趙新舟

(南京電子技術(shù)研究所，江蘇 南京 210039)

故障模式、影響及危害性分析(FMECA)作為一項(xiàng)科學(xué)有效的故障預(yù)防分析技術(shù)，在國(guó)內(nèi)外航天、航空、汽車(chē)、船舶、電子、武器裝備等行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)也日趨完善[1]，對(duì)提高產(chǎn)品可靠性發(fā)揮了重要的作用。

機(jī)動(dòng)式雷達(dá)架撤時(shí)間短，能實(shí)現(xiàn)全天候、全地域快速機(jī)動(dòng)[2]，其全壽命周期的可靠性、維修性、測(cè)試性、安全性、保障性及環(huán)境適應(yīng)性(簡(jiǎn)稱(chēng)六性，也稱(chēng)通用質(zhì)量特性)[3]已成為評(píng)價(jià)裝備性能和作戰(zhàn)效能的重要特性。FMECA應(yīng)用于雷達(dá)全壽命周期內(nèi)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的可靠性分析[4]，為雷達(dá)六性設(shè)計(jì)提供了不可或缺的技術(shù)支撐。機(jī)動(dòng)式雷達(dá)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是雷達(dá)硬件組成的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，對(duì)雷達(dá)結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)和功能負(fù)責(zé)[5]。雷達(dá)研制過(guò)程中應(yīng)盡早準(zhǔn)確地識(shí)別出產(chǎn)品潛在的薄弱環(huán)節(jié)，并提出改進(jìn)措施，因此在雷達(dá)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中開(kāi)展FMECA工作顯得格外重要。

本文主要研究如何在機(jī)動(dòng)式雷達(dá)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中開(kāi)展功能和硬件FMECA設(shè)計(jì)，并以機(jī)動(dòng)式雷達(dá)的典型結(jié)構(gòu)為例，提出自上而下的功能分析、自下而上的硬件分析及分層分級(jí)實(shí)施FMECA的技術(shù)途徑。

1 開(kāi)展FMECA的基本工作流程

在雷達(dá)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中開(kāi)展FMECA，確定雷達(dá)結(jié)構(gòu)功能、硬件(包括設(shè)備、整件及零部件)在雷達(dá)全壽命周期的環(huán)境剖面下所有可能出現(xiàn)的故障模式，及每一故障模式的原因和影響，以便找出潛在的薄弱環(huán)節(jié)，提出改進(jìn)措施。FMECA的基本工作流程[6]如下：

1)準(zhǔn)備工作。確定產(chǎn)品任務(wù)剖面；搜集類(lèi)似產(chǎn)品的故障信息；建立FMECA規(guī)范，制定編碼體系；明確FMECA表格格式及填寫(xiě)方法。

2)系統(tǒng)功能與結(jié)構(gòu)層次劃分。確定產(chǎn)品分解結(jié)構(gòu)，分層級(jí)完成功能分析，繪制功能框圖和任務(wù)可靠性框圖。

3)系統(tǒng)定義。定義約定層次，確定初始約定層次、約定層次及最低約定層次；定義故障模式、故障原因和嚴(yán)酷度等級(jí)。

4)分層級(jí)實(shí)施FMECA。對(duì)故障模式、故障原因、故障影響及嚴(yán)酷度進(jìn)行分析，提出設(shè)計(jì)改進(jìn)與使用補(bǔ)償措施，根據(jù)需要對(duì)每種故障模式采用風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)法或危害性矩陣分析法進(jìn)行危害性分析，填寫(xiě)FMECA表。

5)編制FMECA報(bào)告。根據(jù)報(bào)告內(nèi)容提出關(guān)鍵件、重要件清單等，給出結(jié)論和建議。

機(jī)動(dòng)式雷達(dá)研制周期長(zhǎng)，F(xiàn)MECA將貫穿于產(chǎn)品研制的各個(gè)階段，有一個(gè)逐步完善和迭代的過(guò)程。FMECA工作流程如圖1所示。

圖1 開(kāi)展FMECA的工作流程

2 雷達(dá)結(jié)構(gòu)FMECA實(shí)施實(shí)例

2.1 準(zhǔn)備工作

2.1.1描述產(chǎn)品壽命剖面和任務(wù)剖面

某機(jī)動(dòng)式三坐標(biāo)雷達(dá)是新一代地面情報(bào)雷達(dá)，工作壽命為20 a，滿(mǎn)10 a需大修。在規(guī)定環(huán)境條件下完成運(yùn)輸、快速架設(shè)與撤收，每天工作不少于10 h，按年維護(hù)周期完成預(yù)防性維修，非任務(wù)階段需完成裝卸、貯存、檢測(cè)與修理等工作。搜集相關(guān)雷達(dá)的故障信息可為該雷達(dá)FMECA提供技術(shù)支撐。

