以可靠性為中心的維修分析在裝備壽命周期內(nèi)的應(yīng)用

0 引言

隨著裝備功能要求逐步提高，裝備構(gòu)成日趨復(fù)雜，裝備暴露出的質(zhì)量問題也日益突出。因此，“裝備質(zhì)量”的概念被逐步認(rèn)識(shí)和接受，而影響裝備質(zhì)量的可靠性設(shè)計(jì)和維修性設(shè)計(jì)逐步得到重視，并逐步同步融入裝備功能設(shè)計(jì)中。伴隨著對可靠性和維修性與裝備質(zhì)量關(guān)系的深入研究，可靠性和維修性理論經(jīng)歷了認(rèn)識(shí)—發(fā)展—成熟階段，目前已形成可靠性工程和維修性工程學(xué)科。

裝備質(zhì)量[1]一般包括功能特性和保障特性，功能特性主要表現(xiàn)為裝備在執(zhí)行任務(wù)期間在所給定的條件下達(dá)到任務(wù)目標(biāo)能力的度量即裝備固有能力；保障特性表現(xiàn)為通過保障特性使裝備的固有能力有效發(fā)揮作用。功能特性一般通過設(shè)計(jì)手段實(shí)現(xiàn)；保障特性貫穿于裝備全壽命周期，主要包括裝備的可靠性、維修性、測試性、運(yùn)輸性和保障要素等，其作用是保障裝備的功能特性持續(xù)發(fā)揮作用。根據(jù)保障特性的特點(diǎn)，在裝備壽命周期內(nèi)過度的保障活動(dòng)將造成裝備早期故障隱患、保障費(fèi)用高、保障困難等問題。因此，開展適度的維修活動(dòng)對有效保障裝備質(zhì)量的功能特性、降低維修保障費(fèi)用和保障困難具有重要意義。

1 以可靠性為中心的維修分析

從可靠性工程和維修性工程的發(fā)展歷程可以看出，由于裝備構(gòu)成日趨復(fù)雜，使用環(huán)境日益嚴(yán)酷，財(cái)力與人力資源受到嚴(yán)格限制和挑戰(zhàn)，導(dǎo)致人們在觀念上產(chǎn)生了變化，從單純地追求技術(shù)性能指標(biāo)，轉(zhuǎn)變?yōu)樽非笠詨勖芷谫M(fèi)用[2]體現(xiàn)出來的綜合目標(biāo)，要求在系統(tǒng)的效能和費(fèi)用間求得合理的平衡。高可靠性和有效適用的維修性對提高裝備效能和降低其壽命周期費(fèi)用起著舉足輕重的作用。裝備維修一般存在兩種類型，一類是修復(fù)性維修，另一類是預(yù)防性維修。修復(fù)性維修是指裝備發(fā)生故障后及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，確定故障部位和更換故障部件。預(yù)防性維修是指在故障發(fā)生之前，通過適用的維修工作模式發(fā)現(xiàn)裝備潛在故障，并對可能發(fā)生故障的裝備提前采取維修措施，以預(yù)防故障發(fā)生[3]。以可靠性為中心的維修策略是預(yù)防性維修的近代發(fā)展。以可靠性為中心的維修分析（RCMA）是以可靠性技術(shù)為基礎(chǔ)，通過開展維修分析找出故障影響類型和有效的維修工作模式，形成裝備壽命周期內(nèi)的預(yù)防性維修策略，指導(dǎo)預(yù)防性維修話動(dòng)。

1.1 基本原理

以可靠性為中心的維修分析是按照以最少的維修資源消耗保持裝備固有可靠性和安全性的原則，應(yīng)用邏輯決斷的方法確定裝備預(yù)防性維修要求的過程。是在充分開展裝備故障模式、影響及危害度分析的基礎(chǔ)上，以維修的適用性、有效性和經(jīng)濟(jì)性為決斷準(zhǔn)則，進(jìn)而確定科學(xué)合理的維修決策。維修基本原理如下。

1）裝備的固有可靠性和安全性是設(shè)計(jì)制造賦予的特性，有效的維修只能保持而不能提高裝備的可靠性和安全性，試圖通過增加維修頻數(shù)來提高這一固有水平的做法是不可取的。

