某型慣導生產過程的可靠性提升研究

孟寶林++張博

摘 要：某型慣導產品生產過程統計分析研究發現先期故障率上升的前提下，產品獲得了更長的產品壽命預期，并試圖基于此現象尋求產品效能與可靠性的改善途徑。另討論了慣導產品主動因素改進、多元器件的余度設計、再制造與重用對產品系統可靠性提升分析。

關鍵詞：慣性產品；可靠性；余度設計；再制造與重用

某型慣導產品生產線在1月～12月的生產周期平均單套產品故障率系數為0.17。與此相比前一年同期故障率系數為0.09。通過比較不難發現當年在產量上升的情況下故障次數也同時上升。而導致這種結果的因素值得分析研究，并試圖尋求有效改進的途徑，以提高生產的可靠性與穩定性，達到高的生產效率。某種意義上，在故障總數無法持續降低的前提下，故障發生于生產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

某型慣導生產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數據統計來看，前一年故障發生在前端的概率為P前=0.05，發生于后端的概率P后為0.04，而當年全年產品故障多發生于工藝流程的前端（篩選階段），故障發生在流程前端的概率上升為P前=0.13，發生于后端的概率持平為P后=0.04。

1.1 時間優勢

對于單套慣導系統而言，生產周期T應該包括兩部分：正常調試周期∑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為故障問題發生點。

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

1.2 成本優勢

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

1.3 可靠性優勢

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

R（t）=e-λt

MTBF=1/λ

該故障率求解公式簡便的體現出了函數關系，因而對于求解相關問題十分有效。用此函數關系可以比較出慣導生產線今年故障發生趨勢的變化，以及這種變化趨勢產生的影響。

設上圖1中黑色曲線為統計當年平臺故障率λ隨壽命時間t變化的函數，即“浴盆曲線”，而浴盆曲線底部可以近似為指數分布處理，而指數分布底部平滑區間，則認為是產品平均壽命周期估計。假設與之對應的可靠性函數R（t）=e-λt。紅色虛線為前一年度故障率λ'函數。根據實際生產數據可知R'（t）與y軸的截距小于R（t）與y軸的截距，因此R'（t）函數事實上沿x軸做了平移。此時有：

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

2 故障變化趨勢的機理

對比了國外同類慣性產品的一些可靠性數據，發現慣性元器件（陀螺、加計）的故障是影響慣性產品性能以及可靠性的最主要原因。以Honeywell激光慣性系統產品（RLG-GG1342）數據為例，其中激光陀螺的每百萬小時的失效次數為2.7，陀螺通道（包括：陀螺、驅動模塊、電子模塊、數模轉換、HV供電模塊）百萬小時失效次數達4.2。加計通道百萬小時總失效次數達2.6，電源、處理器及電子線路模塊百萬小時總失效次數達5.2。

3 改善生產效能及系統可靠性途徑的思考

3.1 主動因素提高某型慣導系統可靠性預期

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

通過對國內外相關系統產品以及組件的可靠性統計對比和分析，通常認為主要影響因素取決于陀螺與加計等慣性器件等相關組件上。而電子線路、電源部分可靠性通常較高。具有高可靠性的產品，應當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故障占了相當比例。從有關數據分析來看，某年系統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。而通過對比發現，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、加計經過數年的使用驗證，迭代改進，優化設計，工藝相對穩定，產品質量穩定可靠，故障率基本出于穩定狀態。在生產線調試與驗收工藝流程基本無變化的前提下，導致故障部件發生元器件部位與故障發生時間的概率分布之間的相關性，也值得關注。

仍需進一步研究關注，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，若生產與工藝環境發生變化時，可能導致產品出現批次質量問題。從而盡可能具體的找到關聯性，進而采取改進性策略以到達我們所期望的產品性能以及可靠性預期。

