鄭菁菁,史旭鵬,徐澤林
(1.南京信息工程大學(xué),南京 210044; 2.中認(rèn)英泰檢測技術(shù)有限公司,蘇州 215104)
一個產(chǎn)品要成為一種商品,被廣大消費者所接受和成為受歡迎的名牌產(chǎn)品;一個軍品要成為一種招之既來、來之能戰(zhàn)、戰(zhàn)之能勝的武器,除了它的功能和性能外,就是它對環(huán)境的適應(yīng)性、使用的可靠性、電磁兼容性、測試性、維修性、保障性、安全性。有時,人們?yōu)榱吮3诌@些特性,寧愿犧牲部分功能和性能來首先保證它們。對這些特性,為了表達(dá)方便,常常稱其為六性(講六性時常將電磁兼容性放在環(huán)境適應(yīng)性中)。美國將這些特性簡稱為產(chǎn)品的RMS特性?,F(xiàn)在人們又將其簡稱為產(chǎn)品的通用質(zhì)量特性,以便與產(chǎn)品的專用質(zhì)量特性相區(qū)別。
歷來是軍用技術(shù)的發(fā)展推動民用技術(shù)的發(fā)展,軍用裝備的發(fā)展帶動民用產(chǎn)品的發(fā)展,軍用技術(shù)多數(shù)是民用技術(shù)的先驅(qū),民用技術(shù)很多都是從軍用技術(shù)轉(zhuǎn)化來的,對產(chǎn)品通用質(zhì)量特性的研究,起源于軍用裝備。然而,隨著當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,已從軍向民轉(zhuǎn)讓,到相互轉(zhuǎn)化,發(fā)展到“軍轉(zhuǎn)民”越來越少,“民轉(zhuǎn)軍”越來越成為主流。例如:鋰電池,它起源于軍用,后在民用市場得到大力發(fā)展,到現(xiàn)在軍方直接在民用市場采購,應(yīng)該說成熟的民品比新研的軍品更可靠。然而不得不說的是:軍用裝備相對一些民用產(chǎn)品要求可能更高一些,特別是通用質(zhì)量特性方面,民品遠(yuǎn)沒有軍工的研制單位及管理部門那樣抓得緊、抓得嚴(yán),甚至有些民用部門、乃至整個單位還缺乏這方面的知識。現(xiàn)在我國的民用產(chǎn)品,例如:通信產(chǎn)品、電子裝備、航天產(chǎn)品、道路車輛,軌道交通、核電站、直至遠(yuǎn)程視頻教育系統(tǒng),燈具等等正在走向世界,產(chǎn)品的通用質(zhì)量特性如何合理、優(yōu)質(zhì)的解決,需求性、迫切性已排在日程上了。
產(chǎn)品的通用質(zhì)量特性貫穿于設(shè)計、研制、生產(chǎn),使用的全過程。六性是你中有我,我中有你,相互之間是密不可分的。例如談可靠性,特別是成熟期目標(biāo)值,它是建筑在維修性,測試性,保障性等的基礎(chǔ)上的指標(biāo),沒有這些指標(biāo)保證,產(chǎn)品可靠性是不可能達(dá)到成熟期的目標(biāo)值,即可靠性的設(shè)計值(固有可靠性)的。如何抓好民品的通用質(zhì)量特性,本文認(rèn)為:
一個產(chǎn)品要具有滿意的通用質(zhì)量特性,首先要將它設(shè)計到產(chǎn)品中去,這樣才能形成固有的通用質(zhì)量特性。然而無論是定性通用質(zhì)量特性還是定量通用質(zhì)量特性,首先要做好指標(biāo)論證。指標(biāo)論證的輸入來自對裝備全壽命期間所經(jīng)受到通用質(zhì)量特性的分析與要求。指標(biāo)論證的輸出是通用質(zhì)量特性的設(shè)計輸入。為做好指標(biāo)論證:
1)分析產(chǎn)品在全壽命期間對通用質(zhì)量特性的需求。分析要涉及到:產(chǎn)品將可能遇到的自然環(huán)境,安裝平臺的誘發(fā)環(huán)境與電磁環(huán)境,壽命期每個階段暴露于某環(huán)境下出現(xiàn)的可能性與出現(xiàn)的頻度、相對和絕對持續(xù)時間。使用者對使用該產(chǎn)品的維修保障與安全要求等。
