艦載電子裝備故障歸零中的可靠性驗證

昝峰，黃少侃，魯雪峰

（1.中國船舶集團有限公司第七〇九研究所，武漢 430079； 2.中國船舶集團有限公司第七二二研究所，武漢 430079；3.湖北航天技術研究院總體設計所，武漢 430040）

引言

隨著艦載裝備可靠性工作的廣泛開展，可靠性驗證逐漸成為研制單位關注的重點問題。由于艦載電子裝備的研制過程階段性特點，都要經歷系泊試驗和航行試驗階段，在該階段時一般均已經完成設計鑒定或者完成可靠性鑒定試驗，安裝到了實裝艦船上。一旦在系泊試驗和航行試驗階段發生故障，并且由于故障歸零而造成裝備的設計小部分更改。根據故障歸零的驗證要求，若要開展可靠性驗證，則必然面臨很多困難：①重新開展可靠性鑒定試驗，則成本很高，并且面臨樣機不足、拖累研制進度的因素；②若僅開展功能性能驗證，缺乏可靠性層次的驗證，則無法滿足訂購方的要求。鑒于此，亟須提供一種針對艦船電子裝備在故障歸零過程中開展可靠性驗證的方法。

傳統意義上的可靠性驗證試驗一般是指可靠性鑒定試驗和可靠性驗收試驗[1,2]。若嚴格按照GJB 899A開展兩類驗證試驗，則顯然是研制單位無法承受的。因此，本文采用廣義上的可靠性驗證，并從工程實踐的角度，考慮研制單位的費用可承受性以及訂購方對可靠性的重點關注，提出了一種“兩階段系統級試驗法”的可靠性驗證方案，有效的解決了上述問題并進而提出了很多新的應用場景。

1 故障歸零

1.1 故障歸零的要求

本文研究的是艦載電子裝備在系泊試驗和航行試驗階段發生故障的處理，故障歸零將主要圍繞該階段來展開。故障歸零是指對可能發生或已發生的故障問題，從技術、管理上分析產生的原因、機理，并采取預防措施或糾正措施，以避免故障重復發生的活動[3]。因此，故障歸零一般包括技術歸零和管理歸零。

其中，技術歸零是指對發現的故障在技術上徹底查找原因并提出解決措施。一般要求：

1）定位準確、機理清楚：通過對故障進行準確定位并開展機理分析，找出故障發生的原因以及對應的故障模式。故障定位和機理分析的程序是：

①研制單位技術人員應首先記錄故障發生的現象并分析故障發生部位，通過理論或失效分析、故障樹分析、魚刺圖分析、試驗（包括仿真、模擬）等手段，逐級查找原因，分析質量問題發生的機理，從而確定其根本原因。

②采用統計分析方法時，應收集同類產品的生產數量、經歷的試驗和使用的時間、已發生的故障數等，尋求該產品此類故障出現的概率和統計規律。

2）問題復現：為確保問題的準確性，應進行復現試驗。確實無法或無需進行復現試驗時，可采用模擬試驗、仿真試驗等來代替，并在歸零報告中應加以說明。必要時，編寫復現試驗方案，做好試驗記錄。

3）措施有效：應制定并落實糾正措施，一般包括：

①糾正措施應包括實施方案和驗證方法。

②應進行測試、試驗或檢驗，必要時組織評審確認措施的有效性。

③屬于設計、工藝等技術問題，應在設計、工藝等技術文件中落實措施；屬于器件失效問題，應在器件采購、入所復驗等文件中落實措施；屬于使用、管理不當，應修改完善操作使用規程、使用說明書及有關管理規章；涉及到產品技術狀態更改時，應按所相關質量程序要求辦理變更手續。

④對故障的影響和危害程度進行分析，分析的范圍主要包括：故障對在研、在產和已交付產品的影響和危害；對履行合同的影響、使用人員安全影響等。根據分析結果，制定措施減少影響的范圍和深度。

