宇航電源產(chǎn)品量產(chǎn)可靠性研究

劉麗霞 李麗 遇今

(1 北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京 100094)(2 中國空間技術(shù)研究院，北京 100094)

隨著宇航任務(wù)的增加，宇航電源單機(jī)在數(shù)量上呈現(xiàn)出大幅度增加的趨勢，研制模式從單件或少量生產(chǎn)模式向品種簡化、批量生產(chǎn)模式發(fā)展。宇航電源產(chǎn)品可靠性要求高，與單件或少量生產(chǎn)模式相比，批量生產(chǎn)更加關(guān)注生產(chǎn)過程的可靠性，設(shè)計(jì)或工藝的潛在缺陷被引入產(chǎn)品的概率在量產(chǎn)過程中不可避免的被放大，因此宇航電源量產(chǎn)過程的可靠性控制顯得尤為重要。如何保證電源產(chǎn)品在量產(chǎn)條件下的一致性、穩(wěn)定性、可靠性，是當(dāng)前面臨的主要工作。而量產(chǎn)可靠性的定義、指標(biāo)體系及其分析方法是當(dāng)前需首要解決的技術(shù)難題。

產(chǎn)品量產(chǎn)過程是一個(gè)復(fù)雜的動態(tài)過程，其中包括生產(chǎn)設(shè)備、檢測設(shè)備、生產(chǎn)對象及工藝操作控制人員等多種要素，因此量產(chǎn)過程的可靠性涉及因素廣泛，其可靠性的概念不能采用傳統(tǒng)的可靠性定義?？v觀國內(nèi)外文獻(xiàn)資料，宇航產(chǎn)品量產(chǎn)可靠性的研究仍處于起步階段，相關(guān)通用技術(shù)的研究主要集中在工藝可靠性的概念及定性評價(jià)方面[1-7]，對于量產(chǎn)可靠性以及具體指標(biāo)的定量分析方法鮮有論述。本文的目的就是創(chuàng)新性提出量產(chǎn)可靠度的概念和評價(jià)指標(biāo)體系，解決宇航電源批量化生產(chǎn)對量產(chǎn)產(chǎn)品可靠性評價(jià)的迫切需求。

1 量產(chǎn)可靠性內(nèi)涵及指標(biāo)體系

要實(shí)現(xiàn)對量產(chǎn)產(chǎn)品的可靠性分析與評價(jià)，首先應(yīng)了解量產(chǎn)產(chǎn)品的生產(chǎn)過程，識別影響產(chǎn)品可靠性的關(guān)鍵過程和因素。批量化生產(chǎn)的電源產(chǎn)品，從產(chǎn)品任務(wù)輸入開始，到產(chǎn)品交付測試完成，整個(gè)研制生產(chǎn)流程經(jīng)歷了量產(chǎn)準(zhǔn)備階段、量產(chǎn)生產(chǎn)階段、量產(chǎn)測試及試驗(yàn)階段及交付階段，其研制剖面如圖1所示。

宇航電源產(chǎn)品在設(shè)計(jì)定型之后，方可進(jìn)入量產(chǎn)階段。由圖1，量產(chǎn)過程主要包括生產(chǎn)準(zhǔn)備、生產(chǎn)、測試及試驗(yàn)、交付。這些過程中，生產(chǎn)過程具體包括了陶瓷板組件焊接、印制板再流焊、手工焊接、電路板清洗、單板調(diào)試、整機(jī)裝配等主要工序，以及結(jié)構(gòu)件加工、電感變壓器加工、印制板網(wǎng)板加工等輔助工序，是產(chǎn)品物理實(shí)現(xiàn)的主要過程，決定了量產(chǎn)條件下宇航電源產(chǎn)品的固有可靠性水平。測試與試驗(yàn)過程的主要目的是驗(yàn)證產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)符合性和剔除早期失效，可在一定程度上檢驗(yàn)產(chǎn)品的可靠性而不是提高產(chǎn)品的固有可靠性。因此，宇航電源產(chǎn)品的量產(chǎn)可靠性主要受量產(chǎn)加工工藝過程影響，評價(jià)量產(chǎn)可靠性應(yīng)重點(diǎn)評價(jià)電源工藝系統(tǒng)具有保持所要求的加工工藝質(zhì)量的能力。

