某船用裝備的維修性設(shè)計分析與試驗驗證

郝雅靜 李斌斌

摘??要：維修性是裝備重要的通用質(zhì)量特性之一，良好的維修性既可提高裝備的戰(zhàn)備完好性和任務(wù)成功性，也能有效降低裝備的壽命周期費用。該文基于裝備維修性相關(guān)標準要求，對某船用裝備的維修性進行設(shè)計，并對其進行了FMECA和RCMA分析。結(jié)合船員級可維修更換作業(yè)實操情況，進行裝備維修性試驗驗證。該裝備的定性、定量試驗評定結(jié)果表明該設(shè)計滿足裝備的維修性要求。

關(guān)鍵詞：船用裝備??維修性設(shè)計??維修性驗證??維修性工作

中圖分類號：U674.707????????????????文獻標識碼：A

Design?Analysis?and?Test?Verification?of?the?Maintainability?of?a?Certain?Marine?Equipment

HAO?Yajing??Li?Binbin

（The?718th?Research?Institute?of?CSSC，?Handan，?Hebei?Province，056027?China）

Abstract：?Maintainability?is?one?of?the?important?general?quality?characteristics?of?equipment.?Good?Maintainability?can?not?only?improve?the?combat?readiness?and?mission?success?of?equipment，?but?also?effectively?reduce?the?life?cycle?cost?of?equipment.?Based?on?the?requirements?of?the?standards?related?to?the?maintainability?of?equipment，?this?paper?designs?the?maintainability?of?a?certain?marine?equipment，?and?performs?FMECA?and?RCMA?analysis?to?it.?Combined?with?the?practical?operation?of?the?crew-level?repairable?replacement?operation，?the?test?verification?of?the?maintainability?of?equipment?is?carried?out.?The?results?of?qualitative?and?quantitative?test?evaluation?of?the?equipment?show?that?the?design?meets?the?maintainability?requirements?of?the?equipment.

Key?Words：?Marine?equipment;?Maintainability?design;?Maintainability?verification;?Maintainability?work

裝備的通用質(zhì)量特性包括可靠性、維修性、保障性、測試性、安全性和環(huán)境適應(yīng)性，簡稱“六性”。裝備的“六性”要求現(xiàn)已成為與裝備性能指標同等重要的設(shè)計要求[1]。其中，維修性是指產(chǎn)品（裝備）在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)，按規(guī)定的程序和方法進行維修時，保持或恢復(fù)到規(guī)定狀態(tài)的能力[2-3]。提高裝備的維修性會帶來裝備工作效能的提升，并節(jié)省裝備全壽命周期費用。

船舶的整體維修性是各種船用裝備維修性的綜合反映，主要裝備的維修性直接影響船舶的整體維修性。在船舶設(shè)計制造初期，就應(yīng)綜合考慮船用裝備的維修性，基于船舶總體分配的維修性指標要求，開展裝備的維修性設(shè)計、分析和試驗驗證，以切實提高裝備乃至船舶整體的維修性[4-5]。

1??維修性要求

維修性要求通常分為定性要求和指標要求。

1.1??定性要求

根據(jù)船舶總體的要求，船用裝備的維修性定性要求可分解為以下幾個方面[6]。

（1）簡化設(shè)計與維修要求：盡可能簡化產(chǎn)品功能，采用簡單的結(jié)構(gòu)和外形，盡量減少零部件的品種和數(shù)量，簡化使用與維修工作。

（2）標準化和互換性設(shè)計：盡量提高裝備設(shè)計的標準化和互換性，貫徹系列化、通用化、模塊化的設(shè)計理念，以便簡化維修過程。

（3）維修可達性設(shè)計：裝備的結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)具有良好的可達性，保證裝備維修時能夠方便地接近需維修的零部件，設(shè)計時應(yīng)充分考慮人機工程要求。