4）舉一反三：根據故障的性質及其影響，開展舉一反三工作，確認是否存在類似問題。

管理歸零則是指對發現的故障在管理上徹底查找原因并提出管理改進措施。一般要求：

①過程清楚、責任明確：裝備的質量負責人應及時組織有關人員查明故障產生的過程，分析故障發生的原因，找出裝備質量管理上的短板，對相關人員進行追責。

②措施落實、完善規章：針對裝備質量管理上的短板，應制定有效的糾正措施和預防措施，并積極落實。對于有章不循、無章可循等裝備質量管理問題，應修改完善相關規章制度。

③嚴肅處理：對裝備質量管理原因造成的故障，應嚴肅對待，汲取教訓，加強人員的思想教育和規章制度的宣貫與培訓，達到教育人員和改進裝備質量管理工作的目的。

1.2 故障歸零的一般流程

故障歸零中的可靠性驗證屬于技術歸零中措施有效的要求，因此本部分主要指故障的技術歸零流程。故障技術歸零的一般流程[4]包括：故障描述、故障定位情況、機理分析情況、問題復現情況、措施及驗證情況、舉一反三情況、結論。詳細流程見圖1。

2 故障歸零中的可靠性驗證方法

可靠性驗證是故障歸零中，在功能性能驗證的基礎上，進一步開展的裝備故障歸零措施在綜合環境應力下是否有效的驗證。傳統意義上的可靠性驗證主要是指可靠性鑒定試驗和可靠性驗收試驗。其中，可靠性鑒定試驗一般是在有可靠性指標要求的設備層次上開展，對設備可靠性指標進行驗證，而可靠性驗收試驗則是在裝備批生產階段開展的試驗。開展兩類試驗所耗費的人力、物力、財力成本很高，在當前固定總價的裝備采購形式下，是研制單位無法承受的。而廣義上的可靠性驗證，則是對裝備的可靠性水平開展試驗或評估，不一定是在設備層次上來驗證可靠性指標。

艦載電子裝備在開展系泊試驗和航行試驗階段，一般是完成設計鑒定的成熟產品，或是尚處于研制過程但已經完成可靠性鑒定試驗，技術狀態固化。系泊試驗和航行試驗階段屬于一般已經可以歸為艦載電子裝備的初期使用階段，一旦在該階段發生故障，尤其是由于某些設計與實際使用不符合而造成的設計更改，則在故障歸零時，必然要開展可靠性驗證。

結合工程經驗，艦載電子裝備故障歸零中的可靠性驗證可采取兩階段系統級驗證法：

1）第一階段系統級驗證法：在溫度、濕度、振動三綜合環境應力可靠性試驗箱內開展，按照GJB 899A對應安裝平臺的試驗剖面來開展試驗，裝備與其它裝備之間的接口通過信號模擬來實現。試驗統計方案則是按照裝備所在上級系統的可靠性指標來開展，試驗時間按照GJB 899A定時截尾試驗來計算。

①若上級系統可靠性指標是MTBF或MTBCF，所選定時截尾試驗方案的系數為η，則試驗時間為：

圖1 故障技術歸零的一般流程

②若上級系統可靠性指標是任務可靠度R，需先將任務可靠度轉換為MTBCF，然后按照GJB 899A選擇定時截尾試驗方案。

2）第二階段系統級驗證法：將裝備安裝到艦船實裝環境下開展，試驗應力以系泊或航行試驗過程中的應力為準。試驗統計方案則是按照裝備所在上級系統的可靠性指標來開展，試驗時間按照GJB 899A定時截尾試驗來計算，與第一階段系統級試驗法相同。

可靠性驗證通過與否的判決則是通過統計兩個階段試驗中發生的故障總數，若故障總數超過試驗統計方案允許的故障數，則裝備未通過可靠性驗證，需要再次開展故障歸零；若故障總數未超過試驗統計方案允許的故障數，則裝備通過可靠性驗證。

兩階段系統級試驗法的思想主要來源于GJB 899A的要求，設備的可靠性試驗應盡可能在系統層次上開展[5]。并且，裝備存在于上級系統中，與上級系統中其它設備存在功能接口，其可靠性應該是保障上級系統的可靠性。在已經完成設計鑒定或可靠性試驗后，通過第一階段系統級試驗法，可以驗證故障歸零中存在設計更改的裝備可靠性；通過第二階段系統級試驗法，可以驗證裝備故障歸零后對上級系統可靠性的保障。

