梁新成，张智文，周 黎，袁 源
（1.西南大学 工程技术学院，重庆 400715；
2.西南大学 人工智能学院，重庆 400715；
3.重庆江增船舶重工有限公司，重庆 402284）
随着传统汽车保有量的急剧增加，产生了一系列问题，如交通拥堵、能源供给紧张、废气排放及噪音等。新能源汽车由于使用非常规能源，并且综合了车辆动力及控制的先进技术，因而具有低噪音、零污染等特点，也是汽车产业转型升级的主要目标。燃料电池汽车作为新能源汽车的一种，通过将氢气的化学能转换为电能，仅排出热和水，因而是一款真正意义上清洁、高效的汽车，也是我国保障能源安全、应对气候变化及实现“碳达峰、碳中和”的重要抓手[1-3]。因此，开展燃料电池汽车的相关研究具有重要的现实意义。
空气压缩机（以下简称空压机）被誉为“燃料电池之肺”，其压比和流量对燃料电池系统的性能、成本和电堆尺寸等影响较大，且其自身能耗约占电池输出总功率的20%以上。同时，空压机成本约占整个燃料电池总成本的15%～20%，也是限制燃料电池规模产业化应用的重要因素。另一方面，目前国内外市场相关产品长期被欧美及日本等国外公司垄断，售价高达10～15万元/套，国内企业虽然正在加快研发，但设计开发、制造工艺和控制技术等均落后于国外，且市场应用极少。在工信部颁布的两版《节能与新能源汽车技术路线图》中，空压机均被列为亟待突破的关键系统技术。因此，研发具有自主知识产权的空压机系统将有助于打破国外技术的垄断，推动氢能在交通领域的示范应用。
空压机由多个部件组成，其中主轴、压气叶轮、外壳及空气箔片轴承等属于关键部件，其设计的质量直接影响空压机乃至整个燃料电池的性能。以空气箔片轴承为例，作为以空气等气体为润滑剂的滑动轴承，具有精度及工作转速高、耐高低温、无需专门的润滑装置及结构简单等优点，但其机械承载力相对较弱，平箔片厚度、轴承波纹刚度及楔形区域入口高度等对其承载力影响大[4-5]。此外，空气轴承本身的理论研究极为复杂，其承载力及支承刚度的仿真计算较为困难，需要应用转子动力学等非线性理论进行分析[6-7]。空压机外壳对于系统效率及工作范围有很大的影响，气体在内部的流动相当复杂，当前鲜有文献分析外壳参数对系统性能的影响[8]。对压气叶轮而言，叶片入口安装角、叶片出口安装角、叶片包角以及叶片型线等参数对系统的功耗影响较大，对其需要进行优化组合[9-10]。超高速电机作为空压机中另一重要系统，其转速高达100000 r/min或更高，则控制器的安装、冷却系统的设计及系统噪声等都需要慎重考虑[11-12]。由于车用燃料电池空压机比通常的机械设计在精度、可靠性及寿命等方面的要求更高，故仅使用传统的设计理论及方法容易造成反复修改导致研发成本和周期显著上升。因此，有必要借助新的设计和分析方法以提升设计的可靠性和效率。
潜在失效模式及影响分析（Failure Mode and Effects Analysis, FMEA）是一种用以确保在产品和过程的开发过程中潜在问题被考虑并阐明的分析方法[13]。通常分为设计FMEA（Design FMEA, DFMEA）和工艺FMEA（Process FMEA, PFMEA）。前者由设计部门完成，着重于分析元件及关键设计要素的物理失效模式；
后者由工艺部门完成，着重于分析由于加工不符合要求而造成产品失效[14]。作为一种可靠性分析方法曾在航空航天等多个领域取得了良好的效果，功能尤为强大。鉴于传统设计方法存在不足和FMEA方法的先进性，有必要将二者结合起来实现空压机研发效率的提升。
1.1 DFMEA在国外的应用
FMEA作为一种可靠性分析方法起源于美国。早在上世纪50年代初，美国格鲁门飞机公司在研制飞机主操纵系统时就采用了FMEA方法，虽未进行危害性分析（Criticality Analysis, CA），但仍取得了良好的效果。从上世纪60年代起，该方法开始广泛地应用于航空、航天、舰船、兵器等装备研制中，并逐渐渗透到机械、汽车、医疗设备等民用工业领域，取得了显著的效果。
据统计，产品开发过程中这一阶段约占开发费用的30%、总时间的40%。此外，产品质量好坏的60%～70%取决于产品设计工作，其质量事故有1/3以上缘于产品设计不善造成，产品制造成本也在很大程度上取决于设计的合理性。因此，如何在产品设计阶段有效地避免失效非常重要。作为FMEA的一种，DFMEA通过系统分析，确定元器件、零部件、设备、软件在设计中所有可能的故障模式，以及每一故障模式的原因及影响，以便找出潜在的薄弱环节，并提出改进措施。通常用故障影响的严重程度以及发生的概率来估计其危害程度，并根据危害程度确定采取设计改进、使用补偿措施的优先顺序。
1.2 DFMEA在国内的应用
20世纪60年代，我国才开始重视并引进可靠性技术。随着可靠性技术的发展，其在工程中的应用不断扩大，带动了FMEA的传播和应用。我国制定的《系统可靠性分析技术失效模式和效应分析程序》（GB 826—87）、《装备研制和生产可靠性通用纲领》（GJB 450）及《故障模式、影响及危害性分析程序》（GJB 1391—92）等[15]。DFMEA的应用提升了汽车产品的设计水平，缩短了研发的周期和成本，也促使了其理论性的进一步完善。
