某型慣導(dǎo)生產(chǎn)過程的可靠性提升研究

孟寶林++張博

摘 要：某型慣導(dǎo)產(chǎn)品生產(chǎn)過程統(tǒng)計分析研究發(fā)現(xiàn)先期故障率上升的前提下，產(chǎn)品獲得了更長的產(chǎn)品壽命預(yù)期，并試圖基于此現(xiàn)象尋求產(chǎn)品效能與可靠性的改善途徑。另討論了慣導(dǎo)產(chǎn)品主動因素改進、多元器件的余度設(shè)計、再制造與重用對產(chǎn)品系統(tǒng)可靠性提升分析。

關(guān)鍵詞：慣性產(chǎn)品；可靠性；余度設(shè)計；再制造與重用

某型慣導(dǎo)產(chǎn)品生產(chǎn)線在1月～12月的生產(chǎn)周期平均單套產(chǎn)品故障率系數(shù)為0.17。與此相比前一年同期故障率系數(shù)為0.09。通過比較不難發(fā)現(xiàn)當(dāng)年在產(chǎn)量上升的情況下故障次數(shù)也同時上升。而導(dǎo)致這種結(jié)果的因素值得分析研究，并試圖尋求有效改進的途徑，以提高生產(chǎn)的可靠性與穩(wěn)定性，達到高的生產(chǎn)效率。某種意義上，在故障總數(shù)無法持續(xù)降低的前提下，故障發(fā)生于生產(chǎn)周期前端無疑是一種更加“健康”的方式。

1 故障周期的變化趨勢

某型慣導(dǎo)生產(chǎn)線工藝流程可以粗略分為：包含粗、精、檢驗約7個階段。從圖2數(shù)據(jù)統(tǒng)計來看，前一年故障發(fā)生在前端的概率為P前=0.05，發(fā)生于后端的概率P后為0.04，而當(dāng)年全年產(chǎn)品故障多發(fā)生于工藝流程的前端（篩選階段），故障發(fā)生在流程前端的概率上升為P前=0.13，發(fā)生于后端的概率持平為P后=0.04。

1.1 時間優(yōu)勢

對于單套慣導(dǎo)系統(tǒng)而言，生產(chǎn)周期T應(yīng)該包括兩部分：正常調(diào)試周期∑ti，其中（i=1，2，3…7）和重做流程周期∑tj，其中（j=n，n+1，…k）。見公式：

T=∑ti+∑tj

其中：i=1，2，3…7；j=n，n+1，…k；

n為重做工藝起始點；

k為故障問題發(fā)生點。

以生產(chǎn)過程較為常見的加計故障為例，若故障發(fā)生在精調(diào)階段即k=5，則依據(jù)工藝重做起始點為粗調(diào)階段即n=4。若故障發(fā)生在粗調(diào)階段k=4，則n=k=4。陀螺故障若發(fā)生在精調(diào)階段k=5時，n=3。若陀螺故障發(fā)生在粗調(diào)階段，則n=k=4。

1.2 成本優(yōu)勢

相較于時間優(yōu)勢，成本優(yōu)勢更加直觀。在更加健康的工藝過程中，較早的暴露故障單元或元器件，縮短了生產(chǎn)周期從而提高了生產(chǎn)效率，降低了勞動工時成本和生產(chǎn)資料成本。

1.3 可靠性優(yōu)勢

所謂產(chǎn)品的故障率/失效率（Failure Rate）體現(xiàn)了在給定壽命周期內(nèi)，系統(tǒng)產(chǎn)品的故障問題次數(shù)/失效次數(shù)。典型的失效率時間函數(shù)如下圖3所示，在產(chǎn)品初始階段、以及報廢階段是故障率較高的時期，而在產(chǎn)品有效使用周期內(nèi)，故障率應(yīng)維持在一個恒定的低值范圍。系統(tǒng)在生命周期內(nèi)關(guān)于時間t的可靠性函數(shù)可以表示為：

