某型系留氣球故障案例的可靠性分析

聞 麗

(中國特種飛行器研究所，湖北 荊門 448035)

某型系留氣球故障案例的可靠性分析

聞 麗

(中國特種飛行器研究所，湖北 荊門 448035)

以某型系留氣球外場試驗的故障案例數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，從故障件所屬系統(tǒng)、故障件類型、故障發(fā)生時間、故障維修處理方式4方面，運用圖表和數(shù)據(jù)相結(jié)合的方式展開可靠性分析，同時針對分析的結(jié)果，提出了相似型號系留氣球設(shè)計與管理方面的一些建議。

系留氣球；故障案例；圖表；數(shù)據(jù)；可靠性分析

可靠性是指產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。型號的可靠性首先是設(shè)計和分析出來的，研制單位通過開展可靠性建模、可靠性分配、可靠性預(yù)計、制定和貫徹可靠性設(shè)計準則、故障模式影響與危害性分析等工作項目，從定量和定性兩方面進行可靠性設(shè)計和分析，從而來達到型號要求的可靠性。文中在對所統(tǒng)計的某型系留氣球故障案例的基礎(chǔ)上進行可靠性分析，既可了解某型號系留氣球的設(shè)計現(xiàn)狀，又可為今后相似型號系留氣球的設(shè)計與管理工作提供一些建議。

在某型系留氣球的外場試驗中，共發(fā)生了16次故障，以下我們從故障件所屬系統(tǒng)、故障件類型、電子件故障發(fā)生時間、故障維修處理方式4方面對其進行可靠性分析。

1 按照故障件所屬系統(tǒng)進行分析

1.1 數(shù)據(jù)分析

由圖1，計算出各結(jié)構(gòu)部分的故障發(fā)生頻率為：

圖1 按照故障件所屬結(jié)構(gòu)部分故障分布圖

球體部分、系纜部分故障發(fā)生頻率都約為6%；

測控部分故障發(fā)生頻率約為38%；

供電部分故障發(fā)生頻率約為19%；

錨泊部分故障發(fā)生頻率約為31%。

1.2 故障預(yù)防措施

系留氣球各組成部分發(fā)生故障的預(yù)防措施分析如下。

1.2.1 球體部分

設(shè)計人員要貫穿簡單化設(shè)計的理念，易于安裝、拆卸、維修。

1.2.2 測控部分

1）加強對電子設(shè)備的選擇和控制。所選設(shè)備首先要滿足平臺的功能性能要求，在保證費用合理的前提下，盡量選擇高可靠性的設(shè)備元器件；設(shè)備到貨時要加強檢驗，包括外觀檢查和通電檢查等；安裝后要檢驗校準，要確保與整機使用協(xié)調(diào)。

2）重視維護保養(yǎng)。維護保養(yǎng)關(guān)乎設(shè)備產(chǎn)品的壽命，過度的使用而不維護保養(yǎng)只會降低產(chǎn)品壽命，因此平時要按照相應(yīng)的維護規(guī)定，定時按周期對設(shè)備產(chǎn)品進行維護清理。

3）軟件設(shè)計。設(shè)計人員在軟件設(shè)計的過程中除應(yīng)遵循相關(guān)的軟件設(shè)計準則，還應(yīng)結(jié)合型號任務(wù)，便于使用。

1.2.3 供電部分

1）設(shè)計人員要對設(shè)計進行仔細論證，根據(jù)論證結(jié)果來指導(dǎo)選擇可靠性較高的同類產(chǎn)品。

2）質(zhì)量及設(shè)計人員加強產(chǎn)品的檢驗，既要滿足自身性能要求，還要符合平臺需要。

1.2.4 系纜部分

應(yīng)使電路和結(jié)構(gòu)的設(shè)計對機械環(huán)境的影響程度最小，對振動和沖擊強烈的部位或產(chǎn)品應(yīng)進行減振設(shè)計。

1.2.5 錨泊部分

1）要重視機械環(huán)境的設(shè)計，所選用的元器件、材料的特性應(yīng)滿足產(chǎn)品機械環(huán)境的要求。

2）盡可能采用經(jīng)過考驗的、可靠性有保證的零、組、部件，盡量避免需要使用時而無法工作的情況。

3）對于線路，管道的安裝鋪設(shè)及管夾的使用要按照相關(guān)標準實施，避免出現(xiàn)漏水、漏電等現(xiàn)象。

4）對于設(shè)計人員來講，產(chǎn)品的選用不僅要考慮滿足各零、部件的性能要求即滿足整個產(chǎn)品功能的要求，還應(yīng)考慮各零、部件對產(chǎn)品性能或者其它零（部）件附屬功能的影響。

