陶書弘,劉順利,何 平
(中國(guó)航發(fā)控制系統(tǒng)研究所,江蘇無(wú)錫214063)
以可靠性為中心的維修分析(Reliability Centered Maintenance,RCM)理論認(rèn)為,定時(shí)翻修對(duì)提高復(fù)雜裝備的可靠性幾乎不起作用,但是對(duì)于以耗損型故障模式為支配地位的裝備可顯著提高其可靠性。因此,目前在型號(hào)裝備研制中,仍會(huì)規(guī)定翻修期、使用壽命等相關(guān)壽命指標(biāo)。裝備在整個(gè)研制過(guò)程中,需考慮壽命指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證。裝備設(shè)計(jì)壽命能否滿足研制要求,不僅影響裝備的經(jīng)濟(jì)性,也顯著影響其可靠性和安全性。
目前裝備壽命相關(guān)參數(shù)較多,文獻(xiàn)[1-2]研究涉及了航天器在軌壽命指標(biāo);文獻(xiàn)[3]描述了壽命、使用壽命、設(shè)計(jì)壽命、維護(hù)壽命、經(jīng)濟(jì)壽命、替代壽命和市場(chǎng)壽命等壽命相關(guān)術(shù)語(yǔ)概念;文獻(xiàn)[4]從不同分類角度介紹了工作壽命和存儲(chǔ)壽命、有軌道壽命和有效工作壽命、平均壽命和可靠壽命、設(shè)計(jì)壽命、評(píng)估壽命和實(shí)際壽命等壽命概念。不同的研究者對(duì)相同壽命參數(shù)的定義存在不一致之處,典型的如前蘇聯(lián)軍標(biāo)13377將存儲(chǔ)壽命定義為“產(chǎn)品在規(guī)定的條件下存儲(chǔ)及運(yùn)輸?shù)娜諝v時(shí)間,在此期間內(nèi)及存儲(chǔ)后的規(guī)定參數(shù)值,應(yīng)保持在規(guī)定的范圍內(nèi)變化”;GJB 451A則將存儲(chǔ)壽命定義為“產(chǎn)品在規(guī)定的存儲(chǔ)條件下能夠滿足規(guī)定要求的存儲(chǔ)期限”。
在設(shè)計(jì)、分析和驗(yàn)證環(huán)節(jié),存在諸多壽命參數(shù)及對(duì)其概念理解不清的問題,將嚴(yán)重影響裝備壽命設(shè)計(jì)與驗(yàn)證。為了理清不同壽命概念內(nèi)涵,本文從相關(guān)國(guó)軍標(biāo)出發(fā),對(duì)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的壽命相關(guān)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析,明確其概念內(nèi)涵。梳理2類加速壽命驗(yàn)證方法,分析其應(yīng)用特點(diǎn),為耐久壽命指標(biāo)的驗(yàn)證提供支持。
裝備壽命指標(biāo)屬于可靠性指標(biāo)范疇,GJB 451[6]對(duì)壽命相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了定義,GJB 451A對(duì)其定義進(jìn)行了更新,并增加了4個(gè)壽命相關(guān)參數(shù),具體內(nèi)容見表1。
表1 GJB451和GJB451A中相關(guān)壽命參數(shù)定義
由于壽命參數(shù)較多,大量的壽命參數(shù)基于國(guó)軍標(biāo)中所列的參數(shù)衍生而來(lái),且具有專用性。為了簡(jiǎn)化研究,統(tǒng)一認(rèn)知,本文主要對(duì)國(guó)軍標(biāo)中相關(guān)壽命參數(shù)進(jìn)行分析,以便依據(jù)國(guó)軍標(biāo)開展產(chǎn)品壽命設(shè)計(jì)、分析和驗(yàn)證時(shí),能夠有著統(tǒng)一的理解,便于不同產(chǎn)品層次協(xié)調(diào)工作。