R（t）=e-λt

MTBF=1/λ

該故障率求解公式簡便的體現(xiàn)出了函數(shù)關(guān)系，因而對于求解相關(guān)問題十分有效。用此函數(shù)關(guān)系可以比較出慣導(dǎo)生產(chǎn)線今年故障發(fā)生趨勢的變化，以及這種變化趨勢產(chǎn)生的影響。

設(shè)上圖1中黑色曲線為統(tǒng)計當(dāng)年平臺故障率λ隨壽命時間t變化的函數(shù)，即“浴盆曲線”，而浴盆曲線底部可以近似為指數(shù)分布處理，而指數(shù)分布底部平滑區(qū)間，則認(rèn)為是產(chǎn)品平均壽命周期估計。假設(shè)與之對應(yīng)的可靠性函數(shù)R（t）=e-λt。紅色虛線為前一年度故障率λ'函數(shù)。根據(jù)實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)可知R'（t）與y軸的截距小于R（t）與y軸的截距，因此R'（t）函數(shù)事實上沿x軸做了平移。此時有：

盡管事實上統(tǒng)計當(dāng)年年平均單套故障系數(shù)0.18相比前一年的單套故障系數(shù)0.09有較大增幅，與之相對應(yīng)的是產(chǎn)品故障率的上升。然而從產(chǎn)品全生命周期的可靠性函數(shù)分析，卻獲得了更長的產(chǎn)品壽命預(yù)期。這反映了一種思想即把系統(tǒng)產(chǎn)品的故障盡可能早的暴露出來，有利于增加產(chǎn)品的壽命以及產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。

2 故障變化趨勢的機理

對比了國外同類慣性產(chǎn)品的一些可靠性數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)慣性元器件（陀螺、加計）的故障是影響慣性產(chǎn)品性能以及可靠性的最主要原因。以Honeywell激光慣性系統(tǒng)產(chǎn)品（RLG-GG1342）數(shù)據(jù)為例，其中激光陀螺的每百萬小時的失效次數(shù)為2.7，陀螺通道（包括：陀螺、驅(qū)動模塊、電子模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換、HV供電模塊）百萬小時失效次數(shù)達4.2。加計通道百萬小時總失效次數(shù)達2.6，電源、處理器及電子線路模塊百萬小時總失效次數(shù)達5.2。

3 改善生產(chǎn)效能及系統(tǒng)可靠性途徑的思考

3.1 主動因素提高某型慣導(dǎo)系統(tǒng)可靠性預(yù)期

主動因素是指，從故障原因與機理出發(fā)，所尋找、定位到的引起故障模式變化的產(chǎn)品部件、工藝與流程等影響因素。

通過對國內(nèi)外相關(guān)系統(tǒng)產(chǎn)品以及組件的可靠性統(tǒng)計對比和分析，通常認(rèn)為主要影響因素取決于陀螺與加計等慣性器件等相關(guān)組件上。而電子線路、電源部分可靠性通常較高。具有高可靠性的產(chǎn)品，應(yīng)當(dāng)具有長壽命周期估計。并且從故障模式來看慣性器件和線路板相關(guān)故障占了相當(dāng)比例。從有關(guān)數(shù)據(jù)分析來看，某年系統(tǒng)故障原因中線路板原因引起的占了大部分，約50%。該故障原因主要是線路板的元器件裝配前早期篩選剔除力度不夠，元器件批次問題較多所引起。而通過對比發(fā)現(xiàn)，在前一年度的故障原因中，陀螺故障、加計故障所占比重較大，但兩年占比相對持平，原因為陀螺、加計經(jīng)過數(shù)年的使用驗證，迭代改進，優(yōu)化設(shè)計，工藝相對穩(wěn)定，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定可靠，故障率基本出于穩(wěn)定狀態(tài)。在生產(chǎn)線調(diào)試與驗收工藝流程基本無變化的前提下，導(dǎo)致故障部件發(fā)生元器件部位與故障發(fā)生時間的概率分布之間的相關(guān)性，也值得關(guān)注。