2)收集相似性裝備的數(shù)據(jù):應(yīng)盡可能收集與在研產(chǎn)品基本相同的在用產(chǎn)品的數(shù)據(jù),這些在用產(chǎn)品在使用地域、功能和性能、所處平臺等方面都與在研裝備相類似;如果沒有這樣的在用裝備,則應(yīng)收集具有一定可比性的相似產(chǎn)品的數(shù)據(jù),利用這些數(shù)據(jù)進行分析,得出可用于在研產(chǎn)品裝備所需的數(shù)據(jù)。
通過現(xiàn)場實測采集數(shù)據(jù):得出相對其它方法更接近在研產(chǎn)品的使用役環(huán)境數(shù)據(jù),首先使用實測應(yīng)力,其次相似應(yīng)力,最后是標(biāo)準(zhǔn)中的應(yīng)力,已成為國內(nèi)外在這一專業(yè)的共識。
3)收集相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與采標(biāo)
對一個新的領(lǐng)域。特別是一個新品,特別是大型電子系統(tǒng)的研制,首先要解決的問題是采標(biāo)問題,所謂得標(biāo)準(zhǔn)者得天下,可見標(biāo)準(zhǔn)對新品研制工作的重要和意義了,采標(biāo)合適與否直接涉及到研制技術(shù)難度的高低、研制進度的快慢、研制成本等方方面面的問題。
指標(biāo)論證說簡單一點就是要解決需要和可能的問題,也就是:需要在研制時間、研制經(jīng)費、技術(shù)難度中平衡。
1)環(huán)境適應(yīng)性
主要是根據(jù)要部署的地區(qū)與平臺環(huán)境條件,給出所需考核的環(huán)境試驗項目、方法及其試驗條件要求。環(huán)境試驗是大家比較熟悉的,由于篇幅限制,在此僅提出論證時應(yīng)注意的要點:
①不是全壽命期可能遇到的環(huán)境因素都要考慮的,要考慮它的出現(xiàn)概率。
②對每一環(huán)境試驗項目,要明白標(biāo)準(zhǔn)的試驗條件給出的原則,例如基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2423,它的嚴(yán)酷等級是以貨架產(chǎn)品的形式給出,讓采標(biāo)用者根據(jù)需要從中選取;道路車輛GB/T 28046是不產(chǎn)生疲勞失效的角度給出的量級,軌道交通GB/T 30012是從壽命(疲勞)和加速角度給出的試驗量級,軍標(biāo)GJB 150中的高低溫要求是考慮了一定的風(fēng)險率給出的,振動從功能和耐久(能承受全壽命期間安裝平臺給樣品的最大強度振動的能力)角度給出試驗量級等。
③如果是安裝平臺的實測數(shù)據(jù),要明白數(shù)據(jù)是如何處理出來的,例如實測工況的概括性,數(shù)據(jù)處理的方法與置信度,安全裕量的大小等。
2)可靠性
由于篇幅限制,本文對這部分的論述從簡,可靠性指標(biāo)有:
①可靠性指標(biāo)
R(t)可靠度:產(chǎn)品在規(guī)定的時間內(nèi)規(guī)定的條件下完成規(guī)定功能的概率。
MTBF:即基本可靠性,它給出的是產(chǎn)品所需備件和維修人力方面的信息。對基本可靠性凡是相關(guān)失效都計入MTBF值。
MTBCF:即任務(wù)可靠性,它給出的是完成任務(wù)的信息,任務(wù)成功的概率,它是平均無致命故障之間的間隔時間。
談可靠性指標(biāo)的高低應(yīng)與統(tǒng)計試驗方案、試驗剖面和失效判據(jù)密切相關(guān)。
②統(tǒng)計試驗方案
統(tǒng)計試驗方案是根據(jù)風(fēng)險率和鑒別比制定,按一定的置信度產(chǎn)品MTBF真值作出估計。
③試驗剖面
