改進(jìn)FMECA 在空間電源分系統(tǒng)中的應(yīng)用

孔雷星，冷學(xué)敏，馬季軍，葛茂艷，王 田

（上海空間電源研究所，上海 200245）

0 引言

故障模式、影響及危害性分析（Failure Mode，Effect and Criticality Analysis，F(xiàn)MECA）是分析產(chǎn)品中每一個(gè)可能的故障模式并確定其對(duì)產(chǎn)品及上層產(chǎn)品所產(chǎn)生的影響，以及把每一個(gè)故障模式按其影響的嚴(yán)重程度予以分類的一種分析技術(shù)［1］。FMECA在FMEA 的基礎(chǔ)上增加了危害性分析（CA）的內(nèi)容。FMEA 的主要作用是找出潛在的薄弱環(huán)節(jié)，盡可能早地發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)、工藝過(guò)程中的各種缺陷，并提出改進(jìn)措施，從而提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。20 世紀(jì)50 年代，F(xiàn)MEA 產(chǎn)生于美國(guó)航空業(yè)內(nèi)，到60 年代正式用于美國(guó)航天領(lǐng)域。80 年代初，我國(guó)才開始引進(jìn)FMEA，相繼頒布了一系列國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、軍用標(biāo)準(zhǔn)等［2-6］。FMECA 方法也廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)［7-12］，例如：質(zhì)量安全管理、地鐵車輛、醫(yī)學(xué)、航空、航天和煙草企業(yè)等。更有學(xué)者對(duì)FMECA 的方法進(jìn)行了深入研究［13-15］，例如接口FMECA、模糊FMEA 等。目前航天領(lǐng)域引用最多、使用最廣泛的為GJB/Z 1391—2006《故障模式、影響及危害性分析指南》，主要介紹了功能及硬件FMECA、軟件FMECA、損壞模式及影響分析、過(guò)程FMECA 的程序和方法，以及由中國(guó)空間技術(shù)研究院頒發(fā)的Q/W 1364—2012《航天器產(chǎn)品故障模式及影響》，主要介紹了不同層級(jí)產(chǎn)品開展設(shè)計(jì)FMEA 及過(guò)程FMEA 的程序及方法，并詳細(xì)介紹了冗余系統(tǒng)開展FMEA 的方法。依據(jù)以上兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，型號(hào)中開展設(shè)計(jì)FMECA 基本能夠滿足工程的要求。但是，在型號(hào)工作中，F(xiàn)MECA工作并未完全發(fā)揮其作用，原因包括：1）原有的功能層次與結(jié)構(gòu)層次框圖主要適用于具有簡(jiǎn)單連接關(guān)系的系統(tǒng)中，難以滿足功能及連接關(guān)系越來(lái)越復(fù)雜的系統(tǒng)應(yīng)用；2）原有的FMECA 主要側(cè)重于定性故障模式、故障原因等分析，對(duì)于定量分析缺乏有效的操作指導(dǎo)；3）原FMECA 中故障模式發(fā)生可能性劃分層級(jí)較粗，而現(xiàn)階段產(chǎn)品可靠性要求及生產(chǎn)制造水平等越來(lái)越高，較粗的劃分層級(jí)無(wú)法滿足使用需求；4）產(chǎn)品與產(chǎn)品之間的接口通常被認(rèn)為高可靠而不進(jìn)行分析，或由于接口的復(fù)雜性導(dǎo)致故障識(shí)別不到位，不全面。基于上述原因，F(xiàn)MECA 工作在型號(hào)實(shí)際應(yīng)用中并未得到從上至下的重視，即使FMECA 工作主觀上被重視了，但部分設(shè)計(jì)師對(duì)FMECA 工作方法和程序不熟練，對(duì)產(chǎn)品或系統(tǒng)未進(jìn)行分析就著手填寫FMECA 表格，導(dǎo)致分析層級(jí)混亂，表格填寫不規(guī)范，故障模式和故障原因分析不全。

