電子設備維修性設計與評價

程 浩 馬仕明 劉 勇

北京航天自動控制研究所，北京 100854

?

電子設備維修性設計與評價

程 浩 馬仕明 劉 勇

北京航天自動控制研究所，北京 100854

針對電子設備自身的特點，結合維修性要求和相關的標準、設計手冊，提出了適用的維修性設計準則，以準則作為評價指標定性分析了某電子設備的不同設計方案。利用維修性評價模型定量分析了該設備的維修性設計優(yōu)劣，分析結果與實際情況吻合。文中所用方法可為同類產品的維修性設計提供參考。

電子設備；維修性設計；維修性評價

維修性是產品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內，按規(guī)定的程序和方法進行維修時，保持或恢復其規(guī)定狀態(tài)的能力[1]。產品維修性設計的目標是實現(xiàn)便于維修、快速維修和經濟維修，特別是要縮短維修時間。電子設備具有空間體積小、元器件密集程度高的特點，以及發(fā)生故障時維修難的問題。如何在儀器小型化和集成化的同時，保證其維修性達到相應的要求，是技術人員在結構設計時必須解決的問題。

國外提出維修性的概念源于武器裝備中出現(xiàn)越來越多的維修性問題。從上世紀四五十年代開始，美國逐漸意識到，僅靠提高電子設備可靠性遠遠不夠，必須同時解決維修性問題，因此開始對維修性設計進行大力推廣。除美國外，日本等國在維修性設計方面也走在世界的前列。

國內對維修性工程與應用的關注較晚，20世紀70年代后期，我國才逐漸引進國外先進的維修科學。經過近年的發(fā)展，已初步形成了維修性工程的設計理論和方法體系，維修性標準也日趨成熟。生建友[2]對軍用電子設備的維修性設計進行了概述,陳璐等[3]系統(tǒng)地闡述了產品維修和維修性的基本概念，董俊義[4]提出了提高軍用電子系統(tǒng)維修性的各項技術措施，曾毅等[5]敘述了2種維修可視性評價方法。本文提出了適用于電子設備的維修性設計準則，并從定性和定量2個方面對某電子設備進行了分析和評價。

1 維修性設計準則的提出

維修性設計準則是為了將產品的維修性要求、使用約束和保障約束轉化為具體的設計而確定的通用或專用設計準則。技術人員在設計產品時應遵循和采納相應維修性設計準則的條款。制定維修性設計準則是維修性工程中一項非常重要的工作，也是維修性設計與分析過程的主要內容。維修性設計準則的作用體現(xiàn)在：1)指導設計人員進行產品設計；2)便于在設計階段進行設計評價；3)便于分析人員進行維修性分析和預計。

維修性設計準則的主要內容包括[1,6]：簡化設計，可達性和可操作性設計，模塊化、標準化和互換性設計、防差錯和標示設計、維修安全性設計、維修性人機工程設計和測試診斷設計等。不同類別和不同層次的產品，其維修性設計準則差別較大，制定某類產品的維修性設計準則可參照的有：1)產品的維修性要求；2)相似產品的維修性設計準則和已有的經驗教訓；3)適用的標準、設計手冊。主要流程見圖1。

圖1 制定維修性設計準則的流程框圖

經過以上流程，一方面選取了已有各種標準、規(guī)范、手冊中適合的內容，另一方面結合電子類產品的功能、結構類型以及使用維修條件等特點，可得符合電子設備自身特點的維修性設計準則通用條款：

1) 設計要簡化。在滿足功能和使用要求的前提下，盡可能采用最簡單的組成、結構和外形，減少零部件的品種和數(shù)量，另外還要注意簡化、合并產品功能。

2) 符合可達性和可操作性要求。可達性是指在維修產品時，接近維修部位的難易程度，主要指視覺可達和操作可達?？蛇_性設計是從維修空間和布局方面提高維修性?？刹僮餍灾府a品在結構上應便于拆缷、組裝，維修時應滿足簡單、省時、省力的要求。

3) 標準化和模塊化設計。標準化指在滿足要求的前提下，限制產品可行的變化到最小范圍的設計特性，包括元器件、工具的種類以及術語、軟件、材料工藝等。模塊化設計是實現(xiàn)部件互換通用、快速更換維修的有效途徑。