2）裝備故障有不同的影響或后果，應(yīng)當(dāng)采取不同的對策。

3）裝備的故障規(guī)律是不同的，應(yīng)采取不同方式開展維修工作。有損耗性故障規(guī)律的裝備適宜定時(shí)拆修或更換，以預(yù)防功能故障或引發(fā)多重故障。對無損耗性故障規(guī)律的裝備進(jìn)行定時(shí)拆修或更換是有害無益的，適于檢查、監(jiān)控等視情維修。

4）不同的裝備，其消耗的資源、費(fèi)用、難度和深度是不同的，應(yīng)采用不同的預(yù)防性維修工作類型，從而在保證可靠性和安全性的前提下，節(jié)省維修資源與費(fèi)用。

1.2 分析目的

以可靠性為中心的維修分析的目的是確定裝備有效的預(yù)防性維修要求和策略，以最少的維修資源消耗達(dá)到如下目標(biāo)：

1）保持裝備固有的可靠性水平和安全性；

2）確保裝備的可靠性水平以及在安全性下降時(shí)能將其恢復(fù)到固有水平；

3）對固有可靠性水平不能滿足要求的部件，為其改進(jìn)設(shè)計(jì)提供信息。1.3 分析方法

以可靠性為中心的維修分析是以可靠性技術(shù)為基礎(chǔ)，通過開展信息綜合、分析、判斷、計(jì)算、歸納和總結(jié)等活動(dòng)，形成裝備的維修要求、維修策略和維修大綱，以指導(dǎo)裝備在全壽命周期內(nèi)的維修工作。以可靠性為中心的維修分析流程如圖1所示。

1.3.1 數(shù)據(jù)信息收集

數(shù)據(jù)信息收集工作是開展以可靠性為中心的維修分析的基礎(chǔ)，準(zhǔn)確和完善的數(shù)據(jù)匯總有助于制定正確的維修策略。數(shù)據(jù)信息收集應(yīng)注重如下方面：

1）裝備使用方對維修的要求；

2）裝備用途、組成、功能、設(shè)計(jì)特點(diǎn)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)；

3）裝備可靠性預(yù)計(jì)[4]結(jié)論以及裝備故障模式、故障影響和故障原因等信息；

4）同類或類似裝備的使用或維修經(jīng)驗(yàn)；

5）裝備維修方法和所需的人力、設(shè)備、工具及備件等維修保障信息；

6）裝備研制費(fèi)用、預(yù)防性維修和修復(fù)性維修的費(fèi)用以及所需保障設(shè)備研制和維修的費(fèi)用等信息。

1.3.2 裝備組成層次圖

裝備組成層次圖采用自上而下的方式繪制，頂層為裝備、次層為設(shè)備，以下依次為分機(jī)、部件，直到功能模塊。繪制裝備組成層次圖的作用是明確裝備構(gòu)成，明確裝備中設(shè)備和分機(jī)等之間的隸屬關(guān)系，明晰后續(xù)分析工作路徑。在以可靠性為中心的維修分析過程中，裝備組成層次圖直接采用故障模式、影響及危害度分析[5]（FMECA）報(bào)告中形成的功能組成層次圖和標(biāo)識(shí)碼。

1.3.3 確定重要功能產(chǎn)品

重要功能產(chǎn)品（FSL）的確定采用從上而下直至某一層次產(chǎn)品的故障后果不嚴(yán)重時(shí)為止。如果某一產(chǎn)品被確定為重要功能產(chǎn)品，則應(yīng)繼續(xù)判定其下一層次的產(chǎn)品是否為重要功能產(chǎn)品。此過程應(yīng)一直進(jìn)行，直至非重要功能部件或可在裝備上直接更換或修復(fù)的最低層上的單元為止。重要功能產(chǎn)品是指其故障影響符合下列條件之一的產(chǎn)品：

1）可能影響裝備安全；

2）可能影響裝備任務(wù)完成；

3）可能造成重大經(jīng)濟(jì)損失。

1.3.4 確定重要功能產(chǎn)品故障模式

重要功能產(chǎn)品的故障模式直接采用裝備FMECA分析報(bào)告的結(jié)果，確定每個(gè)重要功能產(chǎn)品的功能故障、故障模式和故障原因。采用裝備FMECA分析結(jié)論確定裝備重要功能產(chǎn)品的故障模式是以可靠性為中心的維修分析的突出特點(diǎn)，保證了裝備質(zhì)量的功能特性和保障特性的一致性和真實(shí)性，真實(shí)反映了裝備質(zhì)量水平。

