戈進飛

(中國電子科技集團公司第五十一研究所， 上海 201802)

軍用電子設備結構設計“六性”分析

戈進飛

(中國電子科技集團公司第五十一研究所， 上海 201802)

隨著科學技術的發(fā)展，裝備的性能指標和使用要求不斷提高，對可靠性、維修性、測試性、安全性、保障性和環(huán)境適應性的要求也越來越高。文中根據(jù)國軍標對“六性”的要求，結合實際工程研制經(jīng)驗，提出了軍用電子設備結構設計中的“六性”工作內容和具體措施，以滿足裝備的實用要求。

電子設備；結構設計；可靠性；維修性；測試性；安全性；保障性；環(huán)境適應性

引 言

在軍用電子設備的研發(fā)過程中，可靠性(R)、維修性(M)、測試性(T)、安全性(S)、保障性(S)及環(huán)境適應性(E)(以下簡稱“六性”)已成為與指標同等重要的設計要求，它是有別于民品的顯著特征。有關的國軍標給出了“六性”的定義，闡述了定量要求或定性要求，明確了各階段的工作項目，但未規(guī)定何類人員負責。因標準內容覆蓋面廣，管理的和技術的并重，且涵蓋產(chǎn)品研制的各階段，因此，為明確結構設計的“六性”工作，本文從結構設計專業(yè)角度，根據(jù)結構的主要工作集中在產(chǎn)品工程研制階段的特點，對“六性”進行了分析。

1 “六性”的由來

根據(jù)2011年11月1日頒布實施的《武器裝備質量管理條例》第二十條，對軍用電子設備有“五性”說，即可靠性、維修性、保障性、測試性和安全性，簡稱“可維保測安”。根據(jù)GJB 9001 《質量管理體系要求》，也有“六性”說，即可靠性、安全性、維修性、測試性、保障性和環(huán)境適應性。另外，GJB 6000《標準編寫規(guī)定》中，除沒有“六性”中的測試性外，還有穩(wěn)定性、電磁兼容性、運輸性和互換性等。本文所說的“六性”為可靠性、維修性、測試性、安全性、保障性和環(huán)境適應性。

2 “六性”與結構設計有關的工作內容

2.1 結構設計可靠性要點

2.1.1 可靠性的定義

GJB 450給出的可靠性定義是系統(tǒng)、機械設備或零部件在規(guī)定的工作條件下和規(guī)定的時間內完成規(guī)定功能的能力?？煽慷仁侵冈谝?guī)定的時間內和規(guī)定的條件下完成預定功能的概率，它是衡量結構可靠性水平高低的一個重要指標。

2.1.2 可靠性的工作解析

可靠性反映的是裝備無故障持續(xù)工作的能力，是體現(xiàn)裝備持續(xù)執(zhí)行作戰(zhàn)任務的極限能力的關鍵指標，也是裝備技術能力以及成熟、完備水平的重要體現(xiàn)。產(chǎn)品的可靠性要求可以用定性方式來表達，也可以用定量要求來表示。

為了實現(xiàn)產(chǎn)品的可靠性要求，需要在產(chǎn)品研制、使用、儲存、維修過程中開展一系列技術和管理活動，即可靠性工程。設計、制造決定固有可靠性，使用、維護保持使用可靠性。

可靠性設計的準則包括：選擇和控制元器件；降額設計；可靠的電路設計；冗余。在產(chǎn)品研制階段，應找出一些不符合要求的設計、加工、工藝問題，以提高產(chǎn)品的可靠性。