針對(duì)以上4個(gè)突出的問(wèn)題，本文提出改進(jìn)FMECA的方法程序，包括3 方面：1）改進(jìn)產(chǎn)品的功能和結(jié)構(gòu)分析方法，確定FMECA 的分析范圍、識(shí)別功能及其設(shè)計(jì)要素；2）完善FMECA 分析表格，增加功能的量化指標(biāo)要求，增加現(xiàn)行控制措施的分類；3）增加發(fā)生可能性的級(jí)別，通過(guò)增加繼承產(chǎn)品的失效情況可更有效地識(shí)別故障發(fā)生可能性，便于判斷采取改進(jìn)措施后是否對(duì)設(shè)計(jì)提供了幫助。

1 改進(jìn)FMECA 方法

1.1 確定分析范圍

FMECA 分析的首要工作是確定分析邊界，即確定哪些產(chǎn)品需要開展FMECA，哪些產(chǎn)品不開展，主要通過(guò)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹和結(jié)構(gòu)框圖這兩種方法配合確定分析范圍。

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹是按照樹狀圖從上至下梳理產(chǎn)品的硬件組成，需要開展分析的產(chǎn)品用實(shí)框表示，不需開展分析的產(chǎn)品用虛框表示，如圖1 所示。是否開展FMECA 分析的原則通常包括以下兩項(xiàng)：1）外購(gòu)件產(chǎn)品不需要開展分析，如商用電腦、集成芯片、霍爾傳感器、螺釘?shù)取Ｔ蚴菍?duì)于使用者來(lái)說(shuō)，只要外購(gòu)件產(chǎn)品的功能和性能滿足要求，其接口能夠與系統(tǒng)匹配，不必了解外購(gòu)件產(chǎn)品的內(nèi)部組成關(guān)系，因此不需進(jìn)行分析。2）功能單一且設(shè)計(jì)要素低（即性能指標(biāo)少）的產(chǎn)品不需要開展分析，例如電連接器、導(dǎo)線、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)框架等。

圖1 結(jié)構(gòu)樹示意圖Fig.1 Structure tree diagram

結(jié)構(gòu)框圖是識(shí)別產(chǎn)品內(nèi)外部及接口之間的交互關(guān)系的一種圖形，它既可以反映產(chǎn)品結(jié)構(gòu)內(nèi)部各零件之間的關(guān)系，也能反映產(chǎn)品與外部系統(tǒng)之間的關(guān)系，如圖2 所示。

結(jié)構(gòu)框圖中的接口關(guān)系包括物理空間關(guān)系、能量傳遞關(guān)系、信息傳遞關(guān)系、物質(zhì)交換關(guān)系和人機(jī)交互關(guān)系。對(duì)于空間電源系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，除了物質(zhì)交換關(guān)系，其余的接口關(guān)系都涉及。

圖2 結(jié)構(gòu)框圖示意圖Fig.2 Structural block diagram

結(jié)構(gòu)框圖中的連接方式?jīng)]有特定的要求，但需要對(duì)每個(gè)連接關(guān)系進(jìn)行準(zhǔn)確的說(shuō)明。通常，若兩個(gè)產(chǎn)品之間只有物理空間關(guān)系，用不帶箭頭的實(shí)線條表示，若沒(méi)有物理空間關(guān)系，用虛線條表示，用箭頭表示兩個(gè)產(chǎn)品之間的物質(zhì)或能量或信息的傳遞方向。圖中的數(shù)字表示有物理空間關(guān)系及其他接口關(guān)系的具體表現(xiàn)形式，例如螺栓連接、壓裝、焊接、勾焊、導(dǎo)線連接、電連接器連接、熱傳遞、電能傳遞、信息傳遞等，并列表說(shuō)明。

通過(guò)結(jié)構(gòu)框圖可以清楚地表示產(chǎn)品與產(chǎn)品之間的接口關(guān)系，即使某產(chǎn)品不進(jìn)行FMECA 分析，但其接口也能被表示出來(lái)，不會(huì)遺漏任何的接口。

