典型雷達(dá)基于可靠性的故障分析方法

王利斌 劉殿卿 劉迪

摘 要：針對典型雷達(dá)裝備，提出故障分析方法，將FMEA、FMECA與FTA方法的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)進(jìn)行比較。

關(guān)鍵詞：故障分析；可靠性；FMEA；FMECA；FTA

引言

通過故障分析，對雷達(dá)裝備系統(tǒng)和分系統(tǒng)單元進(jìn)行評價，從而增加整體可靠性水平。因此，對武器系統(tǒng)及分系統(tǒng)單元的故障進(jìn)行詳細(xì)、具體地系統(tǒng)性的分析是非常需要的，故障分析技術(shù)構(gòu)成了在可靠性分析過程中最基本、最重要的內(nèi)容。

一、FMEA

故障模式影響分析（Failure Mode Effect Analysis，簡稱FMEA），是在經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上演變出來的方法，美國格拉曼公司系統(tǒng)地采用并且固定了這種方法的形式，在本質(zhì)上是一種定性的分析方法。根據(jù)已完成的設(shè)計(jì)，用表格的形式表示，從低層部件次開始，逐步向高層整體次的全面的分析，根據(jù)分析結(jié)果提出改進(jìn)意見。

1.1故障影響區(qū)分

基于雷達(dá)裝備使用和設(shè)計(jì)功能，每個假設(shè)的故障模式導(dǎo)致裝備產(chǎn)生的后果進(jìn)行等級劃分，可以分為局部影響、高層次影響、最終影響。局部影響是預(yù)想的故障模式對所分析雷達(dá)武器裝備部件功能或狀態(tài)的影響，對評價補(bǔ)償措施及提出改進(jìn)意見提供依據(jù)。高層次影響是預(yù)想的故障模式對當(dāng)前所分析雷達(dá)武器裝備的重要層次使用、功能或狀態(tài)的影響。最終影響使預(yù)想的故障模式對最高層次的雷達(dá)武器裝備整體使用、功能或狀態(tài)的影響。

1.2 FMEA分析的目的

雷達(dá)武器裝備FMEA分析，是對發(fā)生故障的所有潛在故障模式進(jìn)行系統(tǒng)分析，并達(dá)到以下目的：

（1）對武器系統(tǒng)功能和性能有重大影響的故障模式進(jìn)行重點(diǎn)分析；

（2）有助于新型號設(shè)計(jì)方案作出客觀、科學(xué)的評價，并選擇出滿足要求的最優(yōu)方案；

（3）能全面的分析雷達(dá)裝備所有子系統(tǒng)的各種故障模式及其影響程度；

（4）能為進(jìn)一步定量分析雷達(dá)裝備提供基礎(chǔ)；

（5）能為改進(jìn)武器系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供資料、技術(shù)條件。

劉義樂等人基于國外的某些成熟的理論提出了一種改進(jìn)的FMEA，這種方法能夠在裝備的使用階段開展FMEA，達(dá)到縮減其工作量、避免遺漏和錯誤。相對傳統(tǒng)FMEA主要應(yīng)用于使用過程中，目的是降低使用和維護(hù)的工作量，提高可靠性和管理水平。在一些發(fā)達(dá)國家的裝備使用和維護(hù)過程中，以故障源分析技術(shù)為背景的改進(jìn)FMEA獲得廣泛應(yīng)用，借鑒改進(jìn)FMEA成熟經(jīng)驗(yàn)，使用較小投入獲取較大收益，對不斷提高和改進(jìn)我國武器裝備可靠性和可維修性意義重大。

二、FMECA

針對雷達(dá)武器裝備可靠性分析，運(yùn)用FMECA（Fault Mode Effect and Criticality Analysis）這一重要的定性分析方法，即故障模式、影響及危害度分析。FMECA方法是在FMEA基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。二十世紀(jì)中期，隨著對可靠性研究的深入，“危害度”這個概念開始應(yīng)用飛機(jī)操縱系統(tǒng)，十年后這種技術(shù)逐漸走向成熟，隨之而來，很多行業(yè)開始關(guān)注FMECA，F(xiàn)MECA是一種自下而上的分析方法，從基本零件到子系統(tǒng)，最后對整個系統(tǒng)分析。FMECA可以為雷達(dá)武器裝備的維修性、易損性和武器裝備后勤保障、雷達(dá)子系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)提供信息來源。