在量產(chǎn)可靠性相關(guān)的概念中，蘇聯(lián)普羅尼科夫最早給出了設(shè)備的“工藝可靠性”定義：在規(guī)定范圍和時(shí)間內(nèi)，設(shè)備對于其決定工藝過程質(zhì)量的指標(biāo)數(shù)值得以保持的性質(zhì)。國內(nèi)陳從桂等定義“工藝過程的可靠性”是指被加工零部件合格的可靠程度[3]。量產(chǎn)可靠性和產(chǎn)品生產(chǎn)制造過程的內(nèi)外部條件有關(guān)，并以工藝過程質(zhì)量保持符合技術(shù)要求為目標(biāo)。因此，借鑒國內(nèi)外關(guān)于可靠性、工藝可靠性的相關(guān)定義，結(jié)合量產(chǎn)特點(diǎn)，可以將量產(chǎn)可靠性定義為：在規(guī)定的時(shí)間和條件下，量產(chǎn)工藝過程質(zhì)量的指標(biāo)值保持符合技術(shù)要求的能力。其中，規(guī)定時(shí)間是指制造過程完成某個(gè)規(guī)定的量產(chǎn)任務(wù)的時(shí)間，規(guī)定條件是指制造過程在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)所處的預(yù)先規(guī)定的全部外部條件，工藝過程質(zhì)量的指標(biāo)泛指性能參數(shù)、加工參數(shù)、過程能力參數(shù)等。量產(chǎn)可靠性的概率度量即量產(chǎn)可靠度，描述量產(chǎn)過程保證產(chǎn)品滿足技術(shù)規(guī)范要求的程度。

量產(chǎn)可靠度是對量產(chǎn)產(chǎn)品的可靠性綜合評估，給出量產(chǎn)可靠性的評估量化值。量化評估值的建立以關(guān)鍵工藝過程可靠性敏感參數(shù)和輸出特征參數(shù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過識別關(guān)鍵工藝過程可靠性敏感參數(shù)和輸出特征參數(shù)，并分析其相關(guān)性，可進(jìn)一步建立量產(chǎn)可靠性指標(biāo)體系。

針對宇航電源產(chǎn)品，經(jīng)分析選取輸出效率與紋波為輸出特征參數(shù)，這兩個(gè)參數(shù)受量產(chǎn)過程的影響較大，也是反映電源性能和質(zhì)量的重要技術(shù)參數(shù)。通過關(guān)鍵工藝過程分析，將變壓器電感量實(shí)測參數(shù)、手工焊后翹曲度、陶瓷板組件底面平面度、散熱凸臺高度、整機(jī)平面度實(shí)測數(shù)據(jù)等作為關(guān)鍵工藝過程可靠性敏感參數(shù)?？紤]宇航電源量產(chǎn)可靠性綜合水平、工藝過程一致性、工序間影響程度、工藝系統(tǒng)自身能力幾方面的評價(jià)需求，將量產(chǎn)可靠度、工藝穩(wěn)定性、工藝遺傳性、工藝可靠性儲備納入電源量產(chǎn)可靠性指標(biāo)體系[8-10]，其構(gòu)建過程如圖2所示。

圖2中，工藝穩(wěn)定性表征了工藝過程的離散程度，其輸出為正態(tài)分布，正態(tài)分布越收斂，表征工藝的穩(wěn)定性越好，離散程度越小。工藝遺傳性表征了前一工藝步驟對下一工藝步驟的影響程度，遺傳性小，表明各個(gè)工序之間相互影響性小。工藝可靠性儲備用于衡量工藝系統(tǒng)對不同批次產(chǎn)品滿足可靠性要求的能力，儲備性好的系統(tǒng)，當(dāng)生產(chǎn)線產(chǎn)品批次變化后，仍然能都滿足穩(wěn)定的生產(chǎn)需求。

2 量產(chǎn)可靠性指標(biāo)的評價(jià)方法

2.1 量產(chǎn)可靠度評價(jià)

