段选择一种设计：处于早期开发、新设计或已经处于生产阶段的设计。

2。组建一个由熟悉不同设计领域的跨职能专家团队组成。

一个全面、多元化的团队将产生最全面的成果。理想情况下，您的 DFMEA 分析团队将包括质量工程师（产品质量、测试分析和材料工程师），以及来自生产、服务和物流的团队。

每个团队成员都可以识别其特定关注领域中的潜在故障模式。他们还可以审查其他团队发现的故障模式。整个团队应评估每种故障模式的原因和后果，并评估严重性排名、发生排名和检测排名。

3。识别所有可能的故障模式。

在识别潜在的故障模式时，了解“故障”并不总是意味着完全故障至关重要。潜在的失败包括：

• 间歇性失败： 不规则、间歇性或其他不可预测的故障模式
• 功能故障： 可能会抑制但不会完全损害资产主要功能的故障模式
• 完全失败： 导致运行停止的灾难性系统故障模式

各种各样的问题都可能导致其中任何一种故障。这就是为什么您的下一步是确定所有潜在故障模式的根本原因。

4。确定每种故障模式的根本原因。

在寻求解决方案之前，甚至在对团队发现的各种故障模式进行优先级排序之前，您必须了解故障原因。根本原因包括：

• 计算失败： 设计过程中的错误计算可能会导致整个生产过程中的连锁故障。
• 环境故障： 温度、湿度和其他环境条件的变化会影响设计决策。
• 重大失败： 材料选择不当可能会在制造和组装过程的任何阶段带来潜在的风险和损坏。
• 测试失败： 设计阶段测试不充分可能会在产品生命周期的任何阶段引发问题，包括产品安全和产品可靠性故障。
• 降级故障： 持续使用会导致资产退化，从而导致故障模式退化。
• 意外失败： 当一项资产由于其他部件或资产的故障而发生故障时，则被视为意外故障。

一项失败可能有多个根本原因。这就是为什么必须让整个跨职能团队参与所有潜在故障模式的审查和评估。

5。确定每种故障模式的后果。

为了有效的风险管理，必须对失败的影响进行全面评估。您需要了解次要挑战和关键问题，这使您能够制定全面的风险缓解策略。

潜在后果的例子包括零件、资产、产品、包装、设施或工人安全的损坏。这些后果的范围可以从轻微（例如廉价的维修或更换）到严重（例如灾难性的财产损失、严重伤害或生命损失）。

您需要对所有潜在后果进行全面分析，因为您将使用该信息对故障模式进行排名并确定解决方案的优先级。

6。为每个故障分配严重性、发生率和检测排名。

从严重性排名开始。如果出现这种故障模式，后果有多严重？考虑的因素包括设备损坏、财产损失、财务损失和安全问题。通常，您会按照 1-10 的等级对此进行评分。严重性评分为 1 表示问题较小，而 10 表示最严重问题。

接下来，分配出现评级。这衡量了正常情况下每种故障模式发生的可能性。在 1-10 的范围内，1 表示故障极不可能发生，而 10 表示故障几乎肯定会发生。

最后确定检测等级。如果出现这种故障，是否容易发现？如果故障很容易检测，则指定检测评级为 1；如果极难检测，则指定检测评级为 10；或者介于两者之间。

为了获得最准确的结果，请记住让整个团队参与排名过程。例如，产品经理可能不会理解检测设备故障的难易程度。同样，您的仓库经理可能会观察到包装故障，但可能没有材料或设计专业知识来分配发生率。

7。确定风险优先级编号 (RPN)。

如果 27 种产品有 100 种潜在故障模式，则很难知道从哪里开始。哪些解决方案最重要？如何确定重要性顺序？

答案是您的风险优先级编号 (RPN)。您无需在每个工作日开始时忙着计算严重性、发生率和检测之间的正确平衡，而是为每个潜在故障模式分配一个 RPN。

值得庆幸的是，一旦您为严重性、发生率和检测分配了评级，就可以轻松地将这些评级转换为您的 RPN。

RPN =严重等级 x 发生等级 x 检测等级

高风险故障将具有最高的 RPN，而低风险故障将具有较低的 RPN。通过这种风险评估策略，设计团队将从最高的 RPN 开始，然后逐步降低。

8。实施系统方法和行动计划，以减少或消除失败风险。

对于每种潜在的故障模式，确定适当的行动计划以及具体的、可衡量的纠正措施。考虑修改现有的预防控制（防止故障的手段）和检测控制（检测故障的手段），以及新的行动步骤和设计流程来改进 RPN。

您可能需要额外的工具和资源来实施新的风险降低和纠正措施步骤。评估预算需求、采购流程以及行动计划成功的其他重要组成部分。

9。实施后，重新评估 RPN 并对 DFMEA 采用持续改进方法。

DFMEA 流程不是一次性解决方案。将定期故障分析集成到您的设计和制造过程中有助于确保最佳效率、符合行业标准的法规、质量控制、产品安全和客户满意度。

通过定期识别故障模式并实施系统流程来解决任何问题，您将有助于减少和预防代价高昂的故障。当您将 DFMEA 作为一个迭代过程时，您的方法就从被动的故障排除转变为主动的、持续的改进。

计算机化维护管理程序 (CMMS) 是提高可靠性和提高 RPN 分数的关键。通过跟踪资产和收集性能数据，您的团队将有能力执行彻底的设备分析并通过有针对性的维护来提高性能。