（4）防差錯設(shè)計：設(shè)置完善的標識標記，防止操作和維修的人為錯誤。

（5）檢測診斷設(shè)計：電氣控制系統(tǒng)和軟件的設(shè)計應(yīng)具備良好的測試性，確保裝備發(fā)生故障時能夠及時、準確、快速地監(jiān)測、報警和隔離。

（6）人、機、環(huán)工程設(shè)計：充分考慮并保證維修人員維修作業(yè)姿態(tài)、空間和環(huán)境條件，提供合適的維修工具或采用通用工具，提高維修工作質(zhì)量。

（7）維修安全性設(shè)計：嚴格按照相關(guān)規(guī)范進行設(shè)計，設(shè)置適當(dāng)?shù)姆雷o措施，充分分析并排除裝備可能存在的維修安全隱患，采取有效措施避免安全隱患發(fā)生。

（8）維修保障性設(shè)計：裝備隨機提供充足的備件，并為使用方提供有力的技術(shù)支撐，提高裝備和船員在船舶整個壽命周期內(nèi)的維修保障能力。

1.2??維修性指標

某船用裝備（以下簡稱裝備）選用平均修復(fù)時間（Mran?Time?To?Repair，?MTTR）作為維修性指標，船用裝備的維修性指標MTTR一般定位于船員級，裝備的維修性指標為MTTR≤2?h（船員級）。

2??維修性分析

2.1??維修性任務(wù)初步分析

基于故障模式影響及危害性分析（Failure?Mode，Effects?and?Criticality?Analysis，?FMECA），對裝備各子系統(tǒng)及零部件進行層次劃分，獲得裝備最低約定層次，即裝備最小組成單元、元器件，共計15項。通過生成裝備故障的FMECA分析表，初步分析裝備全部故障模式計90項，逐項進行故障原因、故障影響、故障檢測方法、故障補償措施的分析，并對各項故障進行嚴酷度等級和發(fā)生概率進行分級。

基于以可靠性為中心的維修分析（Reliability?Centered?Maintenance?Analysis，RCMA），對裝備各故障模式及原因逐項分析，明確相應(yīng)的故障現(xiàn)象和維修工作內(nèi)容。故障現(xiàn)象用于船員辨別故障單元、元器件及故障原因。維修工作內(nèi)容包含維修類型、維修工作、維修間隔期，維修類型主要分為維護保養(yǎng)、定期檢修；維修工作為針對性的維修措施。根據(jù)維修工作內(nèi)容和維修間隔期，可明確裝備的預(yù)防性維修、保養(yǎng)工作、定期檢修、故障性檢修等工作內(nèi)容。

2.2??裝備壽命剖面和任務(wù)剖面

結(jié)合裝備整個壽命期的使用情況，劃分裝備的壽命剖面和任務(wù)剖面，如圖1所示。

2.3??維修等級劃分

根據(jù)裝備在壽命期后勤階段和使用階段的裝備狀態(tài)，結(jié)合FMECA分析和RCMA分析結(jié)果，針對裝備的全部故障模式逐項分析，進一步明確相應(yīng)維修工作的維修等級、維修空間、維修所需時間、維修所需工具等信息。其中，維修等級按維修工作的復(fù)雜及難易程度由高及低分為基地級、中繼級、船員級。基地級維修一般為大修，需在基地或船廠完成；二級維修一般需要較高維修能力的團隊和充足的器材支持才能完成；船員級維修一般由船員即可實施，主要包括裝備狀態(tài)檢查、利用隨機備件進行易損壞元器件更換等。經(jīng)分析，裝備全部故障模式和維修工作的維修等級劃分見表1所示。

根據(jù)各項維修工作內(nèi)容，可分析獲得裝備船員級維修可更換器材，共計16項，其中10項可作為裝備的隨機備件，另外6項為密封墊、密封圈，密封材質(zhì)均有使用壽命，故無須作為裝備的隨機備件。