2.1.3 結構設計可靠性的具體措施

a)采用成熟技術和工藝，設計上力求簡單，傳動鏈少，零件數(shù)量少，調整環(huán)節(jié)少，聯(lián)接可靠。

b)結構件通常需設計成長壽命件，與設備的壽命同期。用計算或分析軟件找出薄弱環(huán)節(jié)，設法提高系統(tǒng)中最低可靠度零件的可靠度；合理選擇材料和加工工藝，去除焊接件的應力、機加工件的殘余應力等。

c)為了保證結構能可靠、安全地工作，材料的工作應力與許用應力之比即安全系數(shù)通常需大于1.5，重要的地方其值更大。

d)進行冗余、容錯設計，如采用并聯(lián)系統(tǒng)，提高散熱能力等。

e)新材料、新工藝、新技術的采用會降低可靠性，應慎用。

f)盡量選用標準件，尤其是對易損易耗件。

g)避免采用容易疏忽、容易出現(xiàn)維護和操作錯誤的結構。如金屬件應倒圓角(以利于金屬層和油漆層的附著)；避免不同金屬間的電化學偶；潤滑油需滿足高低溫的環(huán)境要求。

h)進行熱設計。選擇適應溫度環(huán)境的元器件并進行熱設計；海洋環(huán)境下的露天設備不能直接吹風，以免鹽霧、潮氣損壞設備。

i)進行抗振防沖、防噪聲設計。

j)室外設備重視“三防”(防潮、防鹽霧、防霉菌)設計，從選材、結構型式、鍍涂、維護等進行全方位考慮，推薦采用水密或氣密設計。

k)合理規(guī)定維修期，若維修期過長，可靠度就會下降。

l)設置監(jiān)測系統(tǒng)(如溫度監(jiān)測、風速測量)，及時對故障進行報警。

m)增加過載保護和自動停機裝置。

n)對工作和非工作狀態(tài)(如運輸、維修狀態(tài))進行環(huán)境防護設計，以確保設備在包裝、運輸、貯存環(huán)節(jié)的可靠性。

2.1.4 可靠性與“六性”的關系

可靠性是與維修性、安全性和環(huán)境適應性緊密相關的?？煽啃愿?，維修就少；可靠性好，不發(fā)生故障，安全性也高；環(huán)境適應性要求低，可靠性就高。

2.2 結構設計維修性要點

2.2.1 維修性的定義

維修性是產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內，按規(guī)定的程序和方法進行維修時，保持或恢復到規(guī)定狀態(tài)的能力，其概率度量亦稱維修度。

2.2.2 維修性的工作解析

維修性反映裝備通過維修恢復功能的能力。維修通常包括修復性維修、預防性維修和日常保養(yǎng)等。預防性維修由使用單位負責，包括更換、檢查和標校、保養(yǎng)3項工作內容。裝備應減少預防性維修。需維修的機械設備、維修人員的素質與技術是維修的三要素，人力、技術、測試裝置、工具、備件、材料等是維修的保障。

維修性分固有維修性(也稱設計維修性)和使用維修性。固有維修性取決于設備的設計和制造，使用維修性是在實際使用、維修中表現(xiàn)出來的維修性。維修性與可靠性一樣是產(chǎn)品的設計特性，維修性的好壞直接影響產(chǎn)品的維修工作量、維修工時和費用及對維修人員的要求。

維修性設計分定性要求和定量指標。定性要求是產(chǎn)品的維修要簡便、迅速、經(jīng)濟；定量指標是平均修復時間(MTTR)，即排除故障所需實際修復時間的平均值。維修性設計是在設計階段考慮維修的方便，以便在發(fā)生故障后迅速修復。應由“事后維修為主”的維修思想改為“以預防為主”的維修思想，進而建立“以可靠性為中心”的維修思想。在結構總體方案中，對維修性設計要系統(tǒng)、全面、深入，不僅要關注運輸、工作狀態(tài)，還要注重維修狀態(tài)。結構師要配合總師編寫預防性維修大綱和維修方法，要重視結構關鍵件、承重件、傳動件、密封件、緊固件、潤滑裝置的維修性設計。