5）重視電磁兼容的設(shè)計。首先電磁兼容設(shè)計要按照相關(guān)標準執(zhí)行，其次要正確布置元件的位置，使敏感元件遠離干擾源；正確布置元件的方向，使元件之間的互電容互電感最小；不同用途的連接線要分開，不要平行方向走線，總之，設(shè)計人員要認識到電磁兼容的影響，重視電磁兼容設(shè)計。

2 按照故障件的類型進行分析

圖2 故障件類型分布圖

2.1 數(shù)據(jù)分析

將圖2的故障數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析：

電子件故障比例占75%；

結(jié)構(gòu)件故障比例占25%。

2.2 得到的設(shè)計經(jīng)驗及啟示

從以上數(shù)據(jù)比例對照可以發(fā)現(xiàn)，電子件的故障率遠遠高于結(jié)構(gòu)件，因此在我們設(shè)計分析的過程中，對電子件和結(jié)構(gòu)件提出相應(yīng)的要求[1]。

2.2.1 電子件

1）設(shè)計人員要對所需的電子件性能要求進行充分的論證，在論證合理的情況下提出產(chǎn)品性能、功能等方面的要求以便對產(chǎn)品的選用提供指導(dǎo)。

2）結(jié)合相關(guān)的電子產(chǎn)品選用標準和型號產(chǎn)品的實際需要，對電子件的選擇進行控制。

3）要加強入庫檢驗和安裝后校驗，質(zhì)量要有保證。

4）要結(jié)合使用環(huán)境對電子件進行環(huán)境設(shè)計，例如熱設(shè)計、防潮濕、鹽霧腐蝕和霉菌設(shè)計、抗沖擊、振動和噪聲設(shè)計等。

5）注意降額設(shè)計和簡化設(shè)計的貫徹。

6）注意平時的維護保養(yǎng)，要按照相關(guān)的維護保養(yǎng)手冊定期對其進行維護保養(yǎng)。

7）考慮到維修的方便及快捷，我們要貫徹簡單化、標準化、模塊化、可達性、互換性等的理念。

8）對于關(guān)鍵的故障頻發(fā)的零部件要綜合考慮是否需要進行冗余設(shè)計或者提供備件。

2.2.2 結(jié)構(gòu)件

1）注重機械環(huán)境設(shè)計，應(yīng)使電路和結(jié)構(gòu)的設(shè)計對機械環(huán)境的影響程度最小，以保證產(chǎn)品工作的可靠性。

2）注重材料的選擇，加強疲勞、老化、磨損等的驗證。

3 按照電子件故障發(fā)生時間進行分析

故障件發(fā)生時間的分布見圖3，其中橫軸為試驗時間（h），縱軸為故障次數(shù)。

3.1 平均故障間隔時間（MTBF）[2]觀測

電子件的MTBF觀測所用的數(shù)學(xué)模型及數(shù)據(jù)處理方法如下：

3.1.1 數(shù)學(xué)模型

文中所用可靠性數(shù)學(xué)模型有[3]：

式中：

TBF—— 平均故障間隔時間MTBF（h）；

N0—— 故障次數(shù)。

式中：

λ—— 產(chǎn)品故障率（10-3/h）。

3.1.2 數(shù)據(jù)處理方法

利用圖3的數(shù)據(jù)代入式（1）、（2），取以下幾個數(shù)據(jù)點（720, 13×10-3）、（1 440, 8×10-3）、（2 160, 5×10-3）、（2 880, 4×10-3）、（36 00, 3×10-3）來模擬曲線，曲線見圖4，其中橫軸表示試驗時間（h），縱軸表示對應(yīng)的故障率λ。

圖4 電子件故障率曲線圖

3.2 故障原因分析

對圖3、4進行分析。

3.2.1 產(chǎn)品投入使用后，早期故障率會較高，且產(chǎn)品故障率隨時間的增加而迅速下降，主要原因有以下幾方面[4、5]：

1）制造技術(shù)、制造過程和裝配中存在問題。

2）差的工藝，產(chǎn)品老練不足，排除故障、缺陷不完全。

3）原材料及元器件未達到標準。

4）不適當?shù)膬Υ?、包裝和運輸造成的故障。

5）用篩選的元件更換失敗的元件。

6）不適當?shù)陌惭b。

7）首次通電造成元件故障等。

3.2.2 經(jīng)過一段時間后其故障率基本穩(wěn)定，近似為常數(shù)3×10-3/h（此時TBF=333h）。此階段雖然有一些故障是由于生產(chǎn)缺陷和耗損引起的，但是絕大多數(shù)的故障卻是由產(chǎn)品在規(guī)定的應(yīng)用條件（如溫度、電應(yīng)力及環(huán)境應(yīng)力）下受到的操作應(yīng)力引起的，而且是隨即發(fā)生的[1]（無任何與時間變化有關(guān)的樣本）。