定性的分析方法是將每種故障模式對雷達(dá)武器裝備的影響和后果進(jìn)行評定。嚴(yán)酷度類別分為Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類和Ⅳ類。Ⅰ類表示的指災(zāi)難故障是一種會造成人員死亡或雷達(dá)武器裝備系統(tǒng)毀壞的故障。Ⅱ類表示的致命故障是一種導(dǎo)致人員嚴(yán)重受傷，武器系統(tǒng)性能嚴(yán)重降低或武器系統(tǒng)嚴(yán)重?fù)p壞，從而使任務(wù)失敗的故障。Ⅲ類表示的臨界故障將使人員輕度受傷，雷達(dá)武器裝備性能輕度下降或輕度損壞，從而導(dǎo)致任務(wù)延誤。Ⅳ類表示的輕度故障是一種不足以導(dǎo)致上述三類后果的故障，但它會導(dǎo)致需要進(jìn)行非計(jì)劃性維修。

故障率等級分為A級、B級、C級、D級和E級。A級代表雷達(dá)武器裝備故障經(jīng)常發(fā)生，在雷達(dá)武器裝備使用中發(fā)生故障的概率是很高的，故障模式出現(xiàn)的概率是總故障概率1.2倍以上。B級代表雷達(dá)武器裝備故障有時發(fā)生，在雷達(dá)武器裝備使用中發(fā)生故障的概率為中等，故障模式出現(xiàn)的概率是總故障概率1.1～1.2倍。C級代表雷達(dá)武器裝備故障偶然發(fā)生，在雷達(dá)武器裝備使用中發(fā)生故障是偶然的，故障模式出現(xiàn)的概率大于總故障概率，并在1.1倍以內(nèi)。D級代表雷達(dá)武器裝備故障很少發(fā)生，在雷達(dá)武器裝備使用中發(fā)生故障概率是很小的，故障模式出現(xiàn)的概率為總故障概率的1%～10%。E級代表雷達(dá)武器裝備故障極少發(fā)生，在雷達(dá)武器裝備使用中發(fā)生故障概率接近于0，故障模式出現(xiàn)的概率小于總故障概率的1%。

FMECA的分析程序如圖1所示。

三、故障樹分析法

故障樹分析法（Fault Tree Analysis，簡稱FTA）是1962年由美國貝爾電話研究所（BTL）提出的。FTA方法在雷達(dá)武器系統(tǒng)壽命周期的任何階段都可以采用，因?yàn)镕TA表達(dá)直觀，信息清晰可見，邏輯嚴(yán)密并進(jìn)行定量的分析，對處理復(fù)合起因，特別是人員差錯效果明顯。所以，F(xiàn)TA廣泛應(yīng)用于安全工程領(lǐng)域中。

4.1 故障樹分析的特點(diǎn)

（1）故障樹分析對雷達(dá)武器裝備整體可能出現(xiàn)的故障進(jìn)行全面考慮，不僅對雷達(dá)分系統(tǒng)故障產(chǎn)生的故障影響進(jìn)行細(xì)分，還考慮到雷達(dá)武器裝備操作軟件應(yīng)用環(huán)境和人為等因素。

（2）故障樹清晰的圖形邏輯演繹，直觀清晰的看出故障之間的邏輯關(guān)系，從而通過故障現(xiàn)象定位故障可能產(chǎn)生的薄弱環(huán)節(jié)。

（3）建立故障樹，相當(dāng)于為雷達(dá)武器系統(tǒng)建立一個維修和檢測指南，裝備使用人員可通過故障樹檢查兵器故障原因。

（4）故障樹分析缺點(diǎn)主要為：建立雷達(dá)武器故障樹耗費(fèi)人力和時間，需要考慮的因素多、難度大，對武器裝備分析人員要求較高，容易漏項(xiàng)和出錯。

4.2 故障樹分析過程

FTA一般的實(shí)施步驟按照熟悉分析對象、選定頂事件、故障樹建立與簡化、定性量分析、總結(jié)（評價，改進(jìn)建議等）的順序進(jìn)行。具體分析程序如圖2所示。

4.3 結(jié)合某型雷達(dá)的故障樹分析

結(jié)合某型雷達(dá)可靠性的研究，按照雷達(dá)的結(jié)構(gòu)機(jī)理，建立故障樹包括：電源故障、發(fā)射系統(tǒng)故障、接收系統(tǒng)故障、信號系統(tǒng)故障和顯示類故障幾種情況。