3 案例應用

3.1 問題背景

電源機柜配電單元屬于電源機柜的一部分，而電源機柜是某型指揮控制系統配電設備，沿用的是某型艦成熟設計，用于保障設備供電。

三相三線制交流220 V電壓進入機柜后通過三相接觸器接入三相匯流排，根據負載情況，依次從三相匯流排上取兩相交流220 V電壓進入空氣開關，空氣開關用于控制艙室不同設備的供電。電源機柜配電單元主要通過三相接觸器和空氣開關，控制各相關設備的供電。由于在某次航行試驗中發生接觸器故障，研制單位按照盡量不改變原有產品技術狀態的原則來開展設計工作，對電源機柜的配電單元進行了優化改進，主要是增加一個與原來電路采用的接觸器型號一致的三相交流接觸器，作為熱備份并聯使用。

按照訂購方的要求，該設備應在故障歸零的糾正措施驗證中開展可靠性驗證。但是該電源機柜已經沒有多余樣機來開展試驗，而且電源機柜配電單元的可靠性指標極高（MTBF≥2萬小時），難以在配電單元設備層次上開展傳統意義上的可靠性驗證試驗。并且，該裝備馬上面臨下一次航行試驗，訂購方要求研制單位必須在下一次航行試驗前完成故障歸零。

3.2 可靠性驗證試驗方案設計

針對研制單位所面臨的問題，考慮到故障歸零中存在裝備的設計變更，從滿足指揮控制系統配電需求的角度，采用本文提出的兩階段系統級試驗法來開展可靠性驗證。

指揮控制系統研制總要求中規定的基本可靠性指標為MTBF最低可接受值不低于120 h。因此，從指揮控制系統的基本使用需求出發，并考慮到電源機柜配電單元屬于單元級設備，關注更多的是基本可靠性，故其可靠性應至少滿足某型指揮控制系統的基本可靠性指標MTBF最低可接受值不低于120 h的使用要求。

電源機柜配電單元可靠性驗證可按照兩個階段系統級試驗法來開展：

第一階段在實驗室內三綜合試驗箱內進行，通過施加振動、濕度和溫度綜合應力，并將電源機柜配電單元放在電源機柜中，采用配重的方法開展試驗；試驗過程中通過接入交流源和交流負載，測試電源機柜配電單元經歷優化設計后，可否在三綜合應力下正常工作，其試驗時間與保障指揮控制系統的配電使用需求相一致。

第二階段，將改進設計后的電源機柜配電單元安裝到艦船實裝環境下，隨指揮控制系統一起進行實裝環境下的可靠性驗證。主要是測試電源機柜配電單元經歷優化設計后，可否在實裝環境下，正常保障指揮控制系統的配電，其試驗時間與保障指揮控制系統可靠配電使用需求相一致。

本次可靠性驗證采用GJB 899A-2009中推薦的定時截尾試驗方案20-1，方案參數如表1所示。

根據統計試驗方案，本次可靠性試驗的有效試驗時間為：

T＝1.61×120 h≈193.2 h

即在零故障情況下，驗證指揮控制系統MTBF最低可接受值不小于120 h時，指揮控制系統所需的可靠配電時間是193.2 h。本次可靠性試驗分兩個階段進行：

第一階段：實驗室驗證，在三綜合試驗箱內進行，試驗時間為193.2 h。主要驗證電源機柜配電單元在振動、濕度、溫度三綜合應力環境下正常工作的能力。

第二階段：現場驗證，電源機柜配電單元隨指揮控制系統在實船上進行可靠性試驗，試驗時間為193.2 h。主要驗證電源機柜配電單元在實裝使用環境下正常工作的能力。

表1 試驗方案參數

4 結論及展望

案例的實際應用表明，采用“兩階段系統級驗證法”，可在滿足艦載電子裝備故障歸零中糾正措施驗證的基礎上，縮短可靠性試驗時間，保障裝備的研制進度，獲得研制單位和訂購方雙方均滿意的結果。

本文提出的兩階段系統級試驗法，除了在裝備故障歸零糾正措施驗證中有良好的應用外，該方法所體現的思想還可以在裝備的其它可靠性試驗場景中得到廣泛應用，包括：

1）裝備已經完成可靠性鑒定試驗，但由于實際使用需求發生變更，導致裝備的設計存在較大變更，此時可以考慮補充一個兩階段系統級試驗。

2）裝備所提的可靠性指標是各個組成設備的，各組成設備可靠性指標較高，在采用內外場結合的可靠性試驗方法時，內場試驗時間可按照艦船實裝的配置，開展系統級可靠性試驗，然后在外場試驗中補充不足的部分。