2.1.2制定編碼體系

制定該雷達(dá)FMECA規(guī)范，確定編碼體系，包括按產(chǎn)品層次進(jìn)行分級(jí)分解的工作單元編碼、故障模式編碼、故障原因編碼及故障影響編碼。

工作單元編碼采用電子行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的10級(jí)分類(lèi)圖號(hào)縮寫(xiě)與分系統(tǒng)編碼相結(jié)合的方式，文獻(xiàn)[6]給出了典型故障模式和故障原因的編碼示例，如圖2所示。

圖2 工作單元編碼

2.1.3規(guī)范FMECA報(bào)告

FMECA報(bào)告是FMECA工作的主要成果，為雷達(dá)六性設(shè)計(jì)提供重要依據(jù)，并在產(chǎn)品研制進(jìn)程中得到補(bǔ)充和完善。

2.2 雷達(dá)結(jié)構(gòu)功能FMECA

2.2.1系統(tǒng)定義

2.2.1.1功能分析

雷達(dá)結(jié)構(gòu)功能FMECA主要用于方案論證階段，此時(shí)雷達(dá)硬件組成尚不明確，需對(duì)功能故障模式進(jìn)行分析，以便在工程實(shí)施方案階段針對(duì)功能的缺陷和薄弱項(xiàng)進(jìn)行改進(jìn)。

某機(jī)動(dòng)式雷達(dá)的結(jié)構(gòu)功能框圖如圖3所示，根據(jù)該雷達(dá)研制要求，雷達(dá)實(shí)現(xiàn)的主要結(jié)構(gòu)功能包括承載、防護(hù)、熱控、方位轉(zhuǎn)動(dòng)、快速架設(shè)/撤收以及公路、鐵路和航空運(yùn)輸。

圖3 某機(jī)動(dòng)式雷達(dá)結(jié)構(gòu)功能框圖

將雷達(dá)整機(jī)分為3個(gè)公路運(yùn)輸單元，分別為天線車(chē)、電子設(shè)備車(chē)和電站車(chē)，各運(yùn)輸單元的上裝可與載車(chē)分離，分離后的各部分滿(mǎn)足鐵路運(yùn)輸和航空運(yùn)輸?shù)囊?。?shí)現(xiàn)天線車(chē)承載和防護(hù)功能的重要結(jié)構(gòu)件包括天線陣面骨架、天線座、承載平臺(tái)、運(yùn)輸載車(chē)、蛙腿與調(diào)平腿、方艙艙體。熱控功能包括天線陣面高頻箱內(nèi)及轉(zhuǎn)臺(tái)內(nèi)電子設(shè)備的冷卻、環(huán)控，電子設(shè)備艙內(nèi)電子設(shè)備冷卻、環(huán)控以及電站艙內(nèi)發(fā)電機(jī)組散熱。伺服系統(tǒng)控制天線座帶動(dòng)天線方位轉(zhuǎn)動(dòng)?？焖偌茉O(shè)/撤收包括天線陣面的展開(kāi)/折疊和鎖緊/解鎖、天線陣面倒豎、蛙腿展開(kāi)/收攏、調(diào)平腿伸縮。

2.2.1.2建立功能約定層次

分析該機(jī)動(dòng)式雷達(dá)，其功能約定層次劃分如圖4所示。初始約定層次為雷達(dá)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，組成雷達(dá)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)基本功能為約定層次，將基本功能進(jìn)一步分解形成的各分系統(tǒng)功能為最低約定層次。分系統(tǒng)設(shè)計(jì)師根據(jù)不同研發(fā)階段的需要將分系統(tǒng)功能繼續(xù)分解為子功能，子功能還可再分為更小的功能單元[7]。各層次功能的實(shí)現(xiàn)由相關(guān)設(shè)備或整件來(lái)完成，最終形成分層級(jí)的功能體系。

圖4 雷達(dá)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)功能約定層次

圖5為熱控分系統(tǒng)分解后形成的功能層次與結(jié)構(gòu)層次的對(duì)應(yīng)關(guān)系。功能與實(shí)現(xiàn)功能的硬件不是唯一對(duì)應(yīng)的，相互之間可存在重疊，即一種硬件可承擔(dān)多種功能，一種功能也可由多種硬件組合實(shí)現(xiàn)。

圖5 熱控分系統(tǒng)的功能與結(jié)構(gòu)層次

2.2.1.3定義故障判據(jù)和嚴(yán)酷度等級(jí)