1.3 DFMEA存在的问题
尽管DFMEA的功能强大，但目前在国内的应用中还存在诸多问题，如企业对DFMEA效益与价值认识不清楚、开发周期紧张无法完成DFMEA检查等问题[16]。具体如下：
1）对DFMEA的理解不到位，存在脱节现象。一些企业在产品设计完成后补充一个DFMEA表格，后者是在产品失效后进行分析，没有在“事件发生前”采取措施，错过了在设计阶段发现薄弱环节并改进设计的机会，使DFMEA的工作流于形式。对于产品的不同研制阶段，应该进行不同程度、层次的DFMEA。总之，需要深刻理解DFMEA的精髓，将其在产品的研制阶段反复完善与迭代。
2）未形成一个跨部门的协调小组，仅依靠个别设计师的经验[17]。在实际中，DFMEA由具有设计责任的产品设计小组的某个设计人员按照自身的经验进行编制。受工程师自身素质和经验的限制，常常会出现问题根源分析不全面、找不到好的解决方案等，进而导致DFMEA的内容苍白无力。DFMEA需要贯彻“谁设计、谁负责”的原则，更需要设计、工艺、制造、售后及用户等组成一个协调小组，通过集思广益完成相关的内容。
3）DFMEA是一个动态的过程，需要不断完善和修改[18]。部分企业的DFMEA对失败教训、成功设计思路等数据积累不及时，相关参数如严重度、频度及探测度的取值具有随意性，控制措施与失效原因之间没有对应关系，这些都造成了参考资料老旧及与实际情况不符合，失去了指导后续设计的价值。
4）DFMEA需要完善。尽管频度等参数在使用中参考了国外的标准，但由于国内外的设计及制造水平存在明显的差异，完全照搬不可行。一些参数在相邻的分数之间决断时难以作出判断。实际上DFMEA中的风险系数（Risk Priority Number, RPN）的数值具有不连续性，即使相同的RPN数值代表的意义也并非完全一致，故完全根据RPN数值来判断失效模式存在风险。因此，DFMEA还需要与其他方法一起共同提高产品的设计水平。
空压机是一个具有多个零部件/总成的复杂系统，直接应用DFMEA进行各个层级分析的工作量过大，且零部件之间的耦合关系也会增加完成的难度，因此，本文仅对图1的几个重要零部件进行分析并给出改进建议。
图1 空压机的部分零部件结构图
2.1 相关设计参数的取值和计算依据
为了能够对空压机部件的风险进行评估，按照FMEA的相关理论对严重度（S）、频度（O）及探测度（D）进行取值，再计算出RPN的值NRP= S×O×D，以确定失效的风险等级并进行持续改进。其中相关参数的取值依据如表1—表3所示[19]。
表1 频度O取值表
表2 严重度S取值
表3 探测度D取值
2.2 零部件存在问题梳理
将空压机零部件存在的问题分别进行整理，具体如下：
1）本项目中的空气箔片轴承分为推力轴承和径向轴承两种。其中推力轴承表现出的问题是磨损和坍塌，主要是设计时材料的选择失当。径向轴承的问题是刚度不够，存在高温失效；
轴承内孔的粗糙度不合理，存在碰擦和卡死现象。此外，材质的耐磨性差，部件寿命不满足要求。
2）主轴总体分为三段，主轴前段安装压气机，主轴后段为止推盘，中间段为永磁体，三段用护套过盈连接。其存在问题是主轴轴承强度不够，寿命无法保证。主轴外圆和轴承之间的间隙不合理，会导致磨损产生。电机设计也存在问题，无法保证额定的输入功率。
3）压气叶轮存在叶轮与压气机壳配合间隙小于运转时的最小允许间隙，容易发生尺寸干涉。另外，材质选择不当，当前材料易变形甚至脆裂，引起动平衡变化。
4）外壳材料是6063铝合金，其中有冷却液流道、空气通道、轴承支撑孔为重要特征。分析发现外壳容易出现疲劳现象，材料承受不了200 ℃以上的温度，壳体会出现变形，耐腐蚀的能力也比较差。与扩压体的配合存在问题，可能导致部分零部件无法安装。
2.3 应用DFMEA进行持续改进
在完成空压机问题梳理的基础上，再结合DFMEA理论对前期空气箔片轴承、外壳、主轴及叶轮等核心零部件的设计进行了系统的分析和虚拟实验，即分析了潜在失效的模式、后果、原因及风险评估，也对未来拟采取的改进措施进行了整理，具体如表4所示。表4中S、O及D的取值借鉴了表1—表3。必须指出，DFMEA表是一个动态文件，需要持续改进直至产品的生命周期结束。项目组根据失效模式的RPN门限值和S值的阈值来判断是否需要改进，其中规定当RPN门限值为80，或S值大于等于6时进行改进，修改后的RPN值不大于40。
表4 空压机零部件的DFMEA表格
车用燃料电池空压机是复杂且精密的机电一体化系统，用传统的机械设计方法存在开发成本高、可靠性差的问题，将DFMEA分析方法引入在设计过程中，通过CAE计算及虚拟实验等方法对设计的风险进行评估，发现了空压机设计方面存在的不足。再根据DFMEA方法制定了修改意见，通过优化设计参数、更换材料等提高了设计的可靠性，降低了研发的成本。主要结论如下：
1）应用DFMEA方法系统整理了空压机重要零部件在设计方面存在的失效问题，较好地消除了设计方面存在的风险。
2）根据失效模式，给出了相应的解决办法，使设计的可靠性大幅提升，空气轴承等重要部件的性能得以明显改进。
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