1.3.5 邏輯決斷分析

邏輯決斷分析是通過對重要功能產(chǎn)品的故障影響類型和對應(yīng)故障影響類型需采用的預(yù)防性維修工作的分析，以選擇適用而有效的預(yù)防性維修工作類型。邏輯決斷分析由第一層次分析和第二層次分析兩部分組成。第一層次分析用于明確故障影響類型，第二層次分析用于選擇適用而有效的預(yù)防性維修工作類型。邏輯決斷分析采用流程圖方式，自頂而下，通過對問題回答“是”或“否”的方式確定分析流程的方向，并最終確定重要功能產(chǎn)品故障影響類型和預(yù)防性維修工作類型。

1）維修工作類型

根據(jù)國軍標(biāo)GJB1378A[6]規(guī)定，裝備預(yù)防性維修工作類型包括保養(yǎng)、操作人員監(jiān)控、使用檢查、功能檢測、定時(shí)拆卸、定時(shí)報(bào)廢和綜合工作7種（相關(guān)文獻(xiàn)劃分為定期維修、視情維修和修復(fù)維修[7]）。預(yù)防性維修工作類型內(nèi)容及時(shí)機(jī)控制原則如下。

● 保養(yǎng)：為保持裝備固有設(shè)計(jì)性能而進(jìn)行的表面清洗、擦拭、通風(fēng)和添加油液等。

● 操作人員監(jiān)控：操作人員在正常使用裝備時(shí)通過感官對其狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，其目的是發(fā)現(xiàn)裝備的潛在故障。

● 使用檢查：按計(jì)劃進(jìn)行的定性檢查（或觀察），以確定裝備能否執(zhí)行規(guī)定功能，目的是及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱蔽功能故障。

● 功能檢測：按計(jì)劃進(jìn)行的定量檢查，以確定裝備功能參數(shù)是否在規(guī)定限度內(nèi)，目的是發(fā)現(xiàn)潛在故障，以預(yù)防潛在功能故障。

● 定時(shí)拆卸：裝備使用到規(guī)定的時(shí)間予以拆修，使其恢復(fù)到規(guī)定的狀態(tài)，該類型的工作可能帶來早期故障，但可以預(yù)防那些不拆開難以發(fā)現(xiàn)和預(yù)防的故障后果。

● 定時(shí)報(bào)廢：裝備使用到規(guī)定的時(shí)間予以報(bào)廢，該類工作的資源消耗較大。

● 綜合工作：實(shí)施上述兩種或兩種以上的預(yù)防性維修工作。

2）第一層次分析

第一層次對重要功能產(chǎn)品的故障影響類型進(jìn)行分析，明確該故障影響類型屬于明顯安全性、任務(wù)性、經(jīng)濟(jì)性還是隱蔽安全性、任務(wù)性、經(jīng)濟(jì)性，故障類型分析流程如圖2所示。安全性影響是指某功能故障或由該功能故障引起的二次損傷本身或與其他功能故障綜合后的后果對裝備的安全使用或環(huán)境產(chǎn)生直接的不利影響；任務(wù)性影響是指某功能故障或由該功能故障引起的二次損傷本身或與其他功能故障綜合后的后果可能妨礙裝備定額任務(wù)完成；經(jīng)濟(jì)性影響是指某功能故障不具有安全性影響和任務(wù)性影響，但會(huì)增加裝備的使用或保障人力、物力或其他資源或維修費(fèi)用而影響經(jīng)濟(jì)利益。

3）第二層次分析

第二層次分析的目的是針對裝備每項(xiàng)故障影響類型選擇相應(yīng)預(yù)防性維修工作類型和決定裝備是否必須開展設(shè)計(jì)更改活動(dòng)，維修工作類型選擇流程如圖3所示。維修工作類型選擇流程采用回答“是”與“否”的方式，確定各項(xiàng)維修工作類型是否適應(yīng)裝備對應(yīng)的故障影響類型以及針對該故障影響類型裝備是否需要開展設(shè)計(jì)更改活動(dòng)。