1.2 功能及要求分析

FMECA 分析的另一項(xiàng)重要工作是針對(duì)分析對(duì)象開展功能分析，明確產(chǎn)品的功能及參數(shù)指標(biāo)要求，主要采用功能樹和功能框圖這兩種工具來(lái)識(shí)別功能、功能的交互關(guān)系及功能的冗余情況。

功能樹分析以產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹為基礎(chǔ)，以分析對(duì)象的功能為核心，向上和向下各分析一層，如圖3 所示。功能樹中需要關(guān)注以下幾點(diǎn)：1）分析對(duì)象的每一個(gè)功能單獨(dú)畫一棵功能樹，最后將上一層功能相同的功能樹合并，為分析對(duì)象的上級(jí)產(chǎn)品開展FMECA 提供信息；2）功能樹中需要明確表征該功能的參數(shù)指標(biāo)；3）結(jié)構(gòu)框圖中每個(gè)產(chǎn)品與產(chǎn)品之間的接口關(guān)系均要反映在功能樹中，例如圖中的組件1 和組件2；4）功能樹中需要給出兩個(gè)或多個(gè)沒(méi)有交互關(guān)系（沒(méi)有接口關(guān)系）的產(chǎn)品共同完成同一功能的情況，例如圖中的組件3 和組件4；5）從功能樹中將分析對(duì)象的功能及參數(shù)指標(biāo)要求進(jìn)行匯總，并形成表格。

圖3 功能樹示意圖Fig.3 Function tree diagram

功能框圖表示各功能之間的界面和接口的序列關(guān)系（輸入/輸出）。以功能樹為基礎(chǔ)，首先對(duì)分析對(duì)象（本級(jí)產(chǎn)品）的功能之間關(guān)系用功能框圖表示出來(lái)，即用一個(gè)頂層框圖來(lái)表示被分析的整個(gè)項(xiàng)目，再將每個(gè)本級(jí)功能的下級(jí)功能用功能框圖表示出來(lái)，即用若干張圖表示頂層框圖中某一確定功能的細(xì)節(jié)部分，功能框圖示意圖如圖4 所示。

與結(jié)構(gòu)框圖類似，功能框圖中的接口關(guān)系包括能量傳遞關(guān)系、信息傳遞關(guān)系、物質(zhì)交換關(guān)系，可以用不同的線型表示不同的接口關(guān)系。功能框圖中需要關(guān)注以下幾點(diǎn)：1）若建立一系列按層次劃分的功能框圖，則每個(gè)框圖應(yīng)與相鄰層次框圖保持一致性；2）某一個(gè)功能框圖只能對(duì)應(yīng)于與功能樹相應(yīng)的同一層次；3）功能框圖應(yīng)能描述出系統(tǒng)的冗余結(jié)構(gòu)，為填寫FMECA 表格中的預(yù)防措施奠定基礎(chǔ)；4）針對(duì)不同的任務(wù)階段和工作模式，航天器產(chǎn)品應(yīng)建立不同的功能框圖來(lái)表示全任務(wù)階段的各個(gè)狀態(tài)。

圖4 功能框圖示意圖Fig.4 Functional block diagram

1.3 FMECA 表格改進(jìn)

經(jīng)過(guò)對(duì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和功能分析，下一步可以填寫FMECA 表格。為了更加凸顯FMECA 分析的作用，在現(xiàn)有型號(hào)表格的基礎(chǔ)上進(jìn)行完善，見表1。

表1 FMECA 表格Tab.1 FMECA form

表1 中，新增了第4、16 列，下面對(duì)重要列進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

第2 列：填寫分析對(duì)象。

第3 列：填寫從功能樹中識(shí)別的功能。

第4 列：填寫從功能樹中識(shí)別的功能參數(shù)指標(biāo)。

第5 列：功能參數(shù)指標(biāo)的反面即為故障模式。

第6 列：給出產(chǎn)品的任務(wù)階段及具體的工作狀態(tài)。

第7 列：從其相關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)/子系統(tǒng)/產(chǎn)品/零部件、生產(chǎn)制造、使用用戶等角度填寫影響，并可從故障現(xiàn)象及便于嚴(yán)酷度打分的角度進(jìn)行描述。