根據(jù)表1中耐久性定義,總壽命、使用壽命、儲(chǔ)存壽命、首次翻修期和大修間隔期都是耐久性相關(guān)壽命??煽繅勖c耐久性無(wú)必然的相關(guān)性,但可綜合表征壽命和可靠性的關(guān)系。
使用壽命可作為確定產(chǎn)品首次翻修期和大修間隔期的基值??倝勖鼮槭状畏奁诩由隙啻畏揲g隔期以及最后一次翻修到報(bào)廢的時(shí)間??倝勖鼜漠a(chǎn)品啟用時(shí)計(jì)時(shí),所以不包括儲(chǔ)存壽命。儲(chǔ)存壽命、總壽命、首次翻修期和大修間隔期的關(guān)系如圖1所示。
圖1 儲(chǔ)存壽命、總壽命、首翻期和翻修間隔期關(guān)系
裝備在使用條件下可發(fā)生決定產(chǎn)品壽命終結(jié)的失效,在非工作條件下也可以發(fā)生決定產(chǎn)品壽命終結(jié)的失效,2種條件下裝備失效的機(jī)理不同且相互之間無(wú)顯著相關(guān)性,因而總壽命、首次翻修期和大修間隔期除了用工作時(shí)間度量外,也經(jīng)常同時(shí)以日歷時(shí)間度量,二者以先達(dá)者確定產(chǎn)品到壽。
壽命與故障是對(duì)立統(tǒng)一的,沒有故障也就沒有壽命,因此有必要對(duì)故障進(jìn)行分類分析,以便明確壽命與故障的關(guān)系。
大多數(shù)簡(jiǎn)單產(chǎn)品的故障率隨時(shí)間的變化如圖2所示,俗稱浴盆曲線。浴盆曲線描繪了產(chǎn)品故障率隨時(shí)間變化的3個(gè)階段:早期故障階段、偶然故障階段和耗損故障階段。
偶然故障階段是產(chǎn)品的主要工作階段,決定其使用壽命長(zhǎng)短。進(jìn)入耗損故障階段,預(yù)示著產(chǎn)品即將到壽。若裝備故障主要由其組成產(chǎn)品的耗損故障支配,則可通過(guò)對(duì)該產(chǎn)品的定時(shí)維修、更換等預(yù)防性維修措施,延長(zhǎng)裝備的總壽命。除了支配性耗損故障外,裝備也可能存在其他次要耗損故障,若定期維修僅更換支配故障耗損裝備,則意味著每次維修后,失效率較前穩(wěn)定期的有所提高,直至失效率達(dá)到裝備報(bào)廢閾值,裝備到壽,如圖3所示。
圖2 裝備典型的故障率曲線
圖3 預(yù)防性維修條件下裝備的失效率與時(shí)間關(guān)系
若裝備具有多種耗損故障,且沒有支配性耗損故障,每個(gè)耗損故障對(duì)應(yīng)的壽命有一定的差距,如圖4所示。以存在3類耗損故障為例,最短壽命故障首次在t11時(shí)刻發(fā)生,修復(fù)后第2次在t12時(shí)刻發(fā)生,再次修復(fù)后在t13次發(fā)生,第2短壽命故障模式和第3短壽命故障模式分別于t21時(shí)刻和t31時(shí)刻首次發(fā)生,修復(fù)后分別于t22時(shí)刻和t32時(shí)刻再次發(fā)生,從圖4中可明顯看出很難制定翻修間隔期。
圖4 多種耗損故障共存的故障分布
將圖4在時(shí)間尺度上放大,3類故障多次交替發(fā)生,一段時(shí)間后,裝備單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生的故障次數(shù)近似恒定不變,如圖5所示。實(shí)際上對(duì)于復(fù)雜裝備,無(wú)論其組成部件故障是否屬于耗損故障,當(dāng)出現(xiàn)故障即更新部件時(shí),一段時(shí)間穩(wěn)定后,裝備故障時(shí)間都接近于指數(shù)分布,在20世紀(jì)60年代后期,將這種情況稱為“復(fù)雜產(chǎn)品無(wú)耗損區(qū)”[7]。如果穩(wěn)定期該失效率滿足可靠性要求,則只要不出現(xiàn)致命故障,則裝備無(wú)耐久壽命約束。
圖5 復(fù)雜產(chǎn)品故障分布