是指可靠性試驗中施加給產(chǎn)品的應(yīng)力,并且這種應(yīng)力在總試驗時間內(nèi)以周期形式隨時間變化。據(jù)國外資料介紹和國內(nèi)的試驗結(jié)果分析,真正影響產(chǎn)品MTBF值高低的不完全取決于所選用的統(tǒng)計試驗方案,而是施加給樣品的試驗應(yīng)力,原因可能是多方面的,首先統(tǒng)計試驗方案是建立在抽樣理論基礎(chǔ)上的。而由于可靠性的費用高,樣品量少,這一前提條件就不能被滿足。
④失效判據(jù)
能定義產(chǎn)品失效的依據(jù),可靠性試驗中出現(xiàn)的關(guān)聯(lián)責(zé)任失效數(shù),將作為計算MTBF值高低的依據(jù),即通過與否的判決依據(jù)。
綜合上述:可靠性指標(biāo)論證,必須對上述4點,給出描述,缺一都是不完整的。嚴(yán)格來說,合同、任務(wù)書,研制總要求對可靠性的要求應(yīng)給出上述4點內(nèi)容,只有這樣,設(shè)計師才能更好的完成產(chǎn)品的可靠性設(shè)計。
3)測試性
測試性是指軍用設(shè)備能及時準(zhǔn)確地確定其工作性能、狀態(tài),并隔離其內(nèi)部故障的一種設(shè)計特性。好測試性設(shè)計能提高產(chǎn)品完好性和任務(wù)成功性,減少對維修人力和其它資源的要求,降低任務(wù)電子系統(tǒng)設(shè)備壽命周期費用,并為系統(tǒng)性能、維修、管理提供必要的信息。
測試性需要論證的指標(biāo)有:
①故障檢測率
被測試項目在規(guī)定期間內(nèi)發(fā)生的所有故障,在規(guī)定條件下用規(guī)定的方法能夠正確檢測出的百分?jǐn)?shù)。
式中:
FDR—故障檢測率;
Nd—用規(guī)定的方法正確檢測到的故障數(shù);
NT—在規(guī)定工作時間內(nèi)實際發(fā)生的故障總數(shù)。
②故障隔離率
被測試項目在規(guī)定期間內(nèi)已被檢出的所有故障,在規(guī)定條件下用規(guī)定方法能夠正確隔離到規(guī)定個數(shù)可更換單元內(nèi)的百分?jǐn)?shù)。
式中:
FIR—故障隔離率;
NL—用規(guī)定方法正確隔離到不大于規(guī)定模糊故障度的故障數(shù);
ND—用規(guī)定方法實際檢測出的故障數(shù)。
③虛警率
在規(guī)定期間內(nèi)發(fā)生的虛警數(shù)與故障指示總次數(shù)之比。
式中:
FIR—虛警率;
NFA—虛警次數(shù);
NF—真實故障指示數(shù);
N—指示(報警)總次數(shù)。
4)維修性
給定的使用條件下,按規(guī)定的程序和資源實施維修時,使裝備保持或恢復(fù)能完成要求的功能的狀態(tài)的能力。維修性是指在規(guī)定的條件、時間、程序和方法等約束下完成維修的能力。是由產(chǎn)品設(shè)計決定的,使其維修簡便、迅速、經(jīng)濟的質(zhì)量特性。維修性中的“維修”包含修復(fù)性維修、預(yù)防性維修等內(nèi)容。各種設(shè)備、系統(tǒng)都有維修性要求。除硬件外,軟件也有維修性問題(在軟件行業(yè)通常稱為可維修性)。維修一般分為:預(yù)防性維修和修復(fù)性維修。
維修性需要論證的指標(biāo)有:即通過一定的技術(shù)途徑設(shè)計到產(chǎn)品中去的技術(shù)指標(biāo)。維修性需要論證的指標(biāo)有:
平均修復(fù)時間:MTTR,
平均預(yù)防性修復(fù)時間:MPMT≤3 min(起飛前),
恢復(fù)功能的任務(wù)時間:MTTRF。
5)保障性
隨裝工具數(shù)量與重量;各維修級別器材庫存量、各維修級別保障設(shè)備利用率;各維修級別備件滿足率;各維修級別保障設(shè)施利用率;器材(備件)攜運基數(shù);使用人員、數(shù)量與技能等級與培訓(xùn)率;各維修保障機構(gòu)維修人員數(shù)量、技能等級(按專業(yè)職務(wù))與培訓(xùn)率;技術(shù)資料的種類、數(shù)量與差錯率。