仍需進一步研究關(guān)注，加計與陀螺在前期的制造或篩選過程（如：老化試驗時常與周期、振動強度、磁場強度等）中，若生產(chǎn)與工藝環(huán)境發(fā)生變化時，可能導(dǎo)致產(chǎn)品出現(xiàn)批次質(zhì)量問題。從而盡可能具體的找到關(guān)聯(lián)性，進而采取改進性策略以到達我們所期望的產(chǎn)品性能以及可靠性預(yù)期。

定位主動因素提高產(chǎn)品可靠性，主要通過故障定位，針對性對產(chǎn)品的工藝制造過程進行嚴(yán)格控制，主要從人、機、料、法、環(huán)、測等方面加強管控，但通常情況下，產(chǎn)品的工藝制造過程是個比較龐大復(fù)雜的系統(tǒng)，工藝制造過程中存在影響產(chǎn)品質(zhì)量的確定性因素和不確定性因素，不確定性因素難以識別和控制，隨著工業(yè)制造工藝水平提高、工業(yè)自動化智能化的發(fā)展，通過對工藝制造過程的自動化智能化的深度改造，將大多數(shù)難以識別和不可控制的不確定性因素交由機器完成，替代人為操作的傳統(tǒng)工藝制造過程，將不確定性因素轉(zhuǎn)化為可控狀態(tài)，從而有效提升產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性。

定位主動因素提高產(chǎn)品可靠性的一個比較有效方法為HALT試驗、可靠性加速試驗、HASS試驗。

HALT試驗：依據(jù)某型慣導(dǎo)的產(chǎn)品特點和用戶使用環(huán)境要求，使受試產(chǎn)品承受不同的步進應(yīng)力，進而發(fā)現(xiàn)設(shè)計極限，以及潛在薄弱環(huán)節(jié)的試驗方法。用于產(chǎn)品研制階段，快速尋找產(chǎn)品設(shè)計、工藝等缺陷，改善產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性，提升可靠性。

可靠性加速試驗：在可靠性強化試驗的基礎(chǔ)上加嚴(yán)試驗條件的試驗方法。

HASS試驗：根據(jù)產(chǎn)品可靠性強化試驗結(jié)果，對產(chǎn)品施加規(guī)定的振動及溫度綜合應(yīng)力，快速鑒別和剔除由產(chǎn)品工藝和元器件引起的早期故障的一種工序和方法。用于產(chǎn)品交付階段的篩選試驗， HASS的篩選效率高于傳統(tǒng)ESS的篩選效率，快速、高效激發(fā)產(chǎn)品的早期缺陷。

通過HALT，不僅可使產(chǎn)品的故障率降低到接近于零的水平，同時還可將產(chǎn)品出現(xiàn)耗損的時間大大向后推遲，使產(chǎn)品的壽命大大提高。3種研制生產(chǎn)方式得到的產(chǎn)品浴盆曲線及有關(guān)參數(shù)比較如圖2所示。其中，曲線A是不進行環(huán)境適應(yīng)性研制試驗、可靠性增長試驗和環(huán)境應(yīng)力篩選得到的產(chǎn)品浴盆曲線；曲線B是進行過傳統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性、可靠性增長試驗和環(huán)境應(yīng)力篩選得到的產(chǎn)品浴盆曲線；曲線C是應(yīng)用HALT和高加速應(yīng)力篩選（HASS）技術(shù)得到的產(chǎn)品浴盆曲線。