可靠壽命與耐久性無(wú)絕對(duì)相關(guān)性,只要存在失效的可能,即使不存在耗損故障區(qū),裝備也存在與可靠度相關(guān)的可靠壽命。存在耗損故障區(qū)的裝備可靠壽命曲線,在可靠度由1開始降低時(shí),對(duì)應(yīng)的可靠壽命迅速增加,在可靠度降低至某一區(qū)域時(shí)(耗損故障區(qū)),對(duì)應(yīng)的可靠壽命基本保持不變。從這一特點(diǎn)可見,當(dāng)裝備存在耗損區(qū)時(shí),其可靠壽命與耐久壽命基本一致,可以利用可靠壽命度量耐久壽命。裝備進(jìn)入耗損故障區(qū)時(shí),即開展預(yù)防性維修可以犧牲裝備較低的剩余價(jià)值(耐久壽命)獲得較高的裝備可靠性。不存在耗損故障區(qū)的裝備可靠性曲線則不存在此特征,如圖6所示。
圖6 存在耗損故障區(qū)和不存在耗損故障區(qū)的可靠壽命與可靠度的關(guān)系
可靠壽命與故障類型無(wú)關(guān),因此在驗(yàn)證可靠壽命時(shí),需明確裝備是否存在耗損故障區(qū),以避免利用偶然階段故障率評(píng)估具有耗損故障區(qū)的裝備可靠壽命,造成對(duì)耐久壽命的誤解。利用處于浴盆曲線偶然故障階段的產(chǎn)品失效率,計(jì)算裝備可靠壽命,可能得出遠(yuǎn)大于裝備的耐久壽命。例如電子裝備儲(chǔ)存偶然故障階段,其失效率可達(dá)到負(fù)七次方量級(jí),可靠度為0.9對(duì)應(yīng)的可靠壽命為120 a,而實(shí)際上元器件的存儲(chǔ)壽命可能僅15~20 a[8]。當(dāng)裝備存儲(chǔ)時(shí)間超出了元器件存儲(chǔ)壽命期時(shí),耗損故障占裝備故障主要部分,電子裝備整機(jī)失效率遠(yuǎn)大于偶然故障階段失效率,其批量裝備可靠度為0.9時(shí),對(duì)應(yīng)的總的存儲(chǔ)時(shí)間應(yīng)遠(yuǎn)小于120 a。
無(wú)論是使用壽命還是儲(chǔ)存壽命,國(guó)軍標(biāo)中給出的定義主要針對(duì)裝備個(gè)體,屬于裝備個(gè)體壽命。決定裝備個(gè)體壽命有2種情況,一種是出現(xiàn)從技術(shù)上還是經(jīng)濟(jì)上都不宜修復(fù)的故障,即GJB 451中提及的不可修故障;另一種是隨著裝備的翻修,裝備故障率越來(lái)越高,翻修產(chǎn)生的效益已不抵不過(guò)維修、使用產(chǎn)生的成本,即經(jīng)濟(jì)上不宜再修復(fù)。無(wú)論是何種情況,由于個(gè)體組成材料、制造工藝、所處環(huán)境、使用條件等的差異性,導(dǎo)致每個(gè)個(gè)體壽命都是不一樣的。
對(duì)于不可修產(chǎn)品而言,不同個(gè)體壽命概率分布構(gòu)成總體壽命分布。對(duì)于可修產(chǎn)品來(lái)說(shuō),由于每個(gè)個(gè)體壽命是不同的,首次翻修期或翻修間隔期也是不同的。但是對(duì)于批產(chǎn)產(chǎn)品而言,為了便于統(tǒng)一維修,批產(chǎn)產(chǎn)品規(guī)定的首翻期或翻修間隔期都是唯一的。總體壽命分布不再由個(gè)體壽命構(gòu)成,而是由整個(gè)使用階段的翻修間隔期加上最后一次翻修后個(gè)體剩余壽命概率分布構(gòu)成,如圖7所示。
圖7 批產(chǎn)產(chǎn)品翻修期與壽命
圖7 選用產(chǎn)品壽命具有集中分布的特點(diǎn),其總體壽命分布內(nèi)任何時(shí)刻都可能發(fā)生產(chǎn)品故障,根據(jù)GJB 451中定義,可事先確定判定到壽的失效率閾值,即人為選擇某一時(shí)刻,作為裝備總體壽命。
對(duì)于不具有集中分布的裝備壽命,不宜開展定期維修策略的,也就不宜選定某一時(shí)刻作為裝備總體壽命。典型的如壽命服從指數(shù)分布的裝備,定期翻修不僅不會(huì)提高裝備可靠性,浪費(fèi)翻修件剩余的使用價(jià)值,而且可能引入早期故障,降低裝備的可靠性。