保障性需要論證的指標(biāo)有:
備件利用率:不小于 95 %。
6)安全性
產(chǎn)品的安全性直接關(guān)系到人員和產(chǎn)品的安全。安全性貫穿于產(chǎn)品的設(shè)計、制造、檢測、使用、維修等環(huán)節(jié)。
安全性:簡單來說,就是不發(fā)生事故的能力;
危險性:簡單來說,可能導(dǎo)致故障的狀態(tài)。
安全性需要論證的指標(biāo)有:
P=N/T
式中:
N—總事故次數(shù);
T—總觀察時間。
7)電磁兼容性
電磁兼容性是指電子設(shè)備所產(chǎn)生的電磁能量既不對其他電子設(shè)備產(chǎn)生干擾,也不受其他電子設(shè)備的電磁能量干擾的能力。由于受篇幅限制,本文對此省略(下同)。
產(chǎn)品的通用質(zhì)量特性與產(chǎn)品的其它特性一樣首先是設(shè)計進去的,設(shè)計奠定產(chǎn)品的固有通用質(zhì)量特性。設(shè)計是提高產(chǎn)品通用質(zhì)量特性的根本途徑,它可以發(fā)現(xiàn)隱患與薄弱環(huán)節(jié),并采取設(shè)計預(yù)防和設(shè)計改進措施,以便有效地消除隱患和薄弱環(huán)節(jié)。
環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計就是通過增強產(chǎn)品自身耐環(huán)境應(yīng)力的能力和減緩各種環(huán)境應(yīng)力對產(chǎn)品的影響使其達(dá)到研制總要求、合同、協(xié)議書中的各項環(huán)境適應(yīng)性指標(biāo)。
環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計措施很多,主要有:熱設(shè)計、抗振緩沖設(shè)計、三防設(shè)計等。在具體設(shè)計時要注意盡量采用成熟的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計技術(shù)、進行適當(dāng)?shù)挠嗔吭O(shè)計、采用防止瞬態(tài)過應(yīng)力作用的措施、選用耐環(huán)境能力強的結(jié)構(gòu)、材料、元器件和工藝等。
1)定量設(shè)計
可靠性預(yù)計與分配
2)定性設(shè)計
熱設(shè)計 降額設(shè)計 冗余設(shè)計 參數(shù)設(shè)計
優(yōu)化設(shè)計 簡化設(shè)計 瞬態(tài)電路設(shè)計 容差設(shè)計
系統(tǒng)設(shè)計 健壯設(shè)計 軟件可靠性設(shè)計 潛在通路抑制設(shè)計
設(shè)計指標(biāo):例如:
平均修復(fù)時間(MTTR):≯ 30 min。
平均預(yù)防性修復(fù)時間:MPMT≤3 min (起飛前)。
1)定量設(shè)計
①修性建模,維修性模型與產(chǎn)品功能、原理、工程圖等相協(xié)調(diào)。
②維修性預(yù)計分配,采用故障率分配法進行維修性分配。
2)定性設(shè)計
①采用單元體結(jié)構(gòu)設(shè)計及標(biāo)準(zhǔn)的快卸機箱,便于外場快速拆裝。
②故障頻率高、預(yù)防性維修頻繁的設(shè)備均具有良好的可達(dá)性。
③產(chǎn)品的維護點便于觀察、接近、操作及維護。
④所用電纜接頭形狀、大小、插針數(shù)量等“錯位裝不上”的措施。
⑤產(chǎn)品上設(shè)置相應(yīng)的標(biāo)記及安裝注意事項等,且標(biāo)記明確、醒目。
1)設(shè)計指標(biāo),例如:
①故障檢測率(FDR):不小于 90 %。
②故障隔離率(FIR):
隔離到 1 個 LRU 不小于 90 %,
隔離到 2 個 LRU 不小于 95 %,
隔離到 3 個 LRU 不小于 98 %。
③虛警率(FAR):不大于 5 %。
