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        宇航電源產(chǎn)品量產(chǎn)可靠性研究

        2018-04-24 12:50:20劉麗霞李麗遇今
        航天器工程 2018年2期
        關(guān)鍵詞:宇航量產(chǎn)特征參數(shù)

        劉麗霞 李麗 遇今

        (1 北京衛(wèi)星制造廠有限公司,北京 100094)(2 中國(guó)空間技術(shù)研究院,北京 100094)

        隨著宇航任務(wù)的增加,宇航電源單機(jī)在數(shù)量上呈現(xiàn)出大幅度增加的趨勢(shì),研制模式從單件或少量生產(chǎn)模式向品種簡(jiǎn)化、批量生產(chǎn)模式發(fā)展。宇航電源產(chǎn)品可靠性要求高,與單件或少量生產(chǎn)模式相比,批量生產(chǎn)更加關(guān)注生產(chǎn)過(guò)程的可靠性,設(shè)計(jì)或工藝的潛在缺陷被引入產(chǎn)品的概率在量產(chǎn)過(guò)程中不可避免的被放大,因此宇航電源量產(chǎn)過(guò)程的可靠性控制顯得尤為重要。如何保證電源產(chǎn)品在量產(chǎn)條件下的一致性、穩(wěn)定性、可靠性,是當(dāng)前面臨的主要工作。而量產(chǎn)可靠性的定義、指標(biāo)體系及其分析方法是當(dāng)前需首要解決的技術(shù)難題。

        產(chǎn)品量產(chǎn)過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過(guò)程,其中包括生產(chǎn)設(shè)備、檢測(cè)設(shè)備、生產(chǎn)對(duì)象及工藝操作控制人員等多種要素,因此量產(chǎn)過(guò)程的可靠性涉及因素廣泛,其可靠性的概念不能采用傳統(tǒng)的可靠性定義??v觀國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)資料,宇航產(chǎn)品量產(chǎn)可靠性的研究仍處于起步階段,相關(guān)通用技術(shù)的研究主要集中在工藝可靠性的概念及定性評(píng)價(jià)方面[1-7],對(duì)于量產(chǎn)可靠性以及具體指標(biāo)的定量分析方法鮮有論述。本文的目的就是創(chuàng)新性提出量產(chǎn)可靠度的概念和評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,解決宇航電源批量化生產(chǎn)對(duì)量產(chǎn)產(chǎn)品可靠性評(píng)價(jià)的迫切需求。

        1 量產(chǎn)可靠性內(nèi)涵及指標(biāo)體系

        要實(shí)現(xiàn)對(duì)量產(chǎn)產(chǎn)品的可靠性分析與評(píng)價(jià),首先應(yīng)了解量產(chǎn)產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程,識(shí)別影響產(chǎn)品可靠性的關(guān)鍵過(guò)程和因素。批量化生產(chǎn)的電源產(chǎn)品,從產(chǎn)品任務(wù)輸入開始,到產(chǎn)品交付測(cè)試完成,整個(gè)研制生產(chǎn)流程經(jīng)歷了量產(chǎn)準(zhǔn)備階段、量產(chǎn)生產(chǎn)階段、量產(chǎn)測(cè)試及試驗(yàn)階段及交付階段,其研制剖面如圖1所示。

        宇航電源產(chǎn)品在設(shè)計(jì)定型之后,方可進(jìn)入量產(chǎn)階段。由圖1,量產(chǎn)過(guò)程主要包括生產(chǎn)準(zhǔn)備、生產(chǎn)、測(cè)試及試驗(yàn)、交付。這些過(guò)程中,生產(chǎn)過(guò)程具體包括了陶瓷板組件焊接、印制板再流焊、手工焊接、電路板清洗、單板調(diào)試、整機(jī)裝配等主要工序,以及結(jié)構(gòu)件加工、電感變壓器加工、印制板網(wǎng)板加工等輔助工序,是產(chǎn)品物理實(shí)現(xiàn)的主要過(guò)程,決定了量產(chǎn)條件下宇航電源產(chǎn)品的固有可靠性水平。測(cè)試與試驗(yàn)過(guò)程的主要目的是驗(yàn)證產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)符合性和剔除早期失效,可在一定程度上檢驗(yàn)產(chǎn)品的可靠性而不是提高產(chǎn)品的固有可靠性。因此,宇航電源產(chǎn)品的量產(chǎn)可靠性主要受量產(chǎn)加工工藝過(guò)程影響,評(píng)價(jià)量產(chǎn)可靠性應(yīng)重點(diǎn)評(píng)價(jià)電源工藝系統(tǒng)具有保持所要求的加工工藝質(zhì)量的能力。