個(gè)體壽命是隨機(jī)的,總體壽命是確定的。對(duì)于型號(hào)裝備來(lái)說(shuō),在設(shè)計(jì)階段,需要1個(gè)明確的壽命指標(biāo),以指導(dǎo)其開展設(shè)計(jì)。因而型號(hào)裝備的壽命指標(biāo)應(yīng)是總體壽命指標(biāo)??傮w壽命由個(gè)體壽命決定,但不能隨意選用某個(gè)體壽命度量總體壽命。
對(duì)于有翻修期、使用壽命和存儲(chǔ)壽命等耐久壽命指標(biāo)要求的裝備,在定型前需要驗(yàn)證其壽命是否滿足規(guī)定的要求。GJB 451A中定義了2類壽命相關(guān)試驗(yàn):壽命試驗(yàn)和耐久性試驗(yàn),均可用于驗(yàn)證裝備耐久壽命是否滿足要求。其中,壽命試驗(yàn)是為了測(cè)定裝備在規(guī)定條件下的壽命所進(jìn)行的試驗(yàn);耐久性試驗(yàn)是指在規(guī)定使用和維修條件下,為評(píng)估和驗(yàn)證裝備是否達(dá)到規(guī)定的耐久性要求所進(jìn)行的試驗(yàn);從定義上看,壽命試驗(yàn)屬于壽命測(cè)定試驗(yàn),耐久性試驗(yàn)屬于壽命考核試驗(yàn)。
相對(duì)于壽命測(cè)定試驗(yàn),耐久性試驗(yàn)具有試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)短,試驗(yàn)樣本量少(一般2個(gè))等特點(diǎn),因而在工程應(yīng)用中,耐久性試驗(yàn)常用于對(duì)型號(hào)裝備耐久壽命的考核。
通過(guò)對(duì)文獻(xiàn)[9]所提出的工程經(jīng)驗(yàn)法中的無(wú)故障壽命估計(jì)公式進(jìn)行變形處理,可確定耐久性試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)
式中:T為每臺(tái)試驗(yàn)件試驗(yàn)時(shí)間;T0為耐久性指標(biāo)要求;K為經(jīng)驗(yàn)系數(shù),具體數(shù)值由承制方和使用方協(xié)商確定。
耐久性試驗(yàn)?zāi)軌蚶脴O小樣本個(gè)體壽命估計(jì)總體壽命的關(guān)鍵在于合理選擇經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。顧名思義,經(jīng)驗(yàn)系數(shù)的取值主要憑借經(jīng)驗(yàn),主觀性強(qiáng),據(jù)此開展的鑒定試驗(yàn)可信度具有很大的不確定性。針對(duì)該問題,文獻(xiàn)[10]基于威布爾分布對(duì)壽命評(píng)估公式中的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)進(jìn)行了理論分析,將經(jīng)驗(yàn)系數(shù)與試驗(yàn)樣本數(shù)、威布爾分布的形狀參數(shù),規(guī)定的可靠度以及置信度聯(lián)系起來(lái)。由于威布爾分布描述型號(hào)裝備耗損失效分布具有廣泛的適用性,因而該文獻(xiàn)中所提出的方法同樣具有廣泛的適用性。利用文獻(xiàn)中所提出的方法,計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)的理論值,可提高利用極小樣本個(gè)體壽命鑒定型號(hào)裝備總體壽命(可靠壽命)是否滿足研制要求的可信性。
對(duì)于耐久性壽命要求不高的型號(hào)裝備,壽命試驗(yàn)和耐久性試驗(yàn)均可用于驗(yàn)證耐久性壽命指標(biāo)。但是對(duì)于具有長(zhǎng)期耐久壽命要求的型號(hào)裝備,傳統(tǒng)的壽命驗(yàn)證方法需要耗費(fèi)大量的試驗(yàn)時(shí)間,在定型前基本無(wú)條件開展此類驗(yàn)證試驗(yàn)。