2.2.3 結構設計維修性的具體措施

在工程研制中，主要從以下幾個方面進行詳細的維修性設計：

a)簡化結構設計。用最少的零部件、標準件實現(xiàn)功能，結構和外形要簡單；減少螺釘品種和數(shù)量，采用快速連接件、緊固件。

b)小型化設計。短、小、輕、薄是設備發(fā)展的方向，以便于拆裝、搬運，減輕后勤保障能力。

c)劃分三壽件，提高維修性[1]。通過對裝備的可靠性分析，劃分出全壽件、單壽件和短壽件(“三壽件”)。全壽件也稱長壽件，是指該件在全壽命周期內在規(guī)定的使用保養(yǎng)條件下，都能滿足規(guī)定的可靠性設計要求；單壽件是指該件的壽命大于1個翻修期但小于2個翻修期；短壽件是指該件的壽命小于1個翻修期。

d)維修可達性、可操作性設計?？蛇_性是設備的構造特性，對維修時間和費用的影響較大。要實現(xiàn)“看得見夠得著”，且留出維修部位的操作空間；使用扳手的地方，要有操作空間；要留出維修通道，尺寸和形狀符合人體生理特點。

e)統(tǒng)籌安排，合理布局。將易出現(xiàn)故障的模塊布置在便于維修的位置；設備檢查點、測試點、加注點要便于維修人員接近[2]；各分機、模塊可層層展開，易損件、易失效件均可展現(xiàn)在維修人員面前，易于檢查和維修更換。

f)采用模塊化設計，以提高互換性。提高設備通用化程度，盡可能做到設備安裝后不需調整便能正常工作。設備的大小和質量應便于拆裝。

g)采用故障報警、指示，縮短故障診斷、定位時間，實現(xiàn)快速維修。

h)部件和聯(lián)接件易拆易裝，零部件之間拆裝相對獨立，互不影響。

i)結構防差錯設計。采取防差錯措施，消除差錯的發(fā)生，避免危險。如對外形尺寸、插座類型相同而功能不同的模塊設置不同的導銷鎖定位。

j)防差錯識別標識，不僅使用時需要，維修時也必不可少。設備單元名稱和編號、功能性標識、電纜編號、管道等應易識別；操作安全警示標識須醒目，無歧義。

k)設計應采用通用的工具，盡量減少維修時用新的技能、新的工序和專用設備。

l)備件、工具裝放要有規(guī)劃，標識清楚，存取方便。

m)保證維修安全。不僅使用要安全，而且運輸、維護、修理過程也要安全[3]?？紤]維修時的人員、設備安全，設置防護欄和防護罩，加設維修安全警告標志。

n)具有良好的維修環(huán)境。維修環(huán)境符合人體生理和心理需要，以提高工作效率，降低勞動強度。要有維修空間，照明良好，噪音低。

o)注重維修資料編制。使用維護說明書，明確日常維護程序、檢查和排除方法、日常維護方法，加強使用培訓工作。

2.2.4 維修性與“六性”的關系

設備可靠性高，維修就少，維修性就較好，但可靠性差，維修性不一定就差；測試性中要考慮到維修性，測試性是維修性的一項主要條件；維修性與保障性密切相關，器件的更換離不開后勤保障。

2.3 結構設計測試性要點

2.3.1 測試性的定義

GJB 2547對測試性的定義是產(chǎn)品能及時、準確地確定其狀態(tài)(可工作、不可工作或性能下降)并隔離其內部故障的一種設計特性。

2.3.2 測試性的工作解析

測試性是指裝備能夠及時、準確地檢測到發(fā)生的故障并確定故障部位。測試性指標需明確與檢測、隔離和報告故障等有關的診斷能力，包括自動測試、手工測試、維修輔助措施、技術資料、人員和培訓及其他各方面。

很大部分結構件無測試要求，對有測試性要求的設備才作此要求，對無測試性要求的設備，通過機械裝配、調試就行，故測試性對結構工作來說，趨于弱化。

2.3.3 結構設計測試性的具體措施

在結構工作中，普遍認為測試性沒啥工作可做，設計工作主要是設置設備測試點，適應人機關系和操作空間要求。零部件圖紙上的加工、裝配技術要求，可看成是測試性的輸入要求，為后面的檢驗方法及判斷產(chǎn)品合格與否提供強有力的技術支持。設置監(jiān)測與報警系統(tǒng)，以提高設備的測試性，及時發(fā)現(xiàn)故障。