量產(chǎn)可靠度描述產(chǎn)品在規(guī)定量產(chǎn)過程下滿足技術(shù)規(guī)范要求的程度，可以通過基于性能失效特征量的可靠性評估方法進(jìn)行評估，實(shí)施過程為：對批量產(chǎn)品進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測或性能試驗(yàn)，采集得到產(chǎn)品性能失效特征量數(shù)據(jù)；獲得產(chǎn)品特征量參數(shù)的分布及其分布參數(shù)估計(jì)值(一批產(chǎn)品的性能通常服從正態(tài)分布)；根據(jù)失效判據(jù)，計(jì)算一個(gè)批次產(chǎn)品的量產(chǎn)可靠度。

具體算法如下。

1)獲得特征量數(shù)據(jù)

設(shè)產(chǎn)品有m個(gè)特征參數(shù)，考察某批次產(chǎn)品的n個(gè)子樣(為保證分布擬合精度，原則上n≥10)，實(shí)測得到的第i個(gè)特征參數(shù)的值為

Yi=(yi1，yi2，…，yin)=(yij,j=1,…,n),

i=1，…，m

(1)

式中：yij為第j個(gè)樣本第i個(gè)參數(shù)的實(shí)測值。

2)計(jì)算特征量樣本均值與樣本方差

(2)

(3)

3)量產(chǎn)可靠度計(jì)算

根據(jù)特征參數(shù)的技術(shù)規(guī)范上/下限將參數(shù)分布轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布。假設(shè)第i個(gè)特征參數(shù)的上規(guī)范限為Ui，下規(guī)范限為Li，則有

(4)

(5)

由給定的置信水平γ、樣本量n及ziU和ziL的值，查正態(tài)分布表[11]，可得到產(chǎn)品第i個(gè)特征參數(shù)的可靠度Ri為

(6)

綜合各特征參數(shù)的評估結(jié)果，可得該批次產(chǎn)品的量產(chǎn)可靠度為

R=min (R1，R2，…，Rm)

(7)

2.2 工藝穩(wěn)定性評價(jià)

工藝穩(wěn)定性表征工藝過程的離散程度，其計(jì)算方法如下：

(2)規(guī)定置信度γ1下，工藝穩(wěn)定性可表示為

(8)

W值越大，說明工藝過程可靠性敏感參數(shù)和輸出特征參數(shù)的離散程度越大，工藝的穩(wěn)定性越差。

2.3 工藝遺傳性評價(jià)

工藝遺傳性表征前一工藝步驟對下一工藝步驟的影響程度，可通過生產(chǎn)工藝過程中測量的工藝關(guān)鍵指標(biāo)獲得，分析流程如下：

(1)假設(shè)產(chǎn)品有k個(gè)工藝關(guān)鍵參數(shù)，考察某批次產(chǎn)品的n個(gè)子樣，實(shí)測得到的第i個(gè)工藝參數(shù)的值為

Xi=(xi1，xi2，…，xin)=(xij,j=1,…,n)

i=1，…，k

(9)

式中：xij為第j個(gè)樣本第i個(gè)工藝參數(shù)的實(shí)測值。

(10)

2.4 工藝可靠性儲備評價(jià)

工藝的可靠性儲備系數(shù)KR是與時(shí)間相關(guān)的指標(biāo)，用以評估生產(chǎn)設(shè)備的可靠性儲備水平。設(shè)生產(chǎn)設(shè)備的可靠性為Rs，有

(11)

式中：Rsmin是最大允許劣化的可靠度(允許最小可靠度值)；Rsext(t)是t時(shí)刻實(shí)際單批次可靠性的離散極端值，假設(shè)Rs對應(yīng)的數(shù)學(xué)期望為g(t)，標(biāo)準(zhǔn)差為h(t)，有

Rsext(t)=g(t)-3h(t)

(12)

3 宇航電源產(chǎn)品的量產(chǎn)可靠性評價(jià)