對(duì)2類試驗(yàn)采用加速的方式開展,可大大縮減試驗(yàn)時(shí)間,使得定型前長(zhǎng)期耐久性壽命驗(yàn)證稱為可能。采用加速的方式開展的壽命試驗(yàn)稱之為加速壽命試驗(yàn)。采用加速的方式開展的耐久性試驗(yàn)可稱之為加速耐久性試驗(yàn)。目前,利用加速壽命試驗(yàn)或加速耐久性試驗(yàn)驗(yàn)證型號(hào)裝備長(zhǎng)期耐久壽命的技術(shù)尚不成熟,下文僅對(duì)2類方法進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹,為工程應(yīng)用提供參考。
按照應(yīng)力施加方式的不同,可將加速壽命試驗(yàn)分為恒定應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)、步進(jìn)/步退應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)、序進(jìn)應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)等。其中恒定應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)和步進(jìn)應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)技術(shù)最為成熟,已在國(guó)軍標(biāo)中推薦使用[11]。
基于恒定應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)和步進(jìn)/步退應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)評(píng)估裝備壽命的簡(jiǎn)要流程如圖8所示。為保證評(píng)估的準(zhǔn)確性,應(yīng)力水平至少設(shè)計(jì)有3級(jí)應(yīng)力,且每個(gè)應(yīng)力水平上,均要求有一定量的試樣樣本,以便能夠利用樣本個(gè)體壽命準(zhǔn)確估計(jì)總體壽命,試驗(yàn)樣本量要求較高。
圖8 基于加速壽命試驗(yàn)評(píng)估產(chǎn)品壽命的簡(jiǎn)要流程
加速模型是連接應(yīng)力和總體壽命特征參數(shù)的紐帶,基于該模型,可利用加速應(yīng)力條件下的裝備總體特征壽命外推自然使用/貯存條件下裝備的總體特征壽命。常用的加速模型有阿倫尼斯模型、艾琳模型、逆冪律模型和Coffin-Manson等模型。此外,也可以借助灰色模型[13]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型[14]等預(yù)測(cè)算法,直接利用試驗(yàn)數(shù)據(jù),挖掘壽命特征量與應(yīng)力的關(guān)系,無(wú)需事先確定適用的參數(shù)模型。
加速耐久性試驗(yàn)具有耐久性試驗(yàn)的所有優(yōu)點(diǎn),且通過(guò)加大試驗(yàn)應(yīng)力,可顯著縮短耐久性試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng),能夠在定型前鑒定具有長(zhǎng)壽命指標(biāo)要求的型號(hào)裝備。實(shí)施加速耐久性試驗(yàn),需要事先確定加速載荷譜及其加速因子,以確定等效耐久性試驗(yàn)所施加的加速載荷和試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng),其基本工作流程如圖9所示。
通過(guò)收集、實(shí)測(cè)和仿真任務(wù)載荷等方法,獲得實(shí)際任務(wù)載荷數(shù)據(jù),并對(duì)其進(jìn)行處理,編制1個(gè)周期的實(shí)際任務(wù)載荷譜?;谌蝿?wù)載荷譜,確定目標(biāo)應(yīng)力下的加速因子,可編制等效1個(gè)周期實(shí)際任務(wù)載荷譜的當(dāng)量加速載荷譜,以實(shí)施加速耐久性試驗(yàn)。
