以可靠性为中心的维修分析在装备寿命周期内的应用

0 引言

随着装备功能要求逐步提高，装备构成日趋复杂，装备暴露出的质量问题也日益突出。因此，“装备质量”的概念被逐步认识和接受，而影响装备质量的可靠性设计和维修性设计逐步得到重视，并逐步同步融入装备功能设计中。伴随着对可靠性和维修性与装备质量关系的深入研究，可靠性和维修性理论经历了认识—发展—成熟阶段，目前已形成可靠性工程和维修性工程学科。

装备质量[1]一般包括功能特性和保障特性，功能特性主要表现为装备在执行任务期间在所给定的条件下达到任务目标能力的度量即装备固有能力；保障特性表现为通过保障特性使装备的固有能力有效发挥作用。功能特性一般通过设计手段实现；保障特性贯穿于装备全寿命周期，主要包括装备的可靠性、维修性、测试性、运输性和保障要素等，其作用是保障装备的功能特性持续发挥作用。根据保障特性的特点，在装备寿命周期内过度的保障活动将造成装备早期故障隐患、保障费用高、保障困难等问题。因此，开展适度的维修活动对有效保障装备质量的功能特性、降低维修保障费用和保障困难具有重要意义。

1 以可靠性为中心的维修分析

从可靠性工程和维修性工程的发展历程可以看出，由于装备构成日趋复杂，使用环境日益严酷，财力与人力资源受到严格限制和挑战，导致人们在观念上产生了变化，从单纯地追求技术性能指标，转变为追求以寿命周期费用[2]体现出来的综合目标，要求在系统的效能和费用间求得合理的平衡。高可靠性和有效适用的维修性对提高装备效能和降低其寿命周期费用起着举足轻重的作用。装备维修一般存在两种类型，一类是修复性维修，另一类是预防性维修。修复性维修是指装备发生故障后及时发现故障，确定故障部位和更换故障部件。预防性维修是指在故障发生之前，通过适用的维修工作模式发现装备潜在故障，并对可能发生故障的装备提前采取维修措施，以预防故障发生[3]。以可靠性为中心的维修策略是预防性维修的近代发展。以可靠性为中心的维修分析（RCMA）是以可靠性技术为基础，通过开展维修分析找出故障影响类型和有效的维修工作模式，形成装备寿命周期内的预防性维修策略，指导预防性维修话动。

1.1 基本原理

以可靠性为中心的维修分析是按照以最少的维修资源消耗保持装备固有可靠性和安全性的原则，应用逻辑决断的方法确定装备预防性维修要求的过程。是在充分开展装备故障模式、影响及危害度分析的基础上，以维修的适用性、有效性和经济性为决断准则，进而确定科学合理的维修决策。维修基本原理如下。

1）装备的固有可靠性和安全性是设计制造赋予的特性，有效的维修只能保持而不能提高装备的可靠性和安全性，试图通过增加维修频数来提高这一固有水平的做法是不可取的。

2）装备故障有不同的影响或后果，应当采取不同的对策。

3）装备的故障规律是不同的，应采取不同方式开展维修工作。有损耗性故障规律的装备适宜定时拆修或更换，以预防功能故障或引发多重故障。对无损耗性故障规律的装备进行定时拆修或更换是有害无益的，适于检查、监控等视情维修。

4）不同的装备，其消耗的资源、费用、难度和深度是不同的，应采用不同的预防性维修工作类型，从而在保证可靠性和安全性的前提下，节省维修资源与费用。

1.2 分析目的

以可靠性为中心的维修分析的目的是确定装备有效的预防性维修要求和策略，以最少的维修资源消耗达到如下目标：

1）保持装备固有的可靠性水平和安全性；

2）确保装备的可靠性水平以及在安全性下降时能将其恢复到固有水平；

3）对固有可靠性水平不能满足要求的部件，为其改进设计提供信息。1.3 分析方法

以可靠性为中心的维修分析是以可靠性技术为基础，通过开展信息综合、分析、判断、计算、归纳和总结等活动，形成装备的维修要求、维修策略和维修大纲，以指导装备在全寿命周期内的维修工作。以可靠性为中心的维修分析流程如图1所示。

