DFMEA在車用燃料電池空壓機設計中的應用

梁新成，張智文，周 黎，袁 源

（1.西南大學 工程技術學院，重慶 400715；2.西南大學 人工智能學院，重慶 400715； 3.重慶江增船舶重工有限公司，重慶 402284）

隨著傳統汽車保有量的急劇增加，產生了一系列問題，如交通擁堵、能源供給緊張、廢氣排放及噪音等。新能源汽車由于使用非常規能源，并且綜合了車輛動力及控制的先進技術，因而具有低噪音、零污染等特點，也是汽車產業轉型升級的主要目標。燃料電池汽車作為新能源汽車的一種，通過將氫氣的化學能轉換為電能，僅排出熱和水，因而是一款真正意義上清潔、高效的汽車，也是我國保障能源安全、應對氣候變化及實現“碳達峰、碳中和”的重要抓手[1-3]。因此，開展燃料電池汽車的相關研究具有重要的現實意義。

空氣壓縮機（以下簡稱空壓機）被譽為“燃料電池之肺”，其壓比和流量對燃料電池系統的性能、成本和電堆尺寸等影響較大，且其自身能耗約占電池輸出總功率的20%以上。同時，空壓機成本約占整個燃料電池總成本的15%～20%，也是限制燃料電池規模產業化應用的重要因素。另一方面，目前國內外市場相關產品長期被歐美及日本等國外公司壟斷，售價高達10～15萬元/套，國內企業雖然正在加快研發，但設計開發、制造工藝和控制技術等均落后于國外，且市場應用極少。在工信部頒布的兩版《節能與新能源汽車技術路線圖》中，空壓機均被列為亟待突破的關鍵系統技術。因此，研發具有自主知識產權的空壓機系統將有助于打破國外技術的壟斷，推動氫能在交通領域的示范應用。

空壓機由多個部件組成，其中主軸、壓氣葉輪、外殼及空氣箔片軸承等屬于關鍵部件，其設計的質量直接影響空壓機乃至整個燃料電池的性能。以空氣箔片軸承為例，作為以空氣等氣體為潤滑劑的滑動軸承，具有精度及工作轉速高、耐高低溫、無需專門的潤滑裝置及結構簡單等優點，但其機械承載力相對較弱，平箔片厚度、軸承波紋剛度及楔形區域入口高度等對其承載力影響大[4-5]。此外，空氣軸承本身的理論研究極為復雜，其承載力及支承剛度的仿真計算較為困難，需要應用轉子動力學等非線性理論進行分析[6-7]。空壓機外殼對于系統效率及工作范圍有很大的影響，氣體在內部的流動相當復雜，當前鮮有文獻分析外殼參數對系統性能的影響[8]。對壓氣葉輪而言，葉片入口安裝角、葉片出口安裝角、葉片包角以及葉片型線等參數對系統的功耗影響較大，對其需要進行優化組合[9-10]。超高速電機作為空壓機中另一重要系統，其轉速高達100000 r/min或更高，則控制器的安裝、冷卻系統的設計及系統噪聲等都需要慎重考慮[11-12]。由于車用燃料電池空壓機比通常的機械設計在精度、可靠性及壽命等方面的要求更高，故僅使用傳統的設計理論及方法容易造成反復修改導致研發成本和周期顯著上升。因此，有必要借助新的設計和分析方法以提升設計的可靠性和效率。

潛在失效模式及影響分析（Failure Mode and Effects Analysis, FMEA）是一種用以確保在產品和過程的開發過程中潛在問題被考慮并闡明的分析方法[13]。通常分為設計FMEA（Design FMEA, DFMEA）和工藝FMEA（Process FMEA, PFMEA）。前者由設計部門完成，著重于分析元件及關鍵設計要素的物理失效模式；后者由工藝部門完成，著重于分析由于加工不符合要求而造成產品失效[14]。作為一種可靠性分析方法曾在航空航天等多個領域取得了良好的效果，功能尤為強大。鑒于傳統設計方法存在不足和FMEA方法的先進性，有必要將二者結合起來實現空壓機研發效率的提升。

