以可靠性為中心的維修分析在裝備壽命周期內的應用

0 引言

隨著裝備功能要求逐步提高，裝備構成日趨復雜，裝備暴露出的質量問題也日益突出。因此，“裝備質量”的概念被逐步認識和接受，而影響裝備質量的可靠性設計和維修性設計逐步得到重視，并逐步同步融入裝備功能設計中。伴隨著對可靠性和維修性與裝備質量關系的深入研究，可靠性和維修性理論經歷了認識—發展—成熟階段，目前已形成可靠性工程和維修性工程學科。

裝備質量[1]一般包括功能特性和保障特性，功能特性主要表現為裝備在執行任務期間在所給定的條件下達到任務目標能力的度量即裝備固有能力；保障特性表現為通過保障特性使裝備的固有能力有效發揮作用。功能特性一般通過設計手段實現；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、運輸性和保障要素等，其作用是保障裝備的功能特性持續發揮作用。根據保障特性的特點，在裝備壽命周期內過度的保障活動將造成裝備早期故障隱患、保障費用高、保障困難等問題。因此，開展適度的維修活動對有效保障裝備質量的功能特性、降低維修保障費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展歷程可以看出，由于裝備構成日趨復雜，使用環境日益嚴酷，財力與人力資源受到嚴格限制和挑戰，導致人們在觀念上產生了變化，從單純地追求技術性能指標，轉變為追求以壽命周期費用[2]體現出來的綜合目標，要求在系統的效能和費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，一類是修復性維修，另一類是預防性維修。修復性維修是指裝備發生故障后及時發現故障，確定故障部位和更換故障部件。預防性維修是指在故障發生之前，通過適用的維修工作模式發現裝備潛在故障，并對可能發生故障的裝備提前采取維修措施，以預防故障發生[3]。以可靠性為中心的維修策略是預防性維修的近代發展。以可靠性為中心的維修分析（RCMA）是以可靠性技術為基礎，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的預防性維修策略，指導預防性維修話動。

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，應用邏輯決斷的方法確定裝備預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上，以維修的適用性、有效性和經濟性為決斷準則，進而確定科學合理的維修決策。維修基本原理如下。

1）裝備的固有可靠性和安全性是設計制造賦予的特性，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，應當采取不同的對策。

3）裝備的故障規律是不同的，應采取不同方式開展維修工作。有損耗性故障規律的裝備適宜定時拆修或更換，以預防功能故障或引發多重故障。對無損耗性故障規律的裝備進行定時拆修或更換是有害無益的，適于檢查、監控等視情維修。

4）不同的裝備，其消耗的資源、費用、難度和深度是不同的，應采用不同的預防性維修工作類型，從而在保證可靠性和安全性的前提下，節省維修資源與費用。

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防性維修要求和策略，以最少的維修資源消耗達到如下目標：

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能將其恢復到固有水平；

3）對固有可靠性水平不能滿足要求的部件，為其改進設計提供信息。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為基礎，通過開展信息綜合、分析、判斷、計算、歸納和總結等活動，形成裝備的維修要求、維修策略和維修大綱，以指導裝備在全壽命周期內的維修工作。以可靠性為中心的維修分析流程如圖1所示。

1.3.1 數據信息收集

數據信息收集工作是開展以可靠性為中心的維修分析的基礎，準確和完善的數據匯總有助于制定正確的維修策略。數據信息收集應注重如下方面：

1）裝備使用方對維修的要求；

2）裝備用途、組成、功能、設計特點和試驗數據；

3）裝備可靠性預計[4]結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驗；

5）裝備維修方法和所需的人力、設備、工具及備件等維修保障信息；

6）裝備研制費用、預防性維修和修復性維修的費用以及所需保障設備研制和維修的費用等信息。

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、次層為設備，以下依次為分機、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成，明確裝備中設備和分機等之間的隸屬關系，明晰后續分析工作路徑。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）報告中形成的功能組成層次圖和標識碼。

1.3.3 確定重要功能產品

重要功能產品（FSL）的確定采用從上而下直至某一層次產品的故障后果不嚴重時為止。如果某一產品被確定為重要功能產品，則應繼續判定其下一層次的產品是否為重要功能產品。此過程應一直進行，直至非重要功能部件或可在裝備上直接更換或修復的最低層上的單元為止。重要功能產品是指其故障影響符合下列條件之一的產品：

1）可能影響裝備安全；

2）可能影響裝備任務完成；

3）可能造成重大經濟損失。

1.3.4 確定重要功能產品故障模式

重要功能產品的故障模式直接采用裝備FMECA分析報告的結果，確定每個重要功能產品的功能故障、故障模式和故障原因。采用裝備FMECA分析結論確定裝備重要功能產品的故障模式是以可靠性為中心的維修分析的突出特點，保證了裝備質量的功能特性和保障特性的一致性和真實性，真實反映了裝備質量水平。

1.3.5 邏輯決斷分析

邏輯決斷分析是通過對重要功能產品的故障影響類型和對應故障影響類型需采用的預防性維修工作的分析，以選擇適用而有效的預防性維修工作類型。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品故障影響類型和預防性維修工作類型。

1）維修工作類型

根據國軍標GJB1378A[6]規定，裝備預防性維修工作類型包括保養、操作人員監控、使用檢查、功能檢測、定時拆卸、定時報廢和綜合工作7種（相關文獻劃分為定期維修、視情維修和修復維修[7]）。預防性維修工作類型內容及時機控制原則如下。