針對某型宇航電源產(chǎn)品，應(yīng)用本文提出的量產(chǎn)可靠性指標(biāo)及評價(jià)方法，對電源產(chǎn)品的量產(chǎn)過程進(jìn)行評估和改進(jìn)。根據(jù)工程分析，將變壓器電感量實(shí)測參數(shù)、手工焊后翹曲度、陶瓷板組件底面平面度、散熱凸臺高度、整機(jī)平面度實(shí)測數(shù)據(jù)等過程參數(shù)作為關(guān)鍵工藝過程可靠性敏感參數(shù)，將輸出紋波和效率作為輸出特征參數(shù)。設(shè)改進(jìn)前的電源產(chǎn)品為批次1，改進(jìn)后的電源產(chǎn)品為批次2。

批次1為未對關(guān)鍵參數(shù)采取明確控制的27臺產(chǎn)品，根據(jù)批次1量產(chǎn)可靠度、工藝穩(wěn)定性、工藝遺傳性、工藝可靠性儲備等指標(biāo)的評價(jià)結(jié)果，對關(guān)鍵工藝過程提出了更高的指標(biāo)控制要求，改進(jìn)了生產(chǎn)工藝控制方法，例如針對散熱凸臺的匹配性設(shè)計(jì)了新的工藝方法進(jìn)行測量保證。實(shí)施工藝改進(jìn)后，完成了批次2共49臺產(chǎn)品的生產(chǎn)，同樣采用本文提出的方法，完成了量產(chǎn)可靠度、工藝穩(wěn)定性、工藝遺傳性、工藝可靠性儲備等指標(biāo)的評價(jià)。

電源產(chǎn)品工藝改進(jìn)前后2個(gè)批次的量產(chǎn)可靠性指標(biāo)評估結(jié)果對比分析如下：

(1)量產(chǎn)可靠度。批次1的量產(chǎn)可靠度指標(biāo)為0.659，批次2的量產(chǎn)可靠度指標(biāo)為0.805，可見，對工藝過程的關(guān)鍵因素采取控制措施后，量產(chǎn)可靠度指標(biāo)有顯著提升。

(2)工藝穩(wěn)定性。工藝穩(wěn)定性評價(jià)結(jié)果如圖3所示，由圖3可見，批次2相對于批次1的分布曲線更為集中，表明對量產(chǎn)可靠性關(guān)鍵因素采取控制措施后，工藝過程的穩(wěn)定性有效加強(qiáng)。

(3)工藝遺傳性。針對5個(gè)工藝關(guān)鍵因素指標(biāo)，采用遺傳性計(jì)算公式，得到遺傳性評價(jià)結(jié)果如圖4所示，評價(jià)結(jié)果表明，量產(chǎn)可靠性控制前后，各個(gè)工序之間相互影響程度的變化不大。

(4)工藝可靠性儲備。通過計(jì)算，批次1、批次2的可靠性儲備指標(biāo)分別為0.290、0.002，可見，采用了量產(chǎn)可靠性控制措施后，改進(jìn)后的工藝系統(tǒng)能力明顯優(yōu)于改進(jìn)前。

4 結(jié)束語

本文通過宇航電源產(chǎn)品量產(chǎn)可靠性指標(biāo)的構(gòu)建、評價(jià)和工程實(shí)施表明：

(1)宇航電源產(chǎn)品的量產(chǎn)可靠性重在控制量產(chǎn)工藝過程質(zhì)量，可以用量產(chǎn)可靠度、工藝穩(wěn)定性、工藝遺傳性、工藝可靠性儲備等4個(gè)指標(biāo)表征；

(2)量產(chǎn)可靠度、工藝穩(wěn)定性、工藝遺傳性、工藝可靠性儲備等指標(biāo)可以有效評估電源工藝過程滿足批量化生產(chǎn)的能力，并應(yīng)用于工藝改進(jìn)。

本文提出的量產(chǎn)可靠性指標(biāo)體系和算法應(yīng)用于電源產(chǎn)品小批量化生產(chǎn)線，取得了良好效果，為評估和控制量產(chǎn)產(chǎn)品的可靠性提供了技術(shù)手段，可以推廣應(yīng)用于其他批量化生產(chǎn)產(chǎn)品的可靠性控制與評價(jià)中。

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