        在量產(chǎn)可靠性相關(guān)的概念中,蘇聯(lián)普羅尼科夫最早給出了設(shè)備的“工藝可靠性”定義:在規(guī)定范圍和時(shí)間內(nèi),設(shè)備對(duì)于其決定工藝過(guò)程質(zhì)量的指標(biāo)數(shù)值得以保持的性質(zhì)。國(guó)內(nèi)陳從桂等定義“工藝過(guò)程的可靠性”是指被加工零部件合格的可靠程度[3]。量產(chǎn)可靠性和產(chǎn)品生產(chǎn)制造過(guò)程的內(nèi)外部條件有關(guān),并以工藝過(guò)程質(zhì)量保持符合技術(shù)要求為目標(biāo)。因此,借鑒國(guó)內(nèi)外關(guān)于可靠性、工藝可靠性的相關(guān)定義,結(jié)合量產(chǎn)特點(diǎn),可以將量產(chǎn)可靠性定義為:在規(guī)定的時(shí)間和條件下,量產(chǎn)工藝過(guò)程質(zhì)量的指標(biāo)值保持符合技術(shù)要求的能力。其中,規(guī)定時(shí)間是指制造過(guò)程完成某個(gè)規(guī)定的量產(chǎn)任務(wù)的時(shí)間,規(guī)定條件是指制造過(guò)程在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)所處的預(yù)先規(guī)定的全部外部條件,工藝過(guò)程質(zhì)量的指標(biāo)泛指性能參數(shù)、加工參數(shù)、過(guò)程能力參數(shù)等。量產(chǎn)可靠性的概率度量即量產(chǎn)可靠度,描述量產(chǎn)過(guò)程保證產(chǎn)品滿足技術(shù)規(guī)范要求的程度。

        量產(chǎn)可靠度是對(duì)量產(chǎn)產(chǎn)品的可靠性綜合評(píng)估,給出量產(chǎn)可靠性的評(píng)估量化值。量化評(píng)估值的建立以關(guān)鍵工藝過(guò)程可靠性敏感參數(shù)和輸出特征參數(shù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù),通過(guò)識(shí)別關(guān)鍵工藝過(guò)程可靠性敏感參數(shù)和輸出特征參數(shù),并分析其相關(guān)性,可進(jìn)一步建立量產(chǎn)可靠性指標(biāo)體系。

        針對(duì)宇航電源產(chǎn)品,經(jīng)分析選取輸出效率與紋波為輸出特征參數(shù),這兩個(gè)參數(shù)受量產(chǎn)過(guò)程的影響較大,也是反映電源性能和質(zhì)量的重要技術(shù)參數(shù)。通過(guò)關(guān)鍵工藝過(guò)程分析,將變壓器電感量實(shí)測(cè)參數(shù)、手工焊后翹曲度、陶瓷板組件底面平面度、散熱凸臺(tái)高度、整機(jī)平面度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)等作為關(guān)鍵工藝過(guò)程可靠性敏感參數(shù)??紤]宇航電源量產(chǎn)可靠性綜合水平、工藝過(guò)程一致性、工序間影響程度、工藝系統(tǒng)自身能力幾方面的評(píng)價(jià)需求,將量產(chǎn)可靠度、工藝穩(wěn)定性、工藝遺傳性、工藝可靠性儲(chǔ)備納入電源量產(chǎn)可靠性指標(biāo)體系[8-10],其構(gòu)建過(guò)程如圖2所示。

        圖2中,工藝穩(wěn)定性表征了工藝過(guò)程的離散程度,其輸出為正態(tài)分布,正態(tài)分布越收斂,表征工藝的穩(wěn)定性越好,離散程度越小。工藝遺傳性表征了前一工藝步驟對(duì)下一工藝步驟的影響程度,遺傳性小,表明各個(gè)工序之間相互影響性小。工藝可靠性儲(chǔ)備用于衡量工藝系統(tǒng)對(duì)不同批次產(chǎn)品滿足可靠性要求的能力,儲(chǔ)備性好的系統(tǒng),當(dāng)生產(chǎn)線產(chǎn)品批次變化后,仍然能都滿足穩(wěn)定的生產(chǎn)需求。

        2 量產(chǎn)可靠性指標(biāo)的評(píng)價(jià)方法

        2.1 量產(chǎn)可靠度評(píng)價(jià)