從這3條曲線中，明顯看出早期故障、偶然故障和耗損故障3個階段。對圖2分析可得3個方面的區(qū)別，第一個區(qū)別是浴盆底的高度λ不同，這一高度代表了產(chǎn)品的可靠性，高度越低，產(chǎn)品的可靠性越高，進行過HALT試驗的產(chǎn)品浴盆曲線的高度λc接近于零，表明使用中幾乎不出現(xiàn)故障。第二個區(qū)別是早期故障期的時間（t1）不同。經(jīng)過HASS的產(chǎn)品早期故障期t1C最短。第三個區(qū)別是浴盆曲線底部的長度（t2）不同。通過HALT試驗后產(chǎn)品的偶然故障期長度（t2C）大大加長，表明耗損期時間（t1+t2）向后推遲，即產(chǎn)品的壽命大大延長。從圖5可明顯看出，HALT試驗既可提高產(chǎn)品的可靠性，又可延長產(chǎn)品的壽命。

定位主動因素以提高產(chǎn)品可靠性，不僅需要考察相應(yīng)工藝流程文件要求，更重要是協(xié)同具體實施技術(shù)人員，更多的從細(xì)節(jié)出發(fā)關(guān)注流程中可能引起的目標(biāo)變化誘因，并通過數(shù)據(jù)比對和試驗對照，最后定位原因，找到改進措施，充分驗證，舉一反三持續(xù)推廣。

3.2 被動因素改善慣性產(chǎn)品系統(tǒng)可靠性預(yù)期

3.2.1 多余度設(shè)計

在產(chǎn)品各部件性能與產(chǎn)量均處在一個穩(wěn)定值的前提下時，增加系統(tǒng)產(chǎn)品的可靠性，另外一個重要途徑是提高產(chǎn)品或部件的容錯能力（Fault Tolerance）。而提高產(chǎn)品容錯能力的一個重要途徑就是在設(shè)計產(chǎn)品構(gòu)架的過程中，增加余度的設(shè)計。而根據(jù)慣導(dǎo)產(chǎn)品以及航電總體的特點，余度設(shè)計可以在三個層面實現(xiàn)：

（1）慣導(dǎo)系統(tǒng)級余度設(shè)計

指的是由兩套或以上慣導(dǎo)系統(tǒng)通過航電總線聯(lián)接構(gòu)成余度慣性系統(tǒng)。此種設(shè)計已經(jīng)實現(xiàn)了應(yīng)用。在一套慣導(dǎo)失效的情況下，另一臺慣導(dǎo)仍然可以繼續(xù)為飛機提供正常的慣性數(shù)據(jù)。

假設(shè)單套慣導(dǎo)產(chǎn)品系統(tǒng)，可靠性為R（t）=e-λt在產(chǎn)品穩(wěn)定運行階段具有固定故障率λ，如果單套產(chǎn)品的可靠性為Rd

則具有雙余度設(shè)計的系統(tǒng)可靠性為：

R1=1.0-（1.0-Rd）2=Rd2+2Rd（1-Rd）

此種方案的優(yōu)點是便于實現(xiàn)，但缺點顯而易見，即雖然整體上采用部件增倍，仍不能達到部件級的容錯組合方案，計算后可以比較可靠性值低于部件級和器件級的余度組合。與此同時，對于故障率較低的電子機箱部分也投入雙倍的余度設(shè)計，無疑在效果不顯著的前提下過多的增加了成本。

（2）慣導(dǎo)系統(tǒng)部件級余度設(shè)計

這里所討論的部件級余度設(shè)計，主要是指慣性平臺組件。該組合方案與上述方案（1）相比在可靠性接近的情況下，減少一倍電子線路部分的投入，具有比較優(yōu)勢，假設(shè)單個平臺組件的可靠性為R平、機箱電子線路部分可靠性為R電，則雙平臺組件的慣導(dǎo)系統(tǒng)構(gòu)架可靠性為：