第8 列：針對(duì)最終影響結(jié)果對(duì)照嚴(yán)酷度等級(jí)分類表進(jìn)行填寫。

第9 列：增加發(fā)生可能性的層級(jí)，便于進(jìn)行采取措施前后的對(duì)比，見表2（參考汽車行業(yè)FMEA手冊(cè)［3］）。

表2 故障發(fā)生頻度［6］Tab.2 Failure frequency［6］

第10 列：根據(jù)嚴(yán)酷度和新的發(fā)生可能性定義新的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指數(shù)，見表3，風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)對(duì)應(yīng)的處理原則見表4。

表3 風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)［4］Tab.3 Risk index［4］

表4 風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)對(duì)應(yīng)的處理原則［4］Tab.4 Principles of risk index［4］

第11 列：給出會(huì)引起系統(tǒng)故障，且沒(méi)有冗余或替代的操作程序作為補(bǔ)救的產(chǎn)品故障，若符合該定義，填寫“Y”，若不符合該定義，填寫“N”。

第12 列：故障原因可從功能樹中識(shí)別，為下一層產(chǎn)品的功能參數(shù)要求的反面及下一層產(chǎn)品接口的功能參數(shù)要求的反面，也可從故障現(xiàn)象進(jìn)行定性描述。

第13 列：給出在任務(wù)執(zhí)行時(shí)能夠表征該故障的遙測(cè)參數(shù)（包括參數(shù)代號(hào)及參數(shù)名稱）。

第14 列：給出產(chǎn)品在地面測(cè)試階段能夠表征該故障的參數(shù)或其他手段。

第15 列：針對(duì)故障原因提出可以指導(dǎo)設(shè)計(jì)的措施和方法，例如失效安全設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)和材料標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)防錯(cuò)、模擬研究（概念分析、建立設(shè)計(jì)要求等）。

第16 列：針對(duì)故障原因和故障模式提出可以檢查設(shè)計(jì)的措施和方法，例如設(shè)計(jì)評(píng)審、試驗(yàn)驗(yàn)證、模擬研究（設(shè)計(jì)驗(yàn)證）、使用相似部件的原型、關(guān)強(qiáng)點(diǎn)設(shè)置等。

第17 列：從3 個(gè)維度考慮。1）通過(guò)更改設(shè)計(jì)降低嚴(yán)酷度等級(jí)；2）通過(guò)設(shè)計(jì)修改或控制手段，消除或減少失效原因出現(xiàn)的可能（例如實(shí)行設(shè)計(jì)防錯(cuò)措施、優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、冗余設(shè)計(jì)、裕度設(shè)計(jì)、修訂材料規(guī)格）；3）改進(jìn)檢查設(shè)計(jì)的方法，將檢查設(shè)計(jì)的工作提前（例如試驗(yàn)優(yōu)化、在產(chǎn)品設(shè)計(jì)前期進(jìn)行檢查、采用更高級(jí)的檢查方法）。

第18 列：填寫產(chǎn)品在執(zhí)行任務(wù)期間，針對(duì)故障可采取的應(yīng)對(duì)措施。

第19 列：其他需要說(shuō)明的事項(xiàng)。

2 改進(jìn)FMECA 方法在空間電源分系統(tǒng)的應(yīng)用案例

2.1 空間電源分系統(tǒng)的特點(diǎn)

空間電源分系統(tǒng)的特點(diǎn)包括：

1）工作環(huán)境嚴(yán)酷。

空間電源分系統(tǒng)既有艙外設(shè)備也有艙內(nèi)設(shè)備，艙內(nèi)設(shè)備處于失重的環(huán)境，艙外設(shè)備處于高層大氣、地磁場(chǎng)、天體應(yīng)力場(chǎng)、高能帶電粒子、空間等離子體、高低溫交變、原子氧、微流星和空間碎片等環(huán)境［2］，這些環(huán)境對(duì)電源分系統(tǒng)的主要影響為溫度、輻射損傷、機(jī)械損傷、化學(xué)損傷、表面充電放電等，這些影響都會(huì)加速電源分系統(tǒng)的機(jī)電設(shè)備和承載結(jié)構(gòu)失效。