3??維修性設(shè)計

為了保障裝備維修性的一般要求和指標要求，在設(shè)計階段，應(yīng)充分考慮裝備的設(shè)計準則和主要內(nèi)容[7]。根據(jù)裝備的RCMA分析結(jié)果，可明確裝備各面（除底面）均為維修面，結(jié)合裝備的操作使用習(xí)慣，將裝備的正面確定為主操作面。根據(jù)維修可達性原則，獲得裝備各面的操作、維修空間，并為裝備在船上的合理化安裝提供依據(jù)。

4??維修性預(yù)計

對于16項船員級維修可更換器材，根據(jù)工程經(jīng)驗和產(chǎn)品生產(chǎn)制造商提供的維修性數(shù)據(jù)對各項器材的維修、更換時間進行預(yù)計分析。

經(jīng)分析，液位變送器安裝密封墊、流量變送器密封墊和泵進出口法蘭密封墊的預(yù)計更換時間較長，均約需1.5?h，其余器材的預(yù)計維修、更換時間均不超過0.5?h，整個裝備的維修性預(yù)計結(jié)果滿足裝備平均修復(fù)時間MTTR≤2?h（船員級）的維修性指標要求。

5??維修性驗證

針對裝備的維修性定性要求和指標要求，分別開展定性試驗評定和定量試驗評估，以考核裝備是否達到規(guī)定的維修性要求。裝備的維修性驗證的環(huán)境同裝備在船上安裝使用環(huán)境條件保持一致，在進行維修性驗證時，按要求滿足維修所需的工具、備件、裝備等保障資源，由使用方監(jiān)管機構(gòu)駐廠代表全程監(jiān)督和鑒證。

5.1?定性試驗評定

定性試驗評定針對裝備的維修性定性要求，對照裝備實物技術(shù)狀態(tài)，逐項進行評定，評定結(jié)果主要如下。

（1）裝備整體結(jié)構(gòu)設(shè)計簡潔，各零部件、管路布局合理，采用了模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，各模塊部件均可利用維修空間（正面、側(cè)面、背面）實現(xiàn)維修可達，裝備電氣控制系統(tǒng)和機械結(jié)構(gòu)部分的電子元器件、機械加工部件、閥門、儀表等均可使用通用工具進行拆卸、維修。

（2）裝備設(shè)計充分考慮了裝備維修的標準化、互換性和通用性，維修時只需要更換出現(xiàn)故障的功能模塊，考慮了模塊拆卸的方便性。各模塊可進行備件的互換，各模塊連接方式均采用標準形式，使用普通通用工具即可完成故障模塊的更換；裝備使用時需要組裝的外置零部件的接口均采用標準接口，連接形式采用手動連接和拆裝的方式，不需要工具即可安全組裝和使用；裝備的維修和拆裝對操作維修人員操作技能要求較低。

（3）裝備的維修面主要集中在裝備正前方和側(cè)方，裝備正面、頂面、后面、左側(cè)面和右側(cè)面的維修空間設(shè)置合理，可滿足維修人員的活動度，避免了維修人員以跪、臥、蹲和趴等易疲勞或智商的姿勢進行維修操作。

（4）裝備的電氣控制系統(tǒng)主要集中于控制箱，采用主板布置方式，各低壓電器及控制模塊均固定安裝在背部安裝板上，一體性和維修性較好；電氣控制系統(tǒng)采用模塊式元器件，控制部分采用PLC軟件實時檢測運行狀態(tài)的觸摸操作屏人機控制界面，界面友好、直觀，實時動態(tài)流程顯示并配置故障實時提醒及查詢界面，設(shè)置聲光報警按鈕，在裝備出現(xiàn)故障時，提供醒目的聲光報警信息；觸控操作屏位置高度為1.5?m左右，便于操作人員以正常站立的姿勢觀察和操作；所有電纜均有明顯的標記，與各電氣零部件一一對應(yīng)。控制箱各電子元器件安裝設(shè)計考慮維修安全，各電子元器件的接線線束根據(jù)接線的情況均勻布置在安裝板兩側(cè)，各電子元器件布置緊湊合理，電子元器件的連接穿線規(guī)整美觀，更換備件及查線方便快捷；控制箱的所有外接電纜，均采用航空電連接器，各插座位置均放置永久固定接插件標牌，便于操作人員識別和區(qū)分；裝備的外接電纜采用防差錯唯一性設(shè)計，只能一對一進行插接；控制箱面板上表示裝置運行和操作狀態(tài)的各種開關(guān)、信號指示和蜂鳴器均有醒目的文字永久固定標牌，便于船員識別和操作。