4) 保證測試診斷快速和準確。性能測試和故障診斷的難易程度，直接影響產品的修復時間，產品設計時應充分考慮故障檢測診斷的方便性。

5) 維修工具通用化。產品在維修時對工具及設備的要求應盡量簡單，并且應盡量減少專用工具、專用設備的使用。

除了通用條款，對于部分特殊設備還可制定專用條款，如戰(zhàn)場搶修設計和維修作業(yè)環(huán)境設計等。

上述維修性設計準則可作為評價指標，對電子設備的設計方案進行維修性分析與評價，并根據(jù)評價的結果指導產品設計。

2 實例分析

2.1 定性分析

圖2和3分別是某設備在模樣階段和初樣階段的2種設計方法，其變化之處是圖2中印制板1、印制板2和安裝板合并成圖3中印制板3，箱內其它結構不變。其好處有3點：

1)把具有相同或相似功能的結構進行合并，符合簡化設計的要求，同時也減少了零部件的品種和數(shù)量；

2)兩圖對比看出，圖3方案的結構設計使箱體內空間更寬裕，便于工作人員進行觀察和操作，大幅度提高了可達性和可操作性；

3)在維修工具方面，圖3方案的優(yōu)勢是對工具的要求簡單，只需要普通工具就能完成設備的拆卸和裝配。

但是圖2方案在測試診斷設計方面做得更好，通過對功能單元的合理劃分，使得性能測試和故障診斷的難易程度大大降低，在一定程度上減少了設備的修復時間。由此可見，2種方案各有優(yōu)劣，通過實際使用過程中的對比發(fā)現(xiàn)，整體上，圖3方案的設計方法維修性能更優(yōu)。

圖2 模樣階段箱體內部布局

圖3 初樣階段箱體內部布局

2.2 定量分析

陳璐等[7]給出了一種定量評價產品維修性能的方法，本文以此為依據(jù)，并結合第1節(jié)中闡述的維修性評價指標，提出了一種適用于電子設備的維修性評價模型。

美國軍事標準MIL-HDBK-472 Maintainabili-ty Prediction 中定義了維修性評價指標的打分標準，以4，2，0三個等級分別表示每個評價指標的優(yōu)、中、劣，該標準還定義了打分依據(jù)。需指出的是，各項評價指標之間并非相互獨立，而是具有一定關聯(lián)度，且任意兩評價指標的關聯(lián)度都具有矢量性。假定用4，2，0分值來表示兩兩之間的關聯(lián)度強弱，結合電子設備的維修性設計準則(即評價指標)可得到表1。

表1 維修性指標關聯(lián)度

維修性評價模型綜合考慮了各評價指標及其關聯(lián)度，定義為

(1)

式中，i和j分別為不同的維修性評價指標；Ai為各項維修性指標的打分值；Tij為維修性指標i相對于維修性指標j的關聯(lián)度。

用矩陣表示為：

(2)

積和式是矩陣的一個重要函數(shù)，其計算結果涉及了矩陣的每一項，能對矩陣進行準確的定量描述，設B為n階方陣，B=(bij),積和式定義如下：

(3)

將維修性評價模型用矩陣積和式表示出來就是維修性綜合指數(shù)，因此，維修性綜合指數(shù)同樣考慮了各種維修性指標及其關聯(lián)度，定量地描述了設備維修性能的狀況。綜合指數(shù)越大，設備的維修性能越好，反之越差。

為了簡化形式，結合表1將部分關聯(lián)度數(shù)值代入式(2)，得到：

(4)

上述矩陣用積和式表示如下：

per(WP)=A1A2A3A4A5+T25T52A1A3A4+

T24T45T52A1A3

(5)

現(xiàn)在用維修性評價模型對前面的實例進行分析。參照MIL-HDBK-472標準，對圖2和3兩種方案的維修性能進行打分，見表2。

表2 維修性指標打分值

結合表1各指標的關聯(lián)度，可以得到2種不同設計方案的維修性評價矩陣：

代入式(5)可以計算出維修性綜合指數(shù)，per(WP1)=256，per(WP2)=512，由此結果可以看出，圖3方案的維修性綜合指數(shù)大，維修性能好，應予以優(yōu)先采納，這與實際維修過程中得到的結論是一致的。上述方法非常簡便、快捷，在對電子設備進行維修性評價時可以使用。