4 按照故障維修處理方式進行分析

4.1 數(shù)據(jù)分析

將圖5中的故障數(shù)據(jù)進行計算處理，得到以下結(jié)果：

引起更換占56%；

引起修理占38%；

無處理僅待持續(xù)察看的占6%。

圖5 故障維修處理方式分布圖

4.2 得到的設(shè)計經(jīng)驗及啟示

由以上數(shù)據(jù)的結(jié)果，對我們今后設(shè)計分析工作的有以下幾點啟示[6]：

產(chǎn)品要具有良好的維修可達性，就是維修部位能夠“看得見、夠得著”或者容易看見、夠著，而不需拆卸、搬動其他機件。很顯然，可達性好，維修就迅速、簡便，而且差錯、事故也會減少，所需費用也少。為此要合理地布置裝備各組成部分及其監(jiān)測點、潤滑點、維護點；要保證維修操作有足夠的空間，包括實用工具、器材的空間 ；合理開設(shè)維修通道、窗孔。

要通過設(shè)計實現(xiàn)檢測診斷簡便、迅速、準確。在裝備研制早期就應(yīng)該考慮檢測診斷問題，檢測系統(tǒng)、檢測點配置等。

重視貴重件的可修復(fù)性。零部件的可修復(fù)性是指其磨損、變形、耗損或以其它形式失效后，能夠?qū)υM行修理，使之回復(fù)原有功能的特性。裝備上一些重要而昂貴的零部件應(yīng)具有可修復(fù)性。這不但可以節(jié)省維修費用，而且有助于減輕后勤（備件）保障負擔和戰(zhàn)時搶修。因此，應(yīng)使之具有可調(diào)整、可矯正、可焊接、可拆裝、可鍍性，以便采用有效的元件修復(fù)措施。

5 結(jié)束語

通過以上從故障件所屬系統(tǒng)、故障件類型、故障發(fā)生時間、故障維修處理方式4方面的分析可以了解某型系留氣球的定性和定量要求是否達到；證實在系留氣球研制的過程中，針對所發(fā)生的故障開展的一系列設(shè)計、生產(chǎn)、試驗活動，能使其可靠性得到增長。

對于今后研制相似系留氣球可以得到以下啟示：

1）設(shè)計人員要重視對零件、組件、設(shè)備的選擇和控制，并且重視可靠性、維修性、測試性、保障性設(shè)計準則中所提出的設(shè)計要求，結(jié)合型號需求設(shè)計、選擇合適的產(chǎn)品。

2）工藝人員要重視產(chǎn)品的生產(chǎn)、裝配技術(shù)。

3）質(zhì)量人員在整個型號研制過程中要擔負起產(chǎn)品檢驗的責任。建立適合型號開展工作的故障報告、分析和糾正措施系統(tǒng)，對于系統(tǒng)運行結(jié)果要注意數(shù)據(jù)的收集和分析，可將分析結(jié)果總結(jié)成工程經(jīng)驗作為設(shè)計準則對設(shè)計進行約束。

[1] 陳云翔.可靠性與維修性工程［M］.北京：國 防工業(yè)出版社，2007年11月.

[2] GJB 451A-2005 可靠性維修性保障性術(shù)語 ［S］.

[3] 陸延孝，鄭鵬洲.可靠性設(shè)計與分析［M］.北 京：國防工業(yè)出版社，1995年.

[4] 馬麟.保障性設(shè)計與分析［M］.北京：國防工 業(yè)出版社，2012年.

[5] 陳曉彤，趙廷弟，王云飛，吳躍譯?？煽啃詫?用指南［M］. 北京：北京航空航天大學(xué)出版 社，2005年7月（中文版）.

[6] 楊為民.可靠性、維修性、保障性總論［M］. 北京：國防工業(yè)出版社，1994年.

（編輯：勞邊）

V240.2

C

1003–6660（2014）04–0043–04

10.13237/j.cnki.asq.2014.04.011

2014-05-16