加速因子的準(zhǔn)確性,直接決定了加速耐久性試驗(yàn)的有效性。如條件許可,應(yīng)開展摸底壽命試驗(yàn),確定不同應(yīng)力條件下裝備的特征壽命,進(jìn)而確定裝備加速因子。如未積累同類裝備加速因子,也無(wú)條件開展壽命摸底試驗(yàn),則可通過(guò)分析計(jì)算確定裝備加速因子。
圖9 加速耐久性試驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)計(jì)流程
對(duì)簡(jiǎn)單產(chǎn)品,分析計(jì)算加速因子開展的研究較多,對(duì)于復(fù)雜裝備則少有研究。有1種理論認(rèn)為,裝備壽命取決于其組成壽命最短的部件,即壽命薄弱環(huán)節(jié),只要保證該部件壽命滿足要求,則裝備壽命即可滿足要求,該方法稱為薄弱環(huán)節(jié)法。按該方法,可將計(jì)算復(fù)雜裝備加速因子轉(zhuǎn)化為計(jì)算簡(jiǎn)單產(chǎn)品加速因子。
通過(guò)分析計(jì)算裝備加速因子,需要借用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定模型參數(shù)[15],通過(guò)分析確定阿倫尼斯模型為適用模型,借用經(jīng)驗(yàn)激活能,計(jì)算半導(dǎo)體元件的加速因子;若事先已知裝備壽命分布,也可以基于加速因子對(duì)應(yīng)的壽命特征量關(guān)系,通過(guò)預(yù)計(jì)不同應(yīng)力條件下裝備的壽命特征量,計(jì)算裝備加速因子[16]。
通過(guò)分析計(jì)算,確定裝備加速因子,其準(zhǔn)確性難以保證,在后續(xù)裝備使用過(guò)程中,應(yīng)通過(guò)正常使用/儲(chǔ)存數(shù)據(jù),對(duì)加速因子進(jìn)行修正,積累適用的加速模型和加速因子,為后續(xù)裝備壽命驗(yàn)證提供基礎(chǔ)。
對(duì)GJB 451和GJB 451A中規(guī)定的壽命相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了梳理分析。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)中的耐久壽命、可靠壽命和故障的關(guān)系進(jìn)行了分析,明確耐久壽命指標(biāo)僅適用于具有支配型耗損故障的裝備。可靠壽命與故障類型無(wú)關(guān),在驗(yàn)證可靠壽命時(shí),需明確裝備是否存在耗損故障區(qū),以避免利用偶然階段故障率評(píng)估具有耗損故障區(qū)的裝備可靠壽命,造成對(duì)耐久壽命的誤解。對(duì)個(gè)體壽命與總體壽命進(jìn)行了分類分析,明確型號(hào)裝備壽命指標(biāo)為總體壽命指標(biāo),在耐久壽命驗(yàn)證時(shí),應(yīng)考慮到個(gè)體壽命的隨機(jī)性。對(duì)于耐久壽命的驗(yàn)證,分析了壽命驗(yàn)證2種試驗(yàn)類型,強(qiáng)調(diào)了耐久性試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)并指明利用極小樣本個(gè)體壽命估計(jì)總體壽命的關(guān)鍵在于合理選擇經(jīng)驗(yàn)系數(shù),同時(shí)給出了經(jīng)驗(yàn)系數(shù)理論分析的參考依據(jù)。對(duì)于具有長(zhǎng)期壽命指標(biāo)的型號(hào)裝備壽命,建議并簡(jiǎn)單介紹了加速壽命試驗(yàn)和加速耐久性試驗(yàn)兩種加速驗(yàn)證方式。通過(guò)以上分析,為統(tǒng)一型號(hào)裝備設(shè)計(jì)人員對(duì)壽命指標(biāo)的理解提供參考,為開展型號(hào)裝備長(zhǎng)期耐久性壽命的驗(yàn)證提供支持。