2.3.4 測試性與“六性”的關系

測試性為維修性提供指示，可給出安全性的監(jiān)控，為保障性提供初始依據(jù)。測試性與可靠性、環(huán)境適應性是并列關系。

2.4 結構設計安全性要點

2.4.1 安全性的定義

GJB 900給出的安全性定義是不導致人員傷亡、危害健康及環(huán)境、給設備或財產(chǎn)造成破壞或損失的能力[4]。簡單地說就是不發(fā)生事故的能力。

2.4.2 安全性的工作解析

安全性是裝備的一個重要特性，它描述裝備對人員、環(huán)境及本身損壞所具有的潛在危險。它是評價裝備的效能需考慮的因素，通常用危險的嚴重性等級和危險的可能性等級來進行綜合衡量。

風險參數(shù)指標不能量化時，采用風險分析方法，按危險可能性的頻繁(A級)、很可能(B級)、有時(C級)、極少(D級)、不可能(E級)等級，對災難(I級)、嚴重(II級)、輕度(III級)、輕微(Ⅳ級)4個事故等級的發(fā)生概率做出評估。對危險采取處理措施，消除I級和II級危險[4]。

安全性措施的先后要求為：最小風險設計，采用安全裝置，采用報警裝置，制定專用規(guī)程和進行培訓。

2.4.3 結構設計安全性的具體措施

a)通過設計消除已判定的危險或減少風險。當必須使用有潛在危險的器材時，應選擇風險最小者。

b)危險的物質、零部件和操作應與其他活動、區(qū)域、人員及不相容的器材隔離。

c)設備的位置安排應使工作人員在操作、保養(yǎng)、維護、修理或調整過程中盡量避免危險。

d)盡量減少由惡劣環(huán)境條件導致的危險(如：露天設備易腐蝕的部位，應加大零件厚度)。

e)設計時盡量減少在系統(tǒng)使用、保障中人為差錯導致的風險。

f)減少危險事件或事故的發(fā)生，機械、電氣設備采用防護、報警裝置等安全措施。

g)應將不能消除的危險風險減少到最小程度，采取聯(lián)鎖、冗余、故障安全保護設計、系統(tǒng)防護、滅火和防護服、防護設備、防護規(guī)程等補償措施。

h)當各種補償方法都不能消除危險時，應在裝配、使用、維護和修理說明書中給出報警和注意事項，并在危險的零部件和設備上標出醒目的標記。

i)盡量減輕事故中人員的傷害和設備的損壞。

j)對于大型設備，結構安全尤其重要。

k)結構設計中的安全性內容包括機械傷害、燙傷、電擊、電磁輻射、火災等，采取的安全性措施可參見文獻[5]。

2.4.4 安全性與“六性”的關系

安全性與可靠性密切相關，可靠性是安全性的基礎和前提，但一個可靠的系統(tǒng)不一定是安全的；安全性與環(huán)境適應性的優(yōu)劣程度相關，安全性受制于環(huán)境適應性；安全性與維修性、測試性、保障性是并列關系。

2.5 結構設計保障性要點

2.5.1 保障性的定義

保障性是裝備的設計特性和計劃的保障資源滿足平時戰(zhàn)備和戰(zhàn)時使用要求的能力。

2.5.2 保障性的工作解析

保障性是產(chǎn)品的一種質量特性，它是指裝備要設計得易于保障，配套的保障資源要合理充分。保障性由2個方面構成：裝備保障性設計的水平即自保能力(由承制方負責)以及保障系統(tǒng)的能力即綜合保障(由使用方負責)。

保障性設計方面的定性要求主要指可靠性、測試性、維修性和運輸性的定性要求。保障性設計方面的定量要求最重要的是可用度、能執(zhí)行任務率等。產(chǎn)品可靠性好，維修性好，保障資源充分、適用，可用度就高。

結構師在產(chǎn)品研制初期就要開展保障性分析，合理確定預防性和修復性維修保障資源，參與綜合保障的規(guī)劃與管理以及試驗與評價工作。

2.5.3 結構設計保障性的具體措施[6]