2)定量設(shè)計
①建立測試性模型(給出框圖),與產(chǎn)品功能、原理、故障模式等相協(xié)調(diào)。
②裝備測試性預(yù)計與分配。
3)定性設(shè)計
將產(chǎn)品的測試性定量要求逐層分配到規(guī)定的產(chǎn)品層次,明確各層次產(chǎn)品的定量要求。
依據(jù)產(chǎn)品測試性設(shè)計需求等,確定每種機內(nèi)自檢測方式條件下的測試性定量要求。
設(shè)計指標(biāo):例如,備件利用率:不小于 95 %。
設(shè)計時,優(yōu)化備件品種和數(shù)量,盡量通用化、系列化、組合化,提高利用率,滿足指標(biāo)要求。
設(shè)計指標(biāo):例如,事故率 PA:不大于 10-6。
設(shè)計時:要進行故障危險分析、功能危險分析、故障樹分析、區(qū)域安全性分析等,盡量減少危險品要求與危險品隔離要求;滿足指標(biāo)要求。
試驗與評估是產(chǎn)品研制過程中完善設(shè)計、暴露生產(chǎn)工藝缺陷、評價考核產(chǎn)品各項性能是否符合合同要求必不可少的手段。經(jīng)驗證明,即使使用了各種可以提高產(chǎn)品質(zhì)量的設(shè)計技術(shù)進行了精心設(shè)計的產(chǎn)品,也不可能沒有缺陷,而且這些設(shè)計缺陷僅靠對圖面的檢查、原理的演示、技術(shù)評審,通常也只能檢查出30 %左右,約有70 %的設(shè)計缺陷需通過研制過程中的各種試驗、檢測、現(xiàn)場使用等才能找出。然后組織技術(shù)攻關(guān),摸清機理,通過改進-試驗-再改進-再試驗來進行綜合評估。
1)實驗室考核
通過實驗室試驗、基地試驗等測試產(chǎn)品是否達(dá)到和通過所規(guī)定的環(huán)境適應(yīng)性要求。
2)使用評估
例如對某信息系統(tǒng)的評估報告,是從以下幾方面進行的:
①設(shè)計輸入滿足了研制總要求中對環(huán)境適應(yīng)的規(guī)定規(guī)定;
②試驗考核證實達(dá)到了研制總要求中的環(huán)境適應(yīng)性要求;
③基地試驗和使用試驗證明可以滿足實際使用要求;
④現(xiàn)場實測驗證實際所經(jīng)受到的振動沖擊等各項環(huán)境應(yīng)力低于試驗考核的要求。
結(jié)論:該產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性水平完全能滿足實際使用要求。
可靠性試驗與評估是要給出定量數(shù)值的。
1)實驗室考核
對軍用裝備依據(jù)GJB 899A進行,對民品依據(jù)GB/T 5080進行。二者的主要區(qū)別,軍品給出的是MTBF的最低可接受值θ1(MTBF檢驗下限值θL)和規(guī)定值θ0(MTBF.檢驗上限值θU),民品給出的是可接受的MTBF值m0和不可接受的MTBF值m1。如果將二者對比,則軍品的θ0(可靠性試驗報告給出的θL)相當(dāng)于民品的m0;軍品的θ1(可靠性試驗報告給出的θL)相當(dāng)于民品的不可接受的MTBF值m1。如果該產(chǎn)品是軍民融合產(chǎn)品,從民用角度出發(fā)給出的指標(biāo)就是m0,從軍用角度出發(fā)要的是θ1。二者相差主要是鑒別比上。
2)評估
在研制階段,對各項可靠性試驗結(jié)果進行評估,以驗證試驗的有效性;在定性階段,根據(jù)可靠性鑒定段試驗的結(jié)果評估其可靠性水平是否達(dá)到設(shè)計要求;在使用階段,收集現(xiàn)場使用數(shù)據(jù),分析評估其能否達(dá)到使用要求,及改進提高的要求和措施。
1)定性評估,評估方式和內(nèi)容(可同時采用仿真評估和試驗測試評估):
①故障檢測率和故障隔離率的分配;
②故障檢測率的分配模型;
③故障檢測率、故障隔率和虛警率離的預(yù)計;
④機內(nèi)檢測(BIT)設(shè)計;