1.3.1 数据信息收集

数据信息收集工作是开展以可靠性为中心的维修分析的基础，准确和完善的数据汇总有助于制定正确的维修策略。数据信息收集应注重如下方面：

1）装备使用方对维修的要求；

2）装备用途、组成、功能、设计特点和试验数据；

3）装备可靠性预计[4]结论以及装备故障模式、故障影响和故障原因等信息；

4）同类或类似装备的使用或维修经验；

5）装备维修方法和所需的人力、设备、工具及备件等维修保障信息；

6）装备研制费用、预防性维修和修复性维修的费用以及所需保障设备研制和维修的费用等信息。

1.3.2 装备组成层次图

装备组成层次图采用自上而下的方式绘制，顶层为装备、次层为设备，以下依次为分机、部件，直到功能模块。绘制装备组成层次图的作用是明确装备构成，明确装备中设备和分机等之间的隶属关系，明晰后续分析工作路径。在以可靠性为中心的维修分析过程中，装备组成层次图直接采用故障模式、影響及危害度分析[5]（FMECA）报告中形成的功能组成层次图和标识码。

1.3.3 确定重要功能产品

重要功能产品（FSL）的确定采用从上而下直至某一层次产品的故障后果不严重时为止。如果某一产品被确定为重要功能产品，则应继续判定其下一层次的产品是否为重要功能产品。此过程应一直进行，直至非重要功能部件或可在装备上直接更换或修复的最低层上的单元为止。重要功能产品是指其故障影响符合下列条件之一的产品：

1）可能影响装备安全；

2）可能影响装备任务完成；

3）可能造成重大经济损失。

1.3.4 确定重要功能产品故障模式

重要功能产品的故障模式直接采用装备FMECA分析报告的结果，确定每个重要功能产品的功能故障、故障模式和故障原因。采用装备FMECA分析结论确定装备重要功能产品的故障模式是以可靠性为中心的维修分析的突出特点，保证了装备质量的功能特性和保障特性的一致性和真实性，真实反映了装备质量水平。

1.3.5 逻辑决断分析

逻辑决断分析是通过对重要功能产品的故障影响类型和对应故障影响类型需采用的预防性维修工作的分析，以选择适用而有效的预防性维修工作类型。逻辑决断分析由第一层次分析和第二层次分析两部分组成。第一层次分析用于明确故障影响类型，第二层次分析用于选择适用而有效的预防性维修工作类型。逻辑决断分析采用流程图方式，自顶而下，通过对问题回答“是”或“否”的方式确定分析流程的方向，并最终确定重要功能产品故障影响类型和预防性维修工作类型。

1）维修工作类型

根据国军标GJB1378A[6]规定，装备预防性维修工作类型包括保养、操作人员监控、使用检查、功能检测、定时拆卸、定时报废和综合工作7种（相关文献划分为定期维修、视情维修和修复维修[7]）。预防性维修工作类型内容及时机控制原则如下。