定位主動因素提高產品可靠性，主要通過故障定位，針對性對產品的工藝制造過程進行嚴格控制，主要從人、機、料、法、環、測等方面加強管控，但通常情況下，產品的工藝制造過程是個比較龐大復雜的系統，工藝制造過程中存在影響產品質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，隨著工業制造工藝水平提高、工業自動化智能化的發展，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工藝制造過程，將不確定性因素轉化為可控狀態，從而有效提升產品質量和可靠性。

定位主動因素提高產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：依據某型慣導的產品特點和用戶使用環境要求，使受試產品承受不同的步進應力，進而發現設計極限，以及潛在薄弱環節的試驗方法。用于產品研制階段，快速尋找產品設計、工藝等缺陷，改善產品的環境適應性，提升可靠性。

可靠性加速試驗：在可靠性強化試驗的基礎上加嚴試驗條件的試驗方法。

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

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

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個方面的區別，第一個區別是浴盆底的高度λ不同，這一高度代表了產品的可靠性，高度越低，產品的可靠性越高，進行過HALT試驗的產品浴盆曲線的高度λc接近于零，表明使用中幾乎不出現故障。第二個區別是早期故障期的時間（t1）不同。經過HASS的產品早期故障期t1C最短。第三個區別是浴盆曲線底部的長度（t2）不同。通過HALT試驗后產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，即產品的壽命大大延長。從圖5可明顯看出，HALT試驗既可提高產品的可靠性，又可延長產品的壽命。

定位主動因素以提高產品可靠性，不僅需要考察相應工藝流程文件要求，更重要是協同具體實施技術人員，更多的從細節出發關注流程中可能引起的目標變化誘因，并通過數據比對和試驗對照，最后定位原因，找到改進措施，充分驗證，舉一反三持續推廣。

3.2 被動因素改善慣性產品系統可靠性預期

3.2.1 多余度設計

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

（1）慣導系統級余度設計

指的是由兩套或以上慣導系統通過航電總線聯接構成余度慣性系統。此種設計已經實現了應用。在一套慣導失效的情況下，另一臺慣導仍然可以繼續為飛機提供正常的慣性數據。

假設單套慣導產品系統，可靠性為R（t）=e-λt在產品穩定運行階段具有固定故障率λ，如果單套產品的可靠性為Rd

則具有雙余度設計的系統可靠性為：

R1=1.0-（1.0-Rd）2=Rd2+2Rd（1-Rd）

此種方案的優點是便于實現，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計，無疑在效果不顯著的前提下過多的增加了成本。

（2）慣導系統部件級余度設計

這里所討論的部件級余度設計，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，具有比較優勢，假設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系統構架可靠性為：

R2=（R平2+2R平（1-R平））*R電

（3）慣導系統器件級余度設計

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。對于此傳統設計，當其中任一傳感器件失效，將直接導致平臺組件故障。從生產線的實際數據分析可以得到，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，成為提高慣性系統可靠性的有效手段。

基于4陀螺6加計的慣導系統余度構架方案，4個陀螺事實上構成了空間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4陀螺通道6加計通道余度構架設計，可以得出慣導系統總體可靠性：

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

慣導系統器件級余度構設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，有效的控制了成本。

3.2.2 再制造（Remanufacturing）與重用（Reuse）

當今慣性技術發展十分迅速，某型慣導的產品可靠性和精度不斷提高。相對于傳統航電產品壽命周期設計通常較長（如20年～30年），而在如此長時間跨度的周期內，設計初期較為先進的技術往往在實際使用階段已經滯后于技術的進步。

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

再制造技術是一種全新的商業產品模式。在這種模式下，設備提供商不再提供某一具體型號產品，而是提供客戶滿足某種需求的服務。這種商業模式目前在歐美工業界做出了多種嘗試，并且為設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，制造商節約了制造產品所需要的大量原料和能源，是對自然環境更加有利的模式。

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，學位：學士，職位：工程師，主要研究領域為工業自動化、測量與控制，航空慣導研發制造。

張博（1984-），男，陜西西安人，漢族，碩士，工程師，研究方向：航空慣導系統綜合設計。