1.3.6 預(yù)防性維修工作間隔期的確定

對于有安全性和任務(wù)性影響后果的故障，如果預(yù)防性維修工作間隔期過長，則不足以保證所需的裝備安全性和任務(wù)能力；如果過短，則不經(jīng)濟(jì)。對于有經(jīng)濟(jì)性影響后果的故障，預(yù)防性維修工作間隔過長或過短都會(huì)影響經(jīng)濟(jì)性。因此，恰當(dāng)?shù)卮_定預(yù)防性維修工作間隔期是很重要的。預(yù)防性維修性工作類型有7種，本文僅針對使用檢查和功能檢測，給出維修工作間隔期的計(jì)算方法。

1）使用檢查維修工作間隔期

觀察式（5）和式（6），在T期間內(nèi)故障發(fā)生概率的可接受值（Pac）越大，T期間要檢查的次數(shù)（n）越多，檢查間隔期（Tc）越短。

1.3.7 小結(jié)

在以可靠性為中心的維修分析過程中，通過開展重要功能產(chǎn)品分析，確定了重要功能產(chǎn)品及其故障模式；通過開展邏輯決斷分析，確定了重要功能產(chǎn)品的故障影響類型和預(yù)防性維修工作類型；通過開展預(yù)防性維修工作間隔期的分析和計(jì)算工作，明確了使用檢查和功能檢測工作類型的預(yù)防性維修工作間隔期。通過開展維修分析活動(dòng)，積累了裝備預(yù)防性維修數(shù)據(jù)信息，為裝備預(yù)防性維修策略和預(yù)防性維修大綱的形成奠定基礎(chǔ)。

1.4 定義

1）隱蔽故障模式[10]：故障已經(jīng)發(fā)生，但尚未影響裝備的功能；

2）潛在故障模式：故障尚未發(fā)生，但裝備故障即將出現(xiàn)；

3）功能故障狀態(tài)：裝備不能履行其期望功能的狀態(tài)；

4）適用性：該類維修工作類型與裝備的固有可靠性相適應(yīng)，且能預(yù)防其功能故障；

5）有效性：對維修工作效果的衡量，它應(yīng)能有效消除裝備各種功能故障的影響；

6）可用度：對于給定的一個(gè)隨機(jī)時(shí)間t，在t時(shí)刻裝備處于可用狀態(tài)的概率。

2 維修分析方法的應(yīng)用

以可靠性為中心的維修分析貫穿于裝備全壽命周期。在裝備壽命周期各階段，該分析工作將采用不同的工作方式，形成不同的維修性要求、產(chǎn)生不同的分析結(jié)果，最終目的是確定裝備適用而有效的預(yù)防性維修要求和策略，以最少的維修資源消耗達(dá)到以下目標(biāo)：

1）保持裝備固有可靠性水平和安全性；

2）確保裝備的可靠性水平，以及安全性下降時(shí)能將其恢復(fù)到固有水平；

3）對固有可靠性水平不能滿足要求的部件，為其改進(jìn)設(shè)計(jì)提供信息。

2.1 論證階段

論證階段應(yīng)提出減少裝備維修或便于裝備維修的技術(shù)要求。本階段的主要工作是根據(jù)裝備預(yù)定裝備預(yù)防性維修工作間隔及維修級(jí)別等，確定以可靠性為中心的維修分析準(zhǔn)則。

2.2 方案階段

方案階段開始進(jìn)行以可靠性為中心的維修分析。本階段的主要工作是明確裝備使用方對維修的要求，確定裝備用途、組成、功能、設(shè)計(jì)特點(diǎn)，收集同類產(chǎn)品的維修和使用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，同步開展維修性設(shè)計(jì)并明確裝備保障需求。以裝備可靠性指標(biāo)和分析結(jié)論、維修性指標(biāo)和裝備組成圖為基礎(chǔ)，按照以可靠性為中心的維修分析方法，確定重要功能產(chǎn)品及其故障類型和預(yù)防性維修工作類型，初步明確預(yù)防性維修工作間隔期，最終形成初始的預(yù)防性維修大綱。該階段裝備的故障類型應(yīng)通過對裝備可劃分組成模塊開展故障模式、影響及危害度分析獲取的數(shù)據(jù)而確定。