● 保养：为保持装备固有设计性能而进行的表面清洗、擦拭、通风和添加油液等。

● 操作人员监控：操作人员在正常使用装备时通过感官对其状态进行监控，其目的是发现装备的潜在故障。

● 使用检查：按计划进行的定性检查（或观察），以确定装备能否执行规定功能，目的是及时发现隐蔽功能故障。

● 功能检测：按计划进行的定量检查，以确定装备功能参数是否在规定限度内，目的是发现潜在故障，以预防潜在功能故障。

● 定时拆卸：装备使用到规定的时间予以拆修，使其恢复到规定的状态，该类型的工作可能带来早期故障，但可以预防那些不拆开难以发现和预防的故障后果。

● 定时报废：装备使用到规定的时间予以报废，该类工作的资源消耗较大。

● 综合工作：实施上述两种或两种以上的预防性维修工作。

2）第一层次分析

第一层次对重要功能产品的故障影响类型进行分析，明确该故障影响类型属于明显安全性、任务性、经济性还是隐蔽安全性、任务性、经济性，故障类型分析流程如图2所示。安全性影响是指某功能故障或由该功能故障引起的二次损伤本身或与其他功能故障综合后的后果对装备的安全使用或环境产生直接的不利影响；任务性影响是指某功能故障或由该功能故障引起的二次损伤本身或与其他功能故障综合后的后果可能妨碍装备定额任务完成；经济性影响是指某功能故障不具有安全性影响和任务性影响，但会增加装备的使用或保障人力、物力或其他资源或维修费用而影响经济利益。

3）第二层次分析

第二层次分析的目的是针对装备每项故障影响类型选择相应预防性维修工作类型和决定装备是否必须开展设计更改活动，维修工作类型选择流程如图3所示。维修工作类型选择流程采用回答“是”与“否”的方式，确定各项维修工作类型是否适应装备对应的故障影响类型以及针对该故障影响类型装备是否需要开展设计更改活动。

1.3.6 预防性维修工作间隔期的确定

对于有安全性和任务性影响后果的故障，如果预防性维修工作间隔期过长，则不足以保证所需的装备安全性和任务能力；如果过短，则不经济。对于有经济性影响后果的故障，预防性维修工作间隔过长或过短都会影响经济性。因此，恰当地确定预防性维修工作间隔期是很重要的。预防性维修性工作类型有7种，本文仅针对使用检查和功能检测，给出维修工作间隔期的计算方法。

1）使用检查维修工作间隔期

观察式（5）和式（6），在T期間内故障发生概率的可接受值（Pac）越大，T期间要检查的次数（n）越多，检查间隔期（Tc）越短。

1.3.7 小结

在以可靠性为中心的维修分析过程中，通过开展重要功能产品分析，确定了重要功能产品及其故障模式；通过开展逻辑决断分析，确定了重要功能产品的故障影响类型和预防性维修工作类型；通过开展预防性维修工作间隔期的分析和计算工作，明确了使用检查和功能检测工作类型的预防性维修工作间隔期。通过开展维修分析活动，积累了装备预防性维修数据信息，为装备预防性维修策略和预防性维修大纲的形成奠定基础。

1.4 定义

1）隐蔽故障模式[10]：故障已经发生，但尚未影响装备的功能；

2）潜在故障模式：故障尚未发生，但装备故障即将出现；

3）功能故障状态：装备不能履行其期望功能的状态；

4）适用性：该类维修工作类型与装备的固有可靠性相适应，且能预防其功能故障；

5）有效性：对维修工作效果的衡量，它应能有效消除装备各种功能故障的影响；

6）可用度：对于给定的一个随机时间t，在t时刻装备处于可用状态的概率。

2 维修分析方法的应用

以可靠性为中心的维修分析贯穿于装备全寿命周期。在装备寿命周期各阶段，该分析工作将采用不同的工作方式，形成不同的维修性要求、产生不同的分析结果，最终目的是确定装备适用而有效的预防性维修要求和策略，以最少的维修资源消耗达到以下目标：

1）保持装备固有可靠性水平和安全性；

2）确保装备的可靠性水平，以及安全性下降时能将其恢复到固有水平；

3）对固有可靠性水平不能满足要求的部件，为其改进设计提供信息。

2.1 论证阶段

论证阶段应提出减少装备维修或便于装备维修的技术要求。本阶段的主要工作是根据装备预定装备预防性维修工作间隔及维修级别等，确定以可靠性为中心的维修分析准则。

2.2 方案阶段

方案阶段开始进行以可靠性为中心的维修分析。本阶段的主要工作是明确装备使用方对维修的要求，确定装备用途、组成、功能、设计特点，收集同类产品的维修和使用经验数据，同步开展维修性设计并明确装备保障需求。以装备可靠性指标和分析结论、维修性指标和装备组成图为基础，按照以可靠性为中心的维修分析方法，确定重要功能产品及其故障类型和预防性维修工作类型，初步明确预防性维修工作间隔期，最终形成初始的预防性维修大纲。该阶段装备的故障类型应通过对装备可划分组成模块开展故障模式、影响及危害度分析获取的数据而确定。