        量產(chǎn)可靠度描述產(chǎn)品在規(guī)定量產(chǎn)過(guò)程下滿足技術(shù)規(guī)范要求的程度,可以通過(guò)基于性能失效特征量的可靠性評(píng)估方法進(jìn)行評(píng)估,實(shí)施過(guò)程為:對(duì)批量產(chǎn)品進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)或性能試驗(yàn),采集得到產(chǎn)品性能失效特征量數(shù)據(jù);獲得產(chǎn)品特征量參數(shù)的分布及其分布參數(shù)估計(jì)值(一批產(chǎn)品的性能通常服從正態(tài)分布);根據(jù)失效判據(jù),計(jì)算一個(gè)批次產(chǎn)品的量產(chǎn)可靠度。

        具體算法如下。

        1)獲得特征量數(shù)據(jù)

        設(shè)產(chǎn)品有m個(gè)特征參數(shù),考察某批次產(chǎn)品的n個(gè)子樣(為保證分布擬合精度,原則上n≥10),實(shí)測(cè)得到的第i個(gè)特征參數(shù)的值為

        Yi=(yi1,yi2,…,yin)=(yij,j=1,…,n),

        i=1,…,m

        (1)

        式中:yij為第j個(gè)樣本第i個(gè)參數(shù)的實(shí)測(cè)值。

        2)計(jì)算特征量樣本均值與樣本方差

        (2)

        (3)

        3)量產(chǎn)可靠度計(jì)算

        根據(jù)特征參數(shù)的技術(shù)規(guī)范上/下限將參數(shù)分布轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布。假設(shè)第i個(gè)特征參數(shù)的上規(guī)范限為Ui,下規(guī)范限為L(zhǎng)i,則有

        (4)

        (5)

        由給定的置信水平γ、樣本量n及ziU和ziL的值,查正態(tài)分布表[11],可得到產(chǎn)品第i個(gè)特征參數(shù)的可靠度Ri為

        (6)

        綜合各特征參數(shù)的評(píng)估結(jié)果,可得該批次產(chǎn)品的量產(chǎn)可靠度為

        R=min (R1,R2,…,Rm)

        (7)

        2.2 工藝穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

        工藝穩(wěn)定性表征工藝過(guò)程的離散程度,其計(jì)算方法如下:

        (2)規(guī)定置信度γ1下,工藝穩(wěn)定性可表示為

        (8)

        W值越大,說(shuō)明工藝過(guò)程可靠性敏感參數(shù)和輸出特征參數(shù)的離散程度越大,工藝的穩(wěn)定性越差。

        2.3 工藝遺傳性評(píng)價(jià)

        工藝遺傳性表征前一工藝步驟對(duì)下一工藝步驟的影響程度,可通過(guò)生產(chǎn)工藝過(guò)程中測(cè)量的工藝關(guān)鍵指標(biāo)獲得,分析流程如下:

        (1)假設(shè)產(chǎn)品有k個(gè)工藝關(guān)鍵參數(shù),考察某批次產(chǎn)品的n個(gè)子樣,實(shí)測(cè)得到的第i個(gè)工藝參數(shù)的值為

        Xi=(xi1,xi2,…,xin)=(xij,j=1,…,n)

        i=1,…,k

        (9)

        式中:xij為第j個(gè)樣本第i個(gè)工藝參數(shù)的實(shí)測(cè)值。

        (10)

        2.4 工藝可靠性儲(chǔ)備評(píng)價(jià)

        工藝的可靠性儲(chǔ)備系數(shù)KR是與時(shí)間相關(guān)的指標(biāo),用以評(píng)估生產(chǎn)設(shè)備的可靠性儲(chǔ)備水平。設(shè)生產(chǎn)設(shè)備的可靠性為Rs,有

        (11)

        式中:Rsmin是最大允許劣化的可靠度(允許最小可靠度值);Rsext(t)是t時(shí)刻實(shí)際單批次可靠性的離散極端值,假設(shè)Rs對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)期望為g(t),標(biāo)準(zhǔn)差為h(t),有

        Rsext(t)=g(t)-3h(t)

        (12)

        3 宇航電源產(chǎn)品的量產(chǎn)可靠性評(píng)價(jià)