3 結論

隨著維修性工程的發(fā)展，維修性設計已經成為產品設計過程中非常重要的部分，在很大程度上決定了設計的質量和后期的使用效果。本文針對電子設備的特點，提出了適用的維修性設計準則。良好的維修性設計應滿足設計簡化、可達性好、標準化程度高、易檢測和維修工具通用化等要求。僅靠定性分析難以準確評價不同設計方案的維修性優(yōu)劣，通過建立適用于電子設備的維修性評價模型和計算維修性綜合指數(shù)，綜合考慮了影響設備維修性的各種因素，實現(xiàn)了定量分析維修性能的目標，方便了設計者在設計初期選擇維修性能更優(yōu)的方案。

[1] 呂川．維修性設計分析與驗證[M]．北京：國防工業(yè)出版社，2012．

[2] 生建友．軍用電子設備的維修性設計[J]．電子機械工程，2001，(6)：10- 15．(Sheng Jianyou．Maintainability Design of Military Electronic Equipment[J]．Electro-Mechanical Engineering，2001，(6)：10- 15.)

[3] 陳璐，蔡建國．可維修性設計及其技術方法研究[J]．機械設計與研究，2002，18(2)：13- 16．(Chen Lu，Cai Jianguo．Research on the Design Method and Technology of Design for Maintainability[J]．Machine Design and Research，2002，18(2)：13- 16．)

[4] 董俊義．大型軍用電子系統(tǒng)的維修性設計[J]．電子產品可靠性與環(huán)境試驗，2009，27(4)：49- 53．(Dong Junyi．Maintainability Design of Large Scale Military Electronic System[J]．Electronic Product Reliability and Environmental Testing，2009，27(4)：49- 53．)

[5] 曾毅，尚建忠，曹玉君，等．維修性設計中的可視性評價方法研究[J]．工程圖學學報，2009，(1)：70- 74．(Zeng Yi，Shang Jianzhong，Cao Yujun，et al．Research on Visibility Evaluation Methods in Maintainability Design[J]．Journal of Engineering Graphics，2009，(1)：70- 74．)

[6] 章國棟，等．系統(tǒng)可靠性與維修性的分析與設計[M]．北京：北京航空航天大學出版社，1990．

[7] 陳璐，蔣丹東，蔡建國．產品維修性的評價模型及實現(xiàn)算法研究[J]．中國機械工程，2003，14(21)：1857- 1859．(Chen Lu, Jiang Dandong, Cai Jianguo. Research on the Modeling and Algorithm in Product Maintainability Evaluation[J]. China Mechanical Engineering, 2003，14(21)：1857- 1859．)

MaintainabilityDesignandEvaluationofElectronicDevice

CHENG Hao MA Shiming LIU Yong
Beijing Aerospace Automatic Control Institute, Beijing 100854, China

Accordingtothefeaturesofelectronicdevice,togetherwiththe,suitablemaintainabilitydesignrulesareproposed，whichiscombinedwithmaintainabilityrequirement,relatedstandardsanddesignhandbooks.Bothqualitativeanalysisandquantitativeanalysisformaintainabilitydesignofanelectronicdevicearecompleted.Theformerusesmaintainabilitydesignrulesasevaluationindicators,andthelatterdependsonmaintainabilityevaluationmodel.Theresultfitswellwiththerealcondition,andthemethodprovidesareferenceformaintainabilitydesignofthesameproducts.

Electronicdevice；Maintainabilitydesign；Maintainabilityevaluation

2013- 03- 12

程浩(1987-)，男，河北人，碩士，工程師，主要研究方向為電子設備結構設計及制造；馬仕明(1981-)，男，內蒙古赤峰人，博士，工程師，主要研究方向為電子設備設計、仿真和優(yōu)化；劉勇(1973-)，男，北京人，工程師，主要研究方向為機械設計及制造。

V443

： A

1006- 3242(2014)06- 0071- 04