2.3 研制阶段

工程研制阶段全面开展以可靠性为中心的维修分析。本阶段主要工作是根据装备实际组成图和可靠性分析结论，按照以可靠性为中心的维修分析流程和分析方法，开展装备的重要功能产品及其故障影响类型、预防性维修工作类型和预防性维修间隔期的分析与确定工作，最终形成预防性维修大纲。该阶段装备的故障类型应通过故障模式、影响及危害度分析获取装备的真实数据，该阶段获取的预防性维修工作间隔期有待于通过生产和使用阶段进行完善。在维修分析过程中，针对安全性、任务性影响模式及无适用的维修方式要求开展改进设计。

2.4 生产和使用阶段

生产和使用阶段开展必要的预防性维修工作间隔期探索，按实际使用情况对预防性维修大纲进行修正和完善。研制阶段确定的预防性维修工作间隔期是根据装备可靠性、维修性指标通过式（4）和式（6）获得的。装备经生产和使用阶段考核可获取故障发展到功能故障时间的平均值T，按照以可靠性为中心的维修分析流程，通过式（4）和式（6）计算获得预防性维修工作间隔期，对预防性维修大纲进行修正和完善。在维修分析过程中，针对安全性、任务性影响模式及无适用的维修方式要求开展改进设计。

3 结束语

据统计，在朝鲜战争中，美国的军用通信、声呐和雷达设备的停机时间分别是工作时间的16%、1.08倍和5.25倍，军用装备的维修性已经成为一个异常突出的紧迫问题。20世纪50年代，美国DC-10飞机按照传统的维修方针，定期翻修项目有339个，随着以可靠性为中心的维修分析技术的应用，339个定期翻修项目减少到7个，这种以可靠性为中心的维修策略，不仅提高了装备的可靠性，而且节约了大量费用。

以可靠性为中心的维修分析是贯穿装备整个寿命周期的一项维修活动，是对装备寿命周期内各阶段故障发生原因、故障影响及维修活动数据的积累和完善。以可靠性为中心的维修分析，重点强调在装备寿命周期内正确确定装备故障影响模式，选择适用而有效的维修工作类型，以持续保持装备质量、降低维修成本和维修难度。因此，为全面、持续保障装备质量，在装备研制、生产及列装的各个阶段，开展以可靠性为中心的维修分析活动是非常必要的。

参考文献

[1]王錫吉，李平，杨家坚. 可靠性工程[M]. 北京：电子工业与可靠性培训中心，1999.

[2]章国栋，陆廷孝，屠庆慈，等.系统可靠性与维修性的分析与设计[M].北京：北京航空航天大学出版，1999.

[3]丁定浩. 维修性工程[M]. 北京：电子工业与可靠性培训中心，1999.

[4] GJB/Z 299B-98电子设备可靠性预计手册[S].

[6] GJB 1391-92故障模式、影响及危害性分析程序[S].

[6] GJB 1378A-2007装备以可靠性为中心的维修分析[S].

[7]徐维新. 可靠性与维修性管理基础[M]. 北京：兵器工业山版社，1989.

[8]潘吉安. 可靠性维修性可用性评估手册[M]. 北京：国防工业出版社，1995.

[9]杨为民，阮镰，俞渭，等. 可靠性维修性保障性总论[M]. 北京：国防工业出版社，1995.

[10] GJB 451-90 可靠性、维修性名词术语[S].

作者简介

王文智，高级工程师，主要从事机载计算机维修保障技术、质量管理、科研管理工作。