2）分系統(tǒng)設(shè)備類型多、小子樣問(wèn)題突出。

空間電源分系統(tǒng)主要功能是給航天器提供電能，但其設(shè)備類型包含4 類：機(jī)電類、電子電器類、機(jī)構(gòu)類和電化學(xué)類，需要采取不同的可靠性分析手段滿足總體的要求。空間電源分系統(tǒng)的設(shè)備基本上是單件或小批量生產(chǎn)，其可靠性數(shù)據(jù)不夠充分，可靠性特征不易掌握。

3）工作周期長(zhǎng)、可靠性要求高。

為了配合航天器，空間電源分系統(tǒng)在軌工作周期長(zhǎng)，對(duì)各設(shè)備的可靠性提出了較高的要求，給設(shè)計(jì)工作帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。

4）在軌可維修。

由于航天器在軌時(shí)間長(zhǎng)，空間電源分系統(tǒng)在軌可維修是為了適應(yīng)航天的發(fā)展最新提出的要求，其維修方案、維修時(shí)機(jī)、維修內(nèi)容和維修手段等仍處于摸索階段，可借鑒的資料較少。另外，由于空間環(huán)境的影響，空間電源分系統(tǒng)維修時(shí)間較長(zhǎng)、維修難度較大、維修風(fēng)險(xiǎn)較高，這些都給在軌可維修帶來(lái)很多不確定的因素。

5）儲(chǔ)能電池要求高。

未來(lái)的空間電源分系統(tǒng)將采用鋰離子蓄電池作為儲(chǔ)能電池，不再有應(yīng)急電源作為在陰影區(qū)出現(xiàn)功率峰值時(shí)的電能補(bǔ)充，因此，需要避免出現(xiàn)此種情況，增加電池的功率。

6）安全性問(wèn)題突出。

目前空間電源分系統(tǒng)采用高電壓母線控制，萬(wàn)一發(fā)生漏電事故，將有可能導(dǎo)致設(shè)備和人員的損傷。在設(shè)備的維修過(guò)程中，也存在觸及高壓的危險(xiǎn)。

2.2 確定分析范圍

以某航天飛行器電源分系統(tǒng)的分流調(diào)節(jié)器為例，它主要包括供電分流電路、二次電源電路、母線濾波電路、參數(shù)測(cè)量電路、底板和匯流銅條，分流調(diào)節(jié)器產(chǎn)品組成圖如圖5 所示。產(chǎn)品的組成關(guān)系主要包括：1）供電分流電路、母線濾波電路、二次電源電路及匯流銅條由于發(fā)熱量較大，通過(guò)螺接的方式安裝在底板上；2）供電分流電路、母線濾波電路、二次電源電路均需要進(jìn)行參數(shù)測(cè)量，因此參數(shù)測(cè)量電路需要將產(chǎn)品的參數(shù)傳輸給電源分系統(tǒng)的電源管理器及整器的數(shù)管分系統(tǒng)；3）供電分流電路通過(guò)電纜接受太陽(yáng)電池翼的100 V 發(fā)電功率，并通過(guò)匯流銅條將100 V 發(fā)電功率輸出給下游設(shè)備——母線濾波器；4）母線濾波器將MEA 信號(hào)通過(guò)電纜連接器傳輸給供電分流電路；5）匯流銅條通過(guò)機(jī)內(nèi)電纜將100 V 發(fā)電功率傳輸給二次電源電路，二次電源電路為供電分流電路和參數(shù)測(cè)量電路提供±12 V。

圖5 分流調(diào)節(jié)器產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹Fig.5 Structure tree diagram of shunt regulator product