（6）在考慮維修人員的安全方便前提下，兼顧裝備的使用安全。裝置不帶電金屬部位設(shè)置安全可靠接地；各結(jié)構(gòu)性機械框架及固定裝備的邊緣均采用圓角或斜角過渡設(shè)計，可有效避免維修人員在接近維修、操作時，造成意外的金屬劃傷。

裝備實物狀態(tài)的定性試驗評定結(jié)果證明裝備的維修性設(shè)計滿足裝備的維修性定性要求。

5.2??定量試驗評定

定量試驗評估由經(jīng)過培訓(xùn)并具備裝備維修作業(yè)能力的人員執(zhí)行維修更換作業(yè)，針對裝備維修性指標要求，根據(jù)維修性分析結(jié)果，對16項船員級維修可更換器材逐項進行更換實操作業(yè)，并對維修作業(yè)時間進行計時和統(tǒng)計。

實測結(jié)果顯示，裝備船員級維修更換器材時間最長為90?min，最短為5?min，16項船員級維修可更換器材的更換實操作業(yè)時間一共為460?min，更換作業(yè)實測MTTR=460?min÷16≈28.75?min＜2?h。如圖2所示。

由實測結(jié)果可知，對于全部船員級維修可更換器件維修、更換時間均不高于預(yù)計維修、更換時間，更換作業(yè)實測MTTR遠低于裝備MTTR設(shè)計要求，故可驗證裝備的維修性設(shè)計和分析合理可行，滿足維修性指標要求。

6??結(jié)語

本文依據(jù)維修性相關(guān)國軍標，針對某船用裝備的維修性定性要求和指標要求，開展了裝備的維修性設(shè)計和分析，通過FMECA和RCMA分析法對裝備的維修任務(wù)、維修工作等進行了等級劃分，開展了裝備的維修性驗證，通過對裝備實物狀態(tài)進行定性試驗評定和定量試驗評定，可知裝備的維修性設(shè)計滿足裝備的維修性定性要求和維修性指標要求。

參考文獻

[1]?張思驄.新型艦船建成后的“六性”評價研究[D].大連：大連海事大學(xué)，2019.

[2]?吳凌華，代睿.基于艦船電子設(shè)備的維修性分析與驗證[J].現(xiàn)代導(dǎo)航，2022，13（4）：310-312.

[3]?DIAGON?V?L，LI?N，Loc?Klein，et?al.Application?of?Reliability，Availability?and?Maintenance?Principles?and?Tools?for?Ship?Design：?Volume?1：?Optimization?of?Ship?Design?and?Operation?for?Life?Cycle[M]//A?Holistic?Approach?to?Ship?Design.Switzerland：?Springer?Nature?Switzerland?AG，2019．

[4]?楊擁民，葛哲學(xué)，羅旭.裝備維修性設(shè)計與分析技術(shù)［M］．北京：?科學(xué)出版社，2019．

[5]?崔奧，劉歐，黃金娥，等.基于虛擬仿真的船舶艙室裝備維修性定性評估[J].艦船電子工程，2022，42（5）：129-133，144.

[6]?魏國東，朱石堅，俞翔.艦船裝備維修性設(shè)計要求生成方法研究[J].計算機仿真，2021，38（11）：18-21.

[7]?王征，唐文俊，賈磊.艦船設(shè)備系統(tǒng)的可靠性研究[J].廣船科技，2021，41（2）：59-60.