裝備維修性的評價模型及算法研究

周亦軍 鄭 彤

(海軍駐四三八廠軍事代表室 武漢 430064)

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裝備維修性的評價模型及算法研究

周亦軍 鄭 彤

(海軍駐四三八廠軍事代表室 武漢 430064)

論文討論了裝備維修性的設計準則,定義了評價維修性的指標因素。在此基礎上,利用有向網絡圖來描述維修性的評價模型,并利用矩陣的積和式算法作出定量評價,該方法可以綜合考慮影響維修性的所有指標及其相互關系。

維修性; 網絡圖; 矩陣

Class Number TH122

1 引言

裝備維修性[1～4]與很多因素有關。包括設計參數的選擇、裝備的結構性能、人員及設備等。因此,必須在設計階段考慮影響維修性的各種因素。對裝備的維修性有一個定性或定量的評價。現有的一些研究都僅從某個側面去理解、評價裝備的維修性[5～7],沒有考慮影響裝備維修性的各類因素。也未考慮有關因素之間的內在關系。因此必須綜合考慮有關因素,在裝備設計階段提供一個簡單、合理且易行的維修性評價方法。

2 維修性設計準則及評價指標

維修性設計是裝備或系統設計工作中的一個重要組成部分,它要求設計者在裝備的初始設計階段將維修性作為設計的一個目標,以提高裝備的使用維修性能。維修性設計準則是為了將裝備的維修性要求及使用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其目的是:指導設計人員進行裝備設計,便于裝備設計者在設計階段進行設計評價,便于分析人員進行維修性分析、設計。

維修性設計準則通常包括以下一般性的原則[8～10]: 1) 盡可能簡化裝備功能,減少零部件的品種和數量; 2) 合理的結構設計,提高裝備可達性; 3) 采用標準化、模塊化設計; 4) 保證檢測診斷的迅速、準確; 5) 采取防差錯措施; 6) 考慮維修中的人機工程及維修安全性等。

根據上述維修性設計準則,提出了以下九個評價指標因素:

1) 裝備設計簡化性

盡可能簡化、合并裝備功能,降低對使用和維修人員的技能要求,另外要盡量減少零部件的品種和數量。

2) 可達性

可達性是指在維修裝備時,接近維修部位的難易程度。合理的結構設計,合理地設置維修窗口和維修通道是提高裝備可達性的途徑。另外可達性還包括檢查點、測試點、拆裝空間等的布局。

3) 裝備裝配/拆卸性能

各個子裝配體、零部件、連接件的拆卸和裝配要簡單、省力。

4) 裝備設計的標準化、模塊化

包括優先選用標準件;故障率高及易損壞的零部件應具有良好的互換性和必要的通用性;裝備應按功能設計成能夠完全互換的模塊,便于單獨進行測試。這樣既有利于裝備的設計和制造,又有利于簡化維修作業,提高裝備的維修性。

第三，優化作業設置，提升作業的價值：教師在作業的設置中也存在著很大的不合理性，不考慮學生的完成時間大量的布置、不考慮學生學習的層次一味的追求難度、不考慮布置的多樣化使作業缺乏趣味性，這些問題都影響著學生作業的完成，也是學生抄襲作業的原因之一。因此教師在作業設置中要做到：精心備選作業，加強作業的針對性；作業的重心前移，減少作業量；分層設置作業，降低作業難度，體現作業的層次性；作業的形式要多樣化，增加作業的實用性和趣味性。

5) 防差錯性

從裝備結構上采取措施消除發生差錯的可能性,在維修的零部件、備品備件、專用工具等上面作出識別記號,以便于區別辨認,避免因差錯而發生事故。

6) 檢測及診斷性能

裝備在進行恢復性維修時的不工作時間中,超過60%與測試診斷有關。裝備設計應考慮故障檢測診斷的方便性,其中包括測試原理、測試方式、測試設備等。

7) 維修安全性及人機工程

研究在維修中人的各種因素對提高維修工作效率、減輕人員疲勞等方面的影響。為此,應考慮維修操作空間、噪聲、人員安全性等因素以及降低對維修人員的技能要求。

8) 維修工具及維修設備

9) 維修安全性

結構上采取相應措施,從根本上防止維修中的事故。防止維修人員受到機械損傷及接近高溫有毒、放射性物質等。

3 維修性評價模型

對前述九項維修性評價指標,可以根據一定的打分標準為它們作出定量評價。具體的打分標準可以參照MIL-HDBK-472 Maintainability Prediction的定義。該手冊是美國軍事部門針對武器、電子、機械類裝備可靠性及維修性制定的一系列標準手冊之一,它以0、2、4三個等級為打分標準,為各項評價指標打分并定義了打分依據。本文僅以可達性為例進行說明,裝備可達性的打分標準如表1所示。

表1 可達性打分標準

前述的指標因素之間并不是相互獨立的,它們相互關聯并且相互影響。它們之間的關系稱之為關聯度,不同因素之間的關聯度有強有弱。這里仍然采用0、2、4分值標準來表示它們之間的關聯度。其中0表示不相關,2表示弱相關,4表示強相關,具體如表2所示。