1 DFMEA的概述

1.1 DFMEA在國外的應用

FMEA作為一種可靠性分析方法起源于美國。早在上世紀50年代初，美國格魯門飛機公司在研制飛機主操縱系統時就采用了FMEA方法，雖未進行危害性分析（Criticality Analysis, CA），但仍取得了良好的效果。從上世紀60年代起，該方法開始廣泛地應用于航空、航天、艦船、兵器等裝備研制中，并逐漸滲透到機械、汽車、醫療設備等民用工業領域，取得了顯著的效果。

據統計，產品開發過程中這一階段約占開發費用的30%、總時間的40%。此外，產品質量好壞的60%～70%取決于產品設計工作，其質量事故有1/3以上緣于產品設計不善造成，產品制造成本也在很大程度上取決于設計的合理性。因此，如何在產品設計階段有效地避免失效非常重要。作為FMEA的一種，DFMEA通過系統分析，確定元器件、零部件、設備、軟件在設計中所有可能的故障模式，以及每一故障模式的原因及影響，以便找出潛在的薄弱環節，并提出改進措施。通常用故障影響的嚴重程度以及發生的概率來估計其危害程度，并根據危害程度確定采取設計改進、使用補償措施的優先順序。

1.2 DFMEA在國內的應用

20世紀60年代，我國才開始重視并引進可靠性技術。隨著可靠性技術的發展，其在工程中的應用不斷擴大，帶動了FMEA的傳播和應用。我國制定的《系統可靠性分析技術失效模式和效應分析程序》（GB 826—87）、《裝備研制和生產可靠性通用綱領》（GJB 450）及《故障模式、影響及危害性分析程序》（GJB 1391—92）等[15]。DFMEA的應用提升了汽車產品的設計水平，縮短了研發的周期和成本，也促使了其理論性的進一步完善。

1.3 DFMEA存在的問題

盡管DFMEA的功能強大，但目前在國內的應用中還存在諸多問題，如企業對DFMEA效益與價值認識不清楚、開發周期緊張無法完成DFMEA檢查等問題[16]。具體如下：

1）對DFMEA的理解不到位，存在脫節現象。一些企業在產品設計完成后補充一個DFMEA表格，后者是在產品失效后進行分析，沒有在“事件發生前”采取措施，錯過了在設計階段發現薄弱環節并改進設計的機會，使DFMEA的工作流于形式。對于產品的不同研制階段，應該進行不同程度、層次的DFMEA。總之，需要深刻理解DFMEA的精髓，將其在產品的研制階段反復完善與迭代。

2）未形成一個跨部門的協調小組，僅依靠個別設計師的經驗[17]。在實際中，DFMEA由具有設計責任的產品設計小組的某個設計人員按照自身的經驗進行編制。受工程師自身素質和經驗的限制，常常會出現問題根源分析不全面、找不到好的解決方案等，進而導致DFMEA的內容蒼白無力。DFMEA需要貫徹“誰設計、誰負責”的原則，更需要設計、工藝、制造、售后及用戶等組成一個協調小組，通過集思廣益完成相關的內容。

3）DFMEA是一個動態的過程，需要不斷完善和修改[18]。部分企業的DFMEA對失敗教訓、成功設計思路等數據積累不及時，相關參數如嚴重度、頻度及探測度的取值具有隨意性，控制措施與失效原因之間沒有對應關系，這些都造成了參考資料老舊及與實際情況不符合，失去了指導后續設計的價值。

4）DFMEA需要完善。盡管頻度等參數在使用中參考了國外的標準，但由于國內外的設計及制造水平存在明顯的差異，完全照搬不可行。一些參數在相鄰的分數之間決斷時難以作出判斷。實際上DFMEA中的風險系數（Risk Priority Number, RPN）的數值具有不連續性，即使相同的RPN數值代表的意義也并非完全一致，故完全根據RPN數值來判斷失效模式存在風險。因此，DFMEA還需要與其他方法一起共同提高產品的設計水平。