R2=（R平2+2R平（1-R平））*R電

（3）慣導(dǎo)系統(tǒng)器件級余度設(shè)計

通常而言，慣性平臺包括2個撓性陀螺，敏感4個軸角速率（空余1個自由度）。3個加計敏感空間3軸速度。對于此傳統(tǒng)設(shè)計，當(dāng)其中任一傳感器件失效，將直接導(dǎo)致平臺組件故障。從生產(chǎn)線的實際數(shù)據(jù)分析可以得到，更換加計和陀螺的維修占了故障比例的大部分。因此考慮增加慣性器件的余度，成為提高慣性系統(tǒng)可靠性的有效手段。

基于4陀螺6加計的慣導(dǎo)系統(tǒng)余度構(gòu)架方案，4個陀螺事實上構(gòu)成了空間8個軸角速率敏感余度，但由于空余了2個自由度，有效余度為6個。同時6個加計也提供了6個加計余度。

根據(jù)4陀螺通道6加計通道余度構(gòu)架設(shè)計，可以得出慣導(dǎo)系統(tǒng)總體可靠性：

R3=R4g*R6a*Re*Rp

其中R4g為4個陀螺通道的可靠性

R6a為6個加計通道的可靠性

Re為電子線路部分的可靠性

Rp為電源部分的可靠性

且有R4g=Rg4+4Rg3（1-Rg）+6Rg2（1-Rg）2

R6a=Ra6+6Ra5（1-Ra）+15Ra4（1-Ra）2+12Ra3（1-Ra）3+3Ra2（1-Ra）4

慣導(dǎo)系統(tǒng)器件級余度構(gòu)設(shè)計架可以達到高可靠性的同時，減少了慣性平臺和電子線路部分的重復(fù)，有效的控制了成本。

3.2.2 再制造（Remanufacturing）與重用（Reuse）

當(dāng)今慣性技術(shù)發(fā)展十分迅速，某型慣導(dǎo)的產(chǎn)品可靠性和精度不斷提高。相對于傳統(tǒng)航電產(chǎn)品壽命周期設(shè)計通常較長（如20年～30年），而在如此長時間跨度的周期內(nèi)，設(shè)計初期較為先進的技術(shù)往往在實際使用階段已經(jīng)滯后于技術(shù)的進步。

而“再制造”技術(shù)指的是為使處于生命周期末端（失效）的產(chǎn)品或部件恢復(fù)到正常效能水平，甚至更高效能水平，對產(chǎn)品采取一系列的措施和處理流程。例如將目前先進的激光、光纖捷聯(lián)慣導(dǎo)替代老型號產(chǎn)品，就為再制造模式提供了很好的基礎(chǔ)。在老型號產(chǎn)品接近服役周期末端時，使用先進技術(shù)使老產(chǎn)品達到性能最優(yōu)。然而此處所指出的“再制造與重用”概念和目前的光纖捷聯(lián)慣導(dǎo)替代項目又有所不同。

再制造技術(shù)是一種全新的商業(yè)產(chǎn)品模式。在這種模式下，設(shè)備提供商不再提供某一具體型號產(chǎn)品，而是提供客戶滿足某種需求的服務(wù)。這種商業(yè)模式目前在歐美工業(yè)界做出了多種嘗試，并且為設(shè)備制造商提供了利益的最大化。更為有意義的是，這種模式下，制造商節(jié)約了制造產(chǎn)品所需要的大量原料和能源，是對自然環(huán)境更加有利的模式。

參考文獻

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[2]Thierry， M.， Salomon， M.， Van Nunen， J. and Van Wassenhove， L. Strategic issues in product recovery management. California Manage. Rev.， 1995.

[3]Lund， R. T“The Remanufacturing Industry： Hidden Giant.” Boston， MA， Boston University， 1996.

作者簡介：孟寶林（1981-），男，漢族，陜西西安人，學(xué)位：學(xué)士，職位：工程師，主要研究領(lǐng)域為工業(yè)自動化、測量與控制，航空慣導(dǎo)研發(fā)制造。

張博（1984-），男，陜西西安人，漢族，碩士，工程師，研究方向：航空慣導(dǎo)系統(tǒng)綜合設(shè)計。