        針對(duì)某型宇航電源產(chǎn)品,應(yīng)用本文提出的量產(chǎn)可靠性指標(biāo)及評(píng)價(jià)方法,對(duì)電源產(chǎn)品的量產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行評(píng)估和改進(jìn)。根據(jù)工程分析,將變壓器電感量實(shí)測(cè)參數(shù)、手工焊后翹曲度、陶瓷板組件底面平面度、散熱凸臺(tái)高度、整機(jī)平面度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)等過(guò)程參數(shù)作為關(guān)鍵工藝過(guò)程可靠性敏感參數(shù),將輸出紋波和效率作為輸出特征參數(shù)。設(shè)改進(jìn)前的電源產(chǎn)品為批次1,改進(jìn)后的電源產(chǎn)品為批次2。

        批次1為未對(duì)關(guān)鍵參數(shù)采取明確控制的27臺(tái)產(chǎn)品,根據(jù)批次1量產(chǎn)可靠度、工藝穩(wěn)定性、工藝遺傳性、工藝可靠性儲(chǔ)備等指標(biāo)的評(píng)價(jià)結(jié)果,對(duì)關(guān)鍵工藝過(guò)程提出了更高的指標(biāo)控制要求,改進(jìn)了生產(chǎn)工藝控制方法,例如針對(duì)散熱凸臺(tái)的匹配性設(shè)計(jì)了新的工藝方法進(jìn)行測(cè)量保證。實(shí)施工藝改進(jìn)后,完成了批次2共49臺(tái)產(chǎn)品的生產(chǎn),同樣采用本文提出的方法,完成了量產(chǎn)可靠度、工藝穩(wěn)定性、工藝遺傳性、工藝可靠性儲(chǔ)備等指標(biāo)的評(píng)價(jià)。

        電源產(chǎn)品工藝改進(jìn)前后2個(gè)批次的量產(chǎn)可靠性指標(biāo)評(píng)估結(jié)果對(duì)比分析如下:

        (1)量產(chǎn)可靠度。批次1的量產(chǎn)可靠度指標(biāo)為0.659,批次2的量產(chǎn)可靠度指標(biāo)為0.805,可見,對(duì)工藝過(guò)程的關(guān)鍵因素采取控制措施后,量產(chǎn)可靠度指標(biāo)有顯著提升。

        (2)工藝穩(wěn)定性。工藝穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)果如圖3所示,由圖3可見,批次2相對(duì)于批次1的分布曲線更為集中,表明對(duì)量產(chǎn)可靠性關(guān)鍵因素采取控制措施后,工藝過(guò)程的穩(wěn)定性有效加強(qiáng)。

        (3)工藝遺傳性。針對(duì)5個(gè)工藝關(guān)鍵因素指標(biāo),采用遺傳性計(jì)算公式,得到遺傳性評(píng)價(jià)結(jié)果如圖4所示,評(píng)價(jià)結(jié)果表明,量產(chǎn)可靠性控制前后,各個(gè)工序之間相互影響程度的變化不大。

        (4)工藝可靠性儲(chǔ)備。通過(guò)計(jì)算,批次1、批次2的可靠性儲(chǔ)備指標(biāo)分別為0.290、0.002,可見,采用了量產(chǎn)可靠性控制措施后,改進(jìn)后的工藝系統(tǒng)能力明顯優(yōu)于改進(jìn)前。

        4 結(jié)束語(yǔ)

        本文通過(guò)宇航電源產(chǎn)品量產(chǎn)可靠性指標(biāo)的構(gòu)建、評(píng)價(jià)和工程實(shí)施表明:

        (1)宇航電源產(chǎn)品的量產(chǎn)可靠性重在控制量產(chǎn)工藝過(guò)程質(zhì)量,可以用量產(chǎn)可靠度、工藝穩(wěn)定性、工藝遺傳性、工藝可靠性儲(chǔ)備等4個(gè)指標(biāo)表征;

        (2)量產(chǎn)可靠度、工藝穩(wěn)定性、工藝遺傳性、工藝可靠性儲(chǔ)備等指標(biāo)可以有效評(píng)估電源工藝過(guò)程滿足批量化生產(chǎn)的能力,并應(yīng)用于工藝改進(jìn)。

        本文提出的量產(chǎn)可靠性指標(biāo)體系和算法應(yīng)用于電源產(chǎn)品小批量化生產(chǎn)線,取得了良好效果,為評(píng)估和控制量產(chǎn)產(chǎn)品的可靠性提供了技術(shù)手段,可以推廣應(yīng)用于其他批量化生產(chǎn)產(chǎn)品的可靠性控制與評(píng)價(jià)中。

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