產(chǎn)品具體的結(jié)構(gòu)框圖如圖6 所示，內(nèi)外接口交互關(guān)系表見表5。

圖6 分流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)框圖Fig.6 Structural block diagram of shunt regulator product

2.3 功能及要求分析

分流調(diào)節(jié)器主要實(shí)現(xiàn)3 個(gè)功能：分流功能、供電功能和參數(shù)測(cè)量功能，具體見表6。3 個(gè)功能的交互關(guān)系如圖7 所示。

分流功能需要由供電分流電路、二次電源電路、底板這3 部分來(lái)完成，功能量化要求包括：1）分流MEA 控制電壓域?yàn)?.3～9.0 V；2）15 路分流供電電路，每路分流能力為7.2 A；3）母線電壓維持在105～107 V；4）產(chǎn)品的工作溫度維持在5～35 ℃。分流功能樹如圖8 所示。

2.4 FMECA 表格填寫

以分流調(diào)節(jié)器的分流功能為例，填寫FMECA表格。根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)框圖及功能分析，分流調(diào)節(jié)器本級(jí)功能的反面即為故障模式，下級(jí)功能的反面即為故障原因，見表7 和表8。

表5 分流調(diào)節(jié)器接口交互關(guān)系表Tab.5 Interface interaction relationship table of shunt regulator product

表6 分流調(diào)節(jié)器功能分析表Tab.6 Function analysis table of shunt regulator

圖7 分流調(diào)節(jié)器功能框圖Fig.7 Functional block diagram of shunt regulator

圖8 分流功能樹Fig.8 Shunt function tree

根據(jù)表2 和表3 的定義，確定該故障模式的發(fā)生可能性為C3，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指數(shù)為7。

表7 FMECA 分析1Tab.7 FMECA analysis 1

表8 FMECA 分析2Tab.8 FMECA analysis 2

從表8 中可以看出，故障原因中不僅分析了電路模塊引起的故障，并且分析了接口引起的故障，只要在功能和結(jié)構(gòu)分析中對(duì)接口的分析是全面的，那么在FMECA 分析表中必會(huì)反映出接口。同時(shí)，根據(jù)不同的故障原因提出了不同的改進(jìn)建議，目的是保證指標(biāo)參數(shù)不發(fā)生錯(cuò)誤，從而確保功能執(zhí)行的正確性，最終提高產(chǎn)品的可靠性。

2.5 FMECA 結(jié)果分析

分流調(diào)節(jié)器是航天器電源分系統(tǒng)中必不可少的產(chǎn)品，它的可靠與否可決定電源系統(tǒng)的工作壽命長(zhǎng)短，通過(guò)FMECA 分析，得到以下結(jié)果：1）MEA控制電壓域和工作溫度是制約分流功能的關(guān)鍵參數(shù)；2）改進(jìn)措施中不僅考慮了設(shè)計(jì)，通過(guò)接口識(shí)別還增加了工藝過(guò)程實(shí)施；3）按照新的發(fā)生可能性表，故障發(fā)生可能性從一律的“E”變?yōu)榱恕癈3”。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)現(xiàn)有FMECA 方法存在的兩個(gè)缺陷——無(wú)法有效指導(dǎo)設(shè)計(jì)改進(jìn)和接口分析不到位，從3 個(gè)方面提出了改進(jìn)方法：改進(jìn)產(chǎn)品功能和結(jié)構(gòu)分析方法，完善FMECA 分析表格和增加發(fā)生可能性的級(jí)別，并以分流調(diào)節(jié)器為例進(jìn)行了逐一分析。從分析結(jié)果可知，F(xiàn)MECA 分析層級(jí)更加清晰，表格填寫更加規(guī)范，故障模式和故障原因分析更加全面，指標(biāo)量化更有利于發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)薄弱環(huán)節(jié)，更有針對(duì)性地指導(dǎo)產(chǎn)品開展設(shè)計(jì)改進(jìn)，彌補(bǔ)了現(xiàn)有FMECA 的缺陷，有利于產(chǎn)品提高可靠性。