功能故障的判斷依據(jù)是雷達(dá)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在規(guī)定的條件下，無(wú)法實(shí)現(xiàn)規(guī)定的功能；或是性能指標(biāo)無(wú)法滿(mǎn)足研制或任務(wù)書(shū)要求；或是雖完成功能性能但需要的成本、保障、人員等要求超過(guò)了產(chǎn)品允許的范圍。

雷達(dá)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)故障模式的嚴(yán)酷度分為致命、嚴(yán)重、一般和輕度4級(jí)，見(jiàn)表1[6]，表中ESR為故障模式的嚴(yán)酷度等級(jí)。

表1 故障影響嚴(yán)酷度及等級(jí)評(píng)分規(guī)則

2.2.2功能故障模式及危害性分析

根據(jù)功能約定層次自上而下分層級(jí)對(duì)雷達(dá)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的基本功能進(jìn)行故障模式分析。

雷達(dá)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)承載及防護(hù)功能故障模式見(jiàn)表2。

表2 結(jié)構(gòu)系統(tǒng)承載及防護(hù)功能故障模式

功能故障模式的危害性分析采用定性危害性矩陣分析方法，即根據(jù)每個(gè)功能故障模式出現(xiàn)的概率并結(jié)合其嚴(yán)酷度等級(jí)繪制危害性矩陣來(lái)比較各故障模式的危害程度。故障模式的出現(xiàn)概率及評(píng)分等級(jí)見(jiàn)表3，表中OPR為故障模式的發(fā)生概率等級(jí)。得到的雷達(dá)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)承載及防護(hù)功能危害性矩陣如圖6所示。

圖6 承載及防護(hù)功能的危害性矩陣圖

表3 故障模式概率等級(jí)

2.2.3功能FMECA結(jié)論與建議

該機(jī)動(dòng)式雷達(dá)的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)承載及防護(hù)功能共25個(gè)故障模式，其中嚴(yán)酷度為Ⅰ的有3個(gè)，嚴(yán)酷度為Ⅱ的有4個(gè)，主要為整機(jī)及天線的承載能力；故障模式發(fā)生概率高的有2個(gè)，表現(xiàn)為雷達(dá)防腐蝕功能，危害性較大的故障模式為密封圈損壞或壓不緊，識(shí)別其為關(guān)鍵故障模式。

針對(duì)故障編碼為101、102的故障模式，增加風(fēng)速儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)風(fēng)載荷，提前預(yù)警操作人員倒天線；增加抗傾覆和抗滑移安全系數(shù)，并進(jìn)行抗傾覆模擬試驗(yàn)驗(yàn)證；加強(qiáng)對(duì)操作人員的培訓(xùn)，明確抗風(fēng)要求。針對(duì)203故障模式，采用仿真計(jì)算、提高安全裕度和加載試驗(yàn)驗(yàn)證作為設(shè)計(jì)改進(jìn)補(bǔ)償措施。通過(guò)合理選材及表面鍍涂提高雷達(dá)設(shè)備的防腐能力，降低雷達(dá)腐蝕發(fā)生概率。合理選擇密封圈、提高門(mén)板剛度，使鎖緊力與之匹配，結(jié)合淋雨試驗(yàn)驗(yàn)證，降低密封結(jié)構(gòu)漏雨的危害性。

2.3 雷達(dá)結(jié)構(gòu)硬件FMECA

2.3.1建立硬件約定層次

根據(jù)某機(jī)動(dòng)式雷達(dá)結(jié)構(gòu)方案，結(jié)合工程實(shí)際，確定產(chǎn)品的分解結(jié)構(gòu)，將雷達(dá)結(jié)構(gòu)分為八級(jí)，設(shè)置層級(jí)代碼，分別為雷達(dá)系統(tǒng)(a)、工作單元(b)、大裝配(c)、機(jī)柜或下一級(jí)裝配(d)、插箱或子裝配(e)、插件(f)、模塊(g)、零部件(h)，最低約定層次可根據(jù)分系統(tǒng)實(shí)際分解層次來(lái)確定。產(chǎn)品整機(jī)的約定層次分解結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 某機(jī)動(dòng)式雷達(dá)結(jié)構(gòu)分解約定層次