● 保養：為保持裝備固有設計性能而進行的表面清洗、擦拭、通風和添加油液等。

● 操作人員監控：操作人員在正常使用裝備時通過感官對其狀態進行監控，其目的是發現裝備的潛在故障。

● 使用檢查：按計劃進行的定性檢查（或觀察），以確定裝備能否執行規定功能，目的是及時發現隱蔽功能故障。

● 功能檢測：按計劃進行的定量檢查，以確定裝備功能參數是否在規定限度內，目的是發現潛在故障，以預防潛在功能故障。

● 定時拆卸：裝備使用到規定的時間予以拆修，使其恢復到規定的狀態，該類型的工作可能帶來早期故障，但可以預防那些不拆開難以發現和預防的故障后果。

● 定時報廢：裝備使用到規定的時間予以報廢，該類工作的資源消耗較大。

● 綜合工作：實施上述兩種或兩種以上的預防性維修工作。

2）第一層次分析

第一層次對重要功能產品的故障影響類型進行分析，明確該故障影響類型屬于明顯安全性、任務性、經濟性還是隱蔽安全性、任務性、經濟性，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境產生直接的不利影響；任務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完成；經濟性影響是指某功能故障不具有安全性影響和任務性影響，但會增加裝備的使用或保障人力、物力或其他資源或維修費用而影響經濟利益。

3）第二層次分析

第二層次分析的目的是針對裝備每項故障影響類型選擇相應預防性維修工作類型和決定裝備是否必須開展設計更改活動，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，確定各項維修工作類型是否適應裝備對應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計更改活動。

1.3.6 預防性維修工作間隔期的確定

對于有安全性和任務性影響后果的故障，如果預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能力；如果過短，則不經濟。對于有經濟性影響后果的故障，預防性維修工作間隔過長或過短都會影響經濟性。因此，恰當地確定預防性維修工作間隔期是很重要的。預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期間內故障發生概率的可接受值（Pac）越大，T期間要檢查的次數（n）越多，檢查間隔期（Tc）越短。

1.3.7 小結

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品分析，確定了重要功能產品及其故障模式；通過開展邏輯決斷分析，確定了重要功能產品的故障影響類型和預防性維修工作類型；通過開展預防性維修工作間隔期的分析和計算工作，明確了使用檢查和功能檢測工作類型的預防性維修工作間隔期。通過開展維修分析活動，積累了裝備預防性維修數據信息，為裝備預防性維修策略和預防性維修大綱的形成奠定基礎。

1.4 定義

1）隱蔽故障模式[10]：故障已經發生，但尚未影響裝備的功能；

2）潛在故障模式：故障尚未發生，但裝備故障即將出現；

3）功能故障狀態：裝備不能履行其期望功能的狀態；

4）適用性：該類維修工作類型與裝備的固有可靠性相適應，且能預防其功能故障；

5）有效性：對維修工作效果的衡量，它應能有效消除裝備各種功能故障的影響；

6）可用度：對于給定的一個隨機時間t，在t時刻裝備處于可用狀態的概率。

2 維修分析方法的應用

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、產生不同的分析結果，最終目的是確定裝備適用而有效的預防性維修要求和策略，以最少的維修資源消耗達到以下目標：

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，以及安全性下降時能將其恢復到固有水平；

3）對固有可靠性水平不能滿足要求的部件，為其改進設計提供信息。

2.1 論證階段

論證階段應提出減少裝備維修或便于裝備維修的技術要求。本階段的主要工作是根據裝備預定裝備預防性維修工作間隔及維修級別等，確定以可靠性為中心的維修分析準則。

2.2 方案階段

方案階段開始進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、設計特點，收集同類產品的維修和使用經驗數據，同步開展維修性設計并明確裝備保障需求。以裝備可靠性指標和分析結論、維修性指標和裝備組成圖為基礎，按照以可靠性為中心的維修分析方法，確定重要功能產品及其故障類型和預防性維修工作類型，初步明確預防性維修工作間隔期，最終形成初始的預防性維修大綱。該階段裝備的故障類型應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據而確定。

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裝備實際組成圖和可靠性分析結論，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品及其故障影響類型、預防性維修工作類型和預防性維修間隔期的分析與確定工作，最終形成預防性維修大綱。該階段裝備的故障類型應通過故障模式、影響及危害度分析獲取裝備的真實數據，該階段獲取的預防性維修工作間隔期有待于通過生產和使用階段進行完善。在維修分析過程中，針對安全性、任務性影響模式及無適用的維修方式要求開展改進設計。

2.4 生產和使用階段

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

3 結束語

據統計，在朝鮮戰爭中，美國的軍用通信、聲吶和雷達設備的停機時間分別是工作時間的16%、1.08倍和5.25倍，軍用裝備的維修性已經成為一個異常突出的緊迫問題。20世紀50年代，美國DC-10飛機按照傳統的維修方針，定期翻修項目有339個，隨著以可靠性為中心的維修分析技術的應用，339個定期翻修項目減少到7個，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，而且節約了大量費用。

以可靠性為中心的維修分析是貫穿裝備整個壽命周期的一項維修活動，是對裝備壽命周期內各階段故障發生原因、故障影響及維修活動數據的積累和完善。以可靠性為中心的維修分析，重點強調在裝備壽命周期內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，以持續保持裝備質量、降低維修成本和維修難度。因此，為全面、持續保障裝備質量，在裝備研制、生產及列裝的各個階段，開展以可靠性為中心的維修分析活動是非常必要的。

參考文獻

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[10] GJB 451-90 可靠性、維修性名詞術語[S].

作者簡介

王文智，高級工程師，主要從事機載計算機維修保障技術、質量管理、科研管理工作。