表2 維修性各指標之間的關聯度

表2中的1～9分別對應九個評價指標,而每一行又分別表示每個評價指標與其它九個評價指標的關聯度。

4 維修性評價的矩陣積和式算法

如果在設計的初始階段就為設計者提供維修性的評價模型,就可以幫助設計者對裝備維修性有一個整體的把握,對裝備的維修性進行綜合分析,并且通過修改設計提高裝備的維修性。如果要考慮所有九個維修性指標和它們之間的關系,該模型就會變得比較復雜。本文采用矩陣對維修性模型進行描述及分析計算。維修性關聯度矩陣維修性關聯度矩陣MF的定義為

式中,Ii為維修性指標的打分值;fij為維修性指標i相對于維修性指標j的關聯度。

在上述維修性評價模型的基礎上,可以為裝備的維修性作出定量評價,本文采用矩陣積和式函數來計算維修性綜合指數。積和式是矩陣的一個標準函數,也被應用于組合數學中。它可以表示一種結構化的信息,因為矩陣中的每一個元素及它們之間的關系都被考慮到。因此利用這一概念可以從集合的角度來表示裝備的維修性能。矩陣積和式的定義如下:

式中Sn表示n階矩陣對稱群。

積和式包含了各種維修性參數,可以用它作為裝備維修性能的綜合指數。綜合指數越大表明該裝備的維修性能越好,這樣就可以利用該指數來評價不同的設計方案。利用裝備的維修性評價模型和矩陣的積和式算法,可以綜合考慮影響維修性的各種要素,在裝備設計初始階段就為設計者提供一個簡單、合理且易行的維修性評價方法。

5 實例分析

利用上述方法來評價兩種某驅動機構的維修性能,從維修的角度來分析它們的結構,找出影響維修性能的指標因素集,它們是設計簡化性、裝配、拆卸性、裝備設計的標準化、模塊化程度、人機工程及維修工具。參照MIL-HDBK-472的定義,對這兩種機構的維修性指標進行打分,具體分值如表3所示。

表3 維修性指標打分值

其矩陣表達式為

分別將這兩種不同方案的具體數值代入,可得

矩陣的積和式函數為per(MF)=V1V2V3V4V5+(f25f52V1V3V4+f45f542V1V2V3+f13f31V2V4V5+(f24f45f52V1V3+f32f25f52V1V4+[(f13f31)(f45f54)V2+(f13f31)(f25f52)V4],計算其數值,分別可得per(MF1)=160,per(MF2)=1152。該計算結果與實際吻合,采用液壓挺桿式的維修性能較好,裝配、使用、維護都十分方便。

6 結語

維修性能的好壞已經成為衡量裝備質量的重要方面,因此,需要做的已不僅僅是預測裝備或部件的故障發生率,而是要力求以最少的操作和最低的成本完成一件裝備或一個系統的維修工作。本文利用矩陣的積和式算法來計算維修性的綜合指數。這種量化的方法不僅考慮了所有影響維修性的因素,而且考慮了它們之間的相互關系及影響。因此可以合理且全面地評估設計方案的維修性能,在設計的初始階段就為設計者提供了一個簡單易行的評價工具,并用以不斷改進設計。

[1] Shozo Takata, Yuu Inoue. Maintenance Data Management System[J]. Annals of the CIRP,1999,48(1):389-392.

[2] Vujosevic R, Raskar R Simulation. Animation and Analysis of Design Disassembly for Maintainability Analysis[J]. Production Research,1995,33(11):2999-3022.

[3] 章國棟.系統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,1999.

[4] 高崎.可靠性與維修性工程[M].石家莊:軍械工程學院,2003.

[5] 俞華彪,吳培德.粗論渡河橋梁裝備可靠性維修性及其指標參數[J].工兵裝備研究,2001,20(5):30-36.

[6] 高明君,郝建平.一種新的維修性分析方法——維修障礙分析法[J].軍械工程學院學報,2005,34(4):34-38.

[7] 蔣國良,譚華.某型掃雷裝備維修保障性分析[J].解放軍理工大學學報(自然科學版),2007,17(1):22-26.

[8] 韓小溪,胡光振,楊元.基于BP神經網絡的維修性設計參數靈敏度分析[J].中國艦船研究,2008,25(6):43-47.

[9] 楊海華,金家善,何春雨.基于BP神經網絡的維修性綜合評估方法研究[J].船海工程,2008,18(4):14-18.

[10] 龔劍,趙新文,蔡琦,等.基于故障樹的船用核動力裝置維修性建模研究[J].中國艦船研究,2008,24(6):26-30.

The Evaluation Model and Algorithm of Equipment Maintainability

ZHOU Yijun ZHENG Tong

(Navy Representative Office in the 438th Factory, Wuhan 430064)

This paper discusses the design criteria of maintainability, defines the evaluation factor target maintainability. Directed network graph is used to describe the maintainability evaluation model, and a quantitative evaluation is made using the product and the algorithm of matrix. This method can consider the influence of all indexes of maintainability and their relationship.

maintainability, network graph, matrix

2015年1月7日,

2015年2月28日 作者簡介:周亦軍,男,工程師,研究方向:艦船電子武備系統和設備監造。鄭彤,女,博士,工程師,研究方向:艦船導航與航洋地球物理。

TH122

10.3969/j.issn1672-9730.2015.07.041