2.5.3.1 自身保障能力

a)結構設計應使設備操作簡單、方便，要減少架設、操作人員的數(shù)量，可采用電動、液壓等裝置來減少人員，降低勞動強度，縮短架撤時間，提高設備的機動性。

b)產(chǎn)品應使用通用的原材料、元器件，且在合格供方名錄中選擇采購[7]。

c)依據(jù)合同或國軍標要求，合理確定隨機備件、易損易耗件數(shù)量，形成《備附件匯總表》。要站在用戶的角度，使設備滿足平時和戰(zhàn)時好用及易于維修的要求。

d)提高設備的機動能力和環(huán)境適應能力，減少對陣地的依賴和環(huán)境條件的要求。

e)設備尺寸小、重量輕，運輸單元盡量少，能兼容公路運輸、鐵路運輸和飛機運輸方式，對陣地、道路、橋涵的要求低。

f)對設備按國軍標要求進行包裝，滿足運輸和貯存要求。

g)大型構件、裝備應設有吊裝點。

2.5.3.2 綜合保障

a)人員保障：裝備所需人員以少為宜，以減少人員變動對使用、維修的影響；

b)保障設備：盡量減少專用設備和工具，采用通用設備和工具，考慮裝卸、運輸?shù)拳h(huán)節(jié)要求；

c)技術資料：設備清單、備附件及工具清單、圖紙、使用維修說明書等應完整、準確、清晰、易懂；

d)訓練與訓練保障：承制方負責對使用方進行培訓，訓練時結構師參與技術保障；

e)供應保障：備件、易損易耗件的品種、數(shù)量應滿足設備保障要求。

2.5.4 保障性與“六性”的關系

保障性的定性要求與可靠性、測試性、維修性及運輸性密切相關,產(chǎn)品可靠性高，維修性好，保障資源充分、適用，可用度就高，保障性就好；保障性與環(huán)境適應性存在隱性關系，設備工作條件惡劣，保障性要求就高，就越需保障；保障性與測試性、安全性是并列關系。

2.6 結構設計環(huán)境適應性要點

2.6.1 環(huán)境適應性的定義

環(huán)境適應性是指裝備在其壽命期內，在可能遇到的各種環(huán)境作用下，能實現(xiàn)其所有預定功能和性能和(或)不被破壞的能力，是裝備的重要質量特性之一。

2.6.2 環(huán)境適應性的工作解析

電子設備的工作環(huán)境分為機械環(huán)境(力學環(huán)境)、氣候環(huán)境、電磁場環(huán)境、生物環(huán)境、特殊環(huán)境等。結構設計時要綜合考慮各種環(huán)境因素的相互影響，盡可能做到一舉多得，相關專業(yè)應相互協(xié)同，以提升裝備的環(huán)境適應能力，實現(xiàn)產(chǎn)品的低成本、高可靠、長壽命。

在裝備研制過程中，結構師作為環(huán)境適應性師，應制定環(huán)境適應性設計準則，進行環(huán)境適應性設計和環(huán)境適應性預計，并配合模塊/分機負責人，完成環(huán)境適應性研制試驗，進行必要的使用環(huán)境試驗和自然環(huán)境試驗。

開展環(huán)境適應性設計，一是采取改善環(huán)境或緩解環(huán)境影響的措施；二是選用耐環(huán)境能力強的結構、材料、元器件和工藝等。

2.6.3 結構設計環(huán)境適應性的具體措施

2.6.3.1 機械環(huán)境適應性設計

裝備安裝平臺的振動、沖擊、加速度等因素，在失效的環(huán)境因素中約占25%。機械環(huán)境考核和驗證設備的結構強度及元器件的耐振抗沖能力。具體措施包括：

a)在空間和重量允許時，盡可能采用帶減震器的安裝方式；無法使用減震器時，應設法提高結構剛度和設備的固有頻率。

b)避免懸臂結構。

c)合理選材，并注意結構構型；避免直角和應力集中。

d)緊固件采取防松措施。

2.6.3.2 氣候環(huán)境適應性設計[8]