2.3 研制階段

工程研制階段全面開展以可靠性為中心的維修分析。本階段主要工作是根據(jù)裝備實(shí)際組成圖和可靠性分析結(jié)論，按照以可靠性為中心的維修分析流程和分析方法，開展裝備的重要功能產(chǎn)品及其故障影響類型、預(yù)防性維修工作類型和預(yù)防性維修間隔期的分析與確定工作，最終形成預(yù)防性維修大綱。該階段裝備的故障類型應(yīng)通過故障模式、影響及危害度分析獲取裝備的真實(shí)數(shù)據(jù)，該階段獲取的預(yù)防性維修工作間隔期有待于通過生產(chǎn)和使用階段進(jìn)行完善。在維修分析過程中，針對安全性、任務(wù)性影響模式及無適用的維修方式要求開展改進(jìn)設(shè)計(jì)。

2.4 生產(chǎn)和使用階段

生產(chǎn)和使用階段開展必要的預(yù)防性維修工作間隔期探索，按實(shí)際使用情況對預(yù)防性維修大綱進(jìn)行修正和完善。研制階段確定的預(yù)防性維修工作間隔期是根據(jù)裝備可靠性、維修性指標(biāo)通過式（4）和式（6）獲得的。裝備經(jīng)生產(chǎn)和使用階段考核可獲取故障發(fā)展到功能故障時(shí)間的平均值T，按照以可靠性為中心的維修分析流程，通過式（4）和式（6）計(jì)算獲得預(yù)防性維修工作間隔期，對預(yù)防性維修大綱進(jìn)行修正和完善。在維修分析過程中，針對安全性、任務(wù)性影響模式及無適用的維修方式要求開展改進(jìn)設(shè)計(jì)。

3 結(jié)束語

據(jù)統(tǒng)計(jì)，在朝鮮戰(zhàn)爭中，美國的軍用通信、聲吶和雷達(dá)設(shè)備的停機(jī)時(shí)間分別是工作時(shí)間的16%、1.08倍和5.25倍，軍用裝備的維修性已經(jīng)成為一個(gè)異常突出的緊迫問題。20世紀(jì)50年代，美國DC-10飛機(jī)按照傳統(tǒng)的維修方針，定期翻修項(xiàng)目有339個(gè)，隨著以可靠性為中心的維修分析技術(shù)的應(yīng)用，339個(gè)定期翻修項(xiàng)目減少到7個(gè)，這種以可靠性為中心的維修策略，不僅提高了裝備的可靠性，而且節(jié)約了大量費(fèi)用。

以可靠性為中心的維修分析是貫穿裝備整個(gè)壽命周期的一項(xiàng)維修活動(dòng)，是對裝備壽命周期內(nèi)各階段故障發(fā)生原因、故障影響及維修活動(dòng)數(shù)據(jù)的積累和完善。以可靠性為中心的維修分析，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)在裝備壽命周期內(nèi)正確確定裝備故障影響模式，選擇適用而有效的維修工作類型，以持續(xù)保持裝備質(zhì)量、降低維修成本和維修難度。因此，為全面、持續(xù)保障裝備質(zhì)量，在裝備研制、生產(chǎn)及列裝的各個(gè)階段，開展以可靠性為中心的維修分析活動(dòng)是非常必要的。

參考文獻(xiàn)

[1]王錫吉，李平，楊家堅(jiān). 可靠性工程[M]. 北京：電子工業(yè)與可靠性培訓(xùn)中心，1999.

[2]章國棟，陸廷孝，屠慶慈，等.系統(tǒng)可靠性與維修性的分析與設(shè)計(jì)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版，1999.

[3]丁定浩. 維修性工程[M]. 北京：電子工業(yè)與可靠性培訓(xùn)中心，1999.

[4] GJB/Z 299B-98電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)手冊[S].

[6] GJB 1391-92故障模式、影響及危害性分析程序[S].

[6] GJB 1378A-2007裝備以可靠性為中心的維修分析[S].

[7]徐維新. 可靠性與維修性管理基礎(chǔ)[M]. 北京：兵器工業(yè)山版社，1989.

[8]潘吉安. 可靠性維修性可用性評(píng)估手冊[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，1995.

[9]楊為民，阮鐮，俞渭，等. 可靠性維修性保障性總論[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，1995.

[10] GJB 451-90 可靠性、維修性名詞術(shù)語[S].

作者簡介

王文智，高級(jí)工程師，主要從事機(jī)載計(jì)算機(jī)維修保障技術(shù)、質(zhì)量管理、科研管理工作。