2.3.2硬件故障模式及危害性分析

硬件故障判據(jù)為結(jié)構(gòu)件在規(guī)定條件下無(wú)法實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能或性能指標(biāo)，或雖然滿(mǎn)足功能、性能要求，但對(duì)其他結(jié)構(gòu)件產(chǎn)生的不利影響超過(guò)了規(guī)定要求。雷達(dá)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)硬件危害性分析采用風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)(RPN)方法或定量危害性矩陣分析方法。對(duì)于易于獲取部件故障率數(shù)據(jù)的系統(tǒng)如伺服控制和冷卻分系統(tǒng)采用定量危害性矩陣分析，其他采用風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)評(píng)估危害性。風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)方法是對(duì)每個(gè)故障模式的RPN值進(jìn)行優(yōu)先排序，并采取相應(yīng)的措施，使RPN值達(dá)到可接受的最低水平。RPN計(jì)算式如下[6]：

RPN=ESR×OPR

(1)

ESR評(píng)分規(guī)則見(jiàn)表1，OPR評(píng)分規(guī)則見(jiàn)表3。RPN越高，優(yōu)先級(jí)越高；RPN相同，嚴(yán)酷度高者優(yōu)先。以天線座結(jié)構(gòu)為例描述硬件FMECA故障模式識(shí)別及風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生優(yōu)先級(jí)，見(jiàn)表4。其他各組成部件按照自底向上逐級(jí)分析，最終形成整機(jī)硬件FMECA表格。

2.3.3硬件FMECA結(jié)論與建議

對(duì)關(guān)注的故障模式RPN采用統(tǒng)計(jì)法計(jì)算其均值和標(biāo)準(zhǔn)差，確定產(chǎn)品風(fēng)險(xiǎn)控制的優(yōu)先次序，給出產(chǎn)品關(guān)鍵、重要件及保障資源清單。計(jì)算實(shí)例如下。

設(shè)雷達(dá)所有結(jié)構(gòu)故障模式RPN的集合近似服從正態(tài)分布，則有：

p=μ±nσ

(2)

式中：p為分位數(shù)；μ為均值；σ為標(biāo)準(zhǔn)差；n決定了故障模式風(fēng)險(xiǎn)的接受程度，一般取1，2。

對(duì)于Ⅰ級(jí)嚴(yán)酷度，當(dāng)RPN值大于(μ+2σ)時(shí)，確定為雷達(dá)結(jié)構(gòu)初始關(guān)鍵、重要件。根據(jù)表4計(jì)算知，天線座結(jié)構(gòu)系統(tǒng)異響、抖動(dòng)或振動(dòng)過(guò)大、異常磨損、卡死、溫度過(guò)高、漏油等故障模式風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別較高，因此方位大軸承、電機(jī)與減速箱、驅(qū)動(dòng)齒輪應(yīng)作為天線座結(jié)構(gòu)的重要件進(jìn)行管理，并優(yōu)先落實(shí)各項(xiàng)改進(jìn)措施。

表4 天線座結(jié)構(gòu)硬件故障模式

對(duì)雷達(dá)其他結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行分析，得到產(chǎn)品風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別較高的故障模式及重要部件匯總表，為產(chǎn)品結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

3 結(jié)束語(yǔ)

機(jī)動(dòng)式雷達(dá)具有復(fù)雜的機(jī)電系統(tǒng)，面對(duì)多域多變的惡劣環(huán)境，其結(jié)構(gòu)可靠性[8]是人們關(guān)注的焦點(diǎn)，將FMECA應(yīng)用到產(chǎn)品結(jié)構(gòu)系統(tǒng)研制全過(guò)程是提高其可靠性的重要措施。

故障模式獲取是開(kāi)展FMECA工作的基礎(chǔ)，目前機(jī)動(dòng)式雷達(dá)結(jié)構(gòu)故障模式的獲取主要依賴(lài)于工程設(shè)計(jì)人員的工程經(jīng)驗(yàn)和參考類(lèi)似產(chǎn)品的故障信息，故障數(shù)據(jù)積累還不充分，故障模式分析不夠全面，影響了FMECA的效果。以設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、調(diào)試、試驗(yàn)、使用、修理等過(guò)程中積累的故障信息為基礎(chǔ)，并結(jié)合雷達(dá)結(jié)構(gòu)仿真分析[9]，構(gòu)建機(jī)動(dòng)式雷達(dá)結(jié)構(gòu)故障信息數(shù)據(jù)庫(kù)[10]，并在雷達(dá)產(chǎn)品研制進(jìn)程中持續(xù)動(dòng)態(tài)更新，將大幅提高FMECA的有效性。

雷達(dá)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與生產(chǎn)工藝過(guò)程密切相關(guān)，同步開(kāi)展工藝過(guò)程FMECA，將有助于減少結(jié)構(gòu)故障模式中的制造缺陷，改善工藝薄弱環(huán)節(jié)，縮短研制周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性水平。