⑤外場更換單元(LRU)的失效模式與BIT檢測響應(yīng)評估;
⑥裝備所有LRU必須進行失效模式分析,列出可能發(fā)生的各種失效模式,并對每種失效模式的發(fā)生頻數(shù)比作出評估。
2)定量評估,評估報告與結(jié)論:
點估計值
經(jīng)評估:×××裝備故障檢測率評估值為 96.3 %,滿足指標(biāo)要求。其中:①隔離到 1 個 LRU 的故障隔離率評估值為 92.8 %;②隔離到 2 個 LRU 的故障隔離率評估值為 96.8 %;③隔離到 3 個 LRU 的故障隔離率評估值為 98.7 %;④評估期間發(fā)生××次虛警,在測試性試驗虛警率評估值為 1.1 %,滿足指標(biāo)要求。
預(yù)防性維修,評估應(yīng)覆蓋維修效能,維修工作的技術(shù)內(nèi)容,資源的充分性,運行、安全和環(huán)境程序。修復(fù)性維修的全面評估要給出與工作條件、供應(yīng)商問題和質(zhì)量問題有關(guān)的重復(fù)失效和趨勢。
1)維修性定性評價
① 維修通道寬敞,具備良好的可達(dá)性;
② 采取錯位裝不上設(shè)計,具有完善的防差錯措施及識別標(biāo)記;
③ 同型號產(chǎn)品可直接互換,具有良好的互換性;
④ 具備自檢測能力,可以檢測到設(shè)備的 LRU 級別。
2)維修性定量評估
維修性樣本量需大于等于30。平均修復(fù)時間的點估計值計算如下:
經(jīng)評估,×××裝備,備件利用率評估值為 98 %,滿足指標(biāo)要求。安全性評估是裝備試驗和交付前,對裝備安全性和風(fēng)險水平的綜合評估,同時考核裝備是否與規(guī)定的要求相符。
經(jīng)評估,×××裝備,備件利用率評估值為 98 %,滿足指標(biāo)要求。
1)定性評估:
主要指安全性評估和符合性評估。
2)定量評估:
① FTA方法:以一不希望發(fā)生的故障事件作為分析目標(biāo):
經(jīng)評估,×××裝備事故率評估值為 0,滿足指標(biāo)要求。
②PRA方法:概率(指數(shù))評估,即劃分出可能發(fā)生危險的等級。
產(chǎn)品的通用質(zhì)量特性是決定產(chǎn)品能否生存的重要特性,但要真正解決好,還需做到:
1)應(yīng)建立民品通用質(zhì)量特性的標(biāo)準(zhǔn)體系
當(dāng)前軍品的通用質(zhì)量特性已有許多標(biāo)準(zhǔn),形成了標(biāo)準(zhǔn)體系,但民品方面除產(chǎn)品規(guī)范外,還應(yīng)有相應(yīng)的通用質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與之配套,靠一系列標(biāo)準(zhǔn)來規(guī)范。一個行業(yè)要發(fā)展,首先規(guī)劃和建設(shè)好標(biāo)準(zhǔn)體系,抓好規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的制定也是當(dāng)前的一項重要工作,可以說愈早愈好。
2)應(yīng)將民品通用質(zhì)量列入民品的頂層設(shè)計中
通用質(zhì)量特性工作覆蓋產(chǎn)品全壽命過程。應(yīng)將其列入頂層設(shè)計的內(nèi)容中,即在方案論證階段就應(yīng)提出和對其進行論證,然后在設(shè)計中落實,在研制生產(chǎn)中實現(xiàn),在使用中發(fā)揮和體現(xiàn)、保持和提高。
3)通用質(zhì)量特性需列入檢測機構(gòu)的檢測內(nèi)容
對通用質(zhì)量特性的檢測,例如:環(huán)境適應(yīng)性、可靠性、電磁兼容性均已進入了檢測機構(gòu)的檢測能力表中了。但對維修性、測試性、保障性、安全性,目前用戶找到檢測單位,他們面臨著也不知如何檢測,能不能檢測,能不能出報告等問題,這也是一個迫切需要解決的問題。