軍用電子設備在使用、運輸和貯存過程中受各種氣候環(huán)境因素作用，影響裝備的性能穩(wěn)定性和可靠性。溫度、濕熱、鹽霧是導致失效和故障的主要環(huán)境因素，見表1。

表1 氣候環(huán)境對裝備的影響與對策

2.6.3.3 電磁環(huán)境適應性設計

針對電磁兼容性設計的接地、屏蔽、其他抑制干擾方法3個方面開展結構設計。從材料選用、結構型式、接地多方面采取措施；結構與電訊、工藝密切合作，從電磁發(fā)生的源頭分析解決問題。

2.6.3.4 生物環(huán)境、特殊環(huán)境適應性設計

生物環(huán)境有霉菌、白蟻、嚙齒動物等，裝備主要是進行防霉設計，采用防霉材料或涂料。環(huán)境適應性的另一個重要方面是裝備需與周圍環(huán)境地貌融為一體，以達到保存自己、消滅敵人的目的。常采用防紅外迷彩涂料和偽裝。

2.6.4 環(huán)境適應性與“六性”的關系

環(huán)境適應性與可靠性、安全性、維修性及保障性成正比關系，即環(huán)境適應性要求低，裝備的性能就穩(wěn)定，可靠性就高；設備不易腐蝕、破壞，安全性就高，設備維修量就減少，保障性的要求就低；環(huán)境適應性與測試性是并列關系。

2.7 裝備研制的“六性”結構工作

在工程研制階段，裝備的“六性”結構設計工作主要包括：配合編制“六性”大綱及工作計劃；方案設計滿足“六性”指標要求；完成“六性”結構方面的設計、分析、評審、試驗、評定等工作；將“六性”結構方面的分析、設計工作與性能設計工作有機結合，協(xié)調同步地進行，要落實到圖紙、技術文件上，并驗證。

3 結束語

軍用電子設備結構設計的“六性”設計，既相互獨立又有內在聯(lián)系。需根據(jù)設備工作平臺、工作環(huán)境及性能，從系統(tǒng)到模塊，對每一特性逐項進行設計和驗證。不僅結構設計師要重視，電訊設計師和軟件設計師也要重視與配合。

[1] 胡長明.從結構設計角度探討車載對空情報雷達機動性、可靠性、維修性、保障性提高方法[J]. 電子機械工程, 2005, 21(1): 1-4.

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[3] 暢黎鵬. 電子設備的結構設計的維修性[J]. 艦船電子工程, 2005, 25(1): 131-134.

[4] 國防科學技術工業(yè)委員會. GJB 900—1990 系統(tǒng)安全性通用大綱[S]. 國防科學技術工業(yè)委員會軍標發(fā)行部, 1991.

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[7] 孫麗. 談對電子元器件企業(yè)設計開發(fā)過程中“六性”的審核[J]. 電子質量, 2012(2): 50-54.

[8] 翟瑋. 機載電子設備環(huán)境適應性設計[J]. 電子機械工程, 2012, 28(5): 7-10，40.

戈進飛(1964-)，男，高級工程師，主要從事電子設備結構總體和天饋結構的設計、研究工作。

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Analysis of “Six Properties” in Structure Design of Military Electronic Equipment

GE Jin-fei

(The51stResearchInstituteofCETC,Shanghai201802,China)

With the development of science and technology the performance parameters and operation requirements of the equipment become more critical. And there are increasing requirements in such aspects as reliability, maintainability, testability, safety, supportability and environmental adaptability. Based on the related standard for “six properties” in GJB, combined with the practical engineering experience, the work content and specific measures of “six properties” are put forward in the structure design of military electronic equipment, which is helpful to improve the equipment′ practical applicability.

electronic equipment; structure design; reliability; maintainability; testability; safety; supportability; environmental adaptability

2014-10-11

TN80

A

1008-5300(2015)02-0001-06