2 DFMEA在空壓機研發中的應用

空壓機是一個具有多個零部件/總成的復雜系統，直接應用DFMEA進行各個層級分析的工作量過大，且零部件之間的耦合關系也會增加完成的難度，因此，本文僅對圖1的幾個重要零部件進行分析并給出改進建議。

圖1 空壓機的部分零部件結構圖

2.1 相關設計參數的取值和計算依據

為了能夠對空壓機部件的風險進行評估，按照FMEA的相關理論對嚴重度（S）、頻度（O）及探測度（D）進行取值，再計算出RPN的值NRP= S×O×D，以確定失效的風險等級并進行持續改進。其中相關參數的取值依據如表1—表3所示[19]。

表1 頻度O取值表

表2 嚴重度S取值

表3 探測度D取值

2.2 零部件存在問題梳理

將空壓機零部件存在的問題分別進行整理，具體如下：

1）本項目中的空氣箔片軸承分為推力軸承和徑向軸承兩種。其中推力軸承表現出的問題是磨損和坍塌，主要是設計時材料的選擇失當。徑向軸承的問題是剛度不夠，存在高溫失效；軸承內孔的粗糙度不合理，存在碰擦和卡死現象。此外，材質的耐磨性差，部件壽命不滿足要求。

2）主軸總體分為三段，主軸前段安裝壓氣機，主軸后段為止推盤，中間段為永磁體，三段用護套過盈連接。其存在問題是主軸軸承強度不夠，壽命無法保證。主軸外圓和軸承之間的間隙不合理，會導致磨損產生。電機設計也存在問題，無法保證額定的輸入功率。

3）壓氣葉輪存在葉輪與壓氣機殼配合間隙小于運轉時的最小允許間隙，容易發生尺寸干涉。另外，材質選擇不當，當前材料易變形甚至脆裂，引起動平衡變化。

4）外殼材料是6063鋁合金，其中有冷卻液流道、空氣通道、軸承支撐孔為重要特征。分析發現外殼容易出現疲勞現象，材料承受不了200 ℃以上的溫度，殼體會出現變形，耐腐蝕的能力也比較差。與擴壓體的配合存在問題，可能導致部分零部件無法安裝。

2.3 應用DFMEA進行持續改進

在完成空壓機問題梳理的基礎上，再結合DFMEA理論對前期空氣箔片軸承、外殼、主軸及葉輪等核心零部件的設計進行了系統的分析和虛擬實驗，即分析了潛在失效的模式、后果、原因及風險評估，也對未來擬采取的改進措施進行了整理，具體如表4所示。表4中S、O及D的取值借鑒了表1—表3。必須指出，DFMEA表是一個動態文件，需要持續改進直至產品的生命周期結束。項目組根據失效模式的RPN門限值和S值的閾值來判斷是否需要改進，其中規定當RPN門限值為80，或S值大于等于6時進行改進，修改后的RPN值不大于40。

表4 空壓機零部件的DFMEA表格

3 結論

車用燃料電池空壓機是復雜且精密的機電一體化系統，用傳統的機械設計方法存在開發成本高、可靠性差的問題，將DFMEA分析方法引入在設計過程中，通過CAE計算及虛擬實驗等方法對設計的風險進行評估，發現了空壓機設計方面存在的不足。再根據DFMEA方法制定了修改意見，通過優化設計參數、更換材料等提高了設計的可靠性，降低了研發的成本。主要結論如下：

1）應用DFMEA方法系統整理了空壓機重要零部件在設計方面存在的失效問題，較好地消除了設計方面存在的風險。

2）根據失效模式，給出了相應的解決辦法，使設計的可靠性大幅提升，空氣軸承等重要部件的性能得以明顯改進。