基于全寿命周期过程的装备完...保证方法及数据需求传递初探_彭文胜.pdf

28航空标准化与质量/2023-01Aeronautic Standardization&Quality质量工程技术研究和质量管理 Q&T Research and Quality Management基于全寿命周期过程的装备完整性设计保证方法及数据需求传递初探彭文胜1 皮润格1 单志伟2(1.中国航空综合技术研究所，北京 10028，2.陆军装甲兵学院，北京 100072）摘要 装备的使用安全、适用性和效能（Operational Safety Suitability and Effectiveness，OSS&E）是装备设计目标、也是装备全寿命周期管理的主要目的。从装备全寿命周期系统工程的角度阐述了装备完整性的设计与保证技术，首先基于国内外现状分析了装备完整性的内涵和定义，并给出了完整性综合设计的原理。结合典型航空装备的全寿命周期过程，提出了航空装备完整性设计与保证的技术方法和活动，并且基于完整性过程，给出了数据需求传递关系，并对装备完整性设计保证方法的实践进行了总结和展望。关键词 完整性；质量数据；全寿命周期；设计保证。中图分类号 V260 文献标识码 C 文章编号 1003-6660（2023）01-2833-06DOI 编码 10.13237/ki.asq.2023.01.070 引言装备的效能主要针对其能够可靠、成功地完成特定的作战任务，满足作战需求1。为了提高军事装备的战斗力，满足现代化战争的需求，美国等西方国家提出了武器系统完整性的概念，并且制定和完善了装备完整性方面的标准和规范，逐步形成一套适用的完整性体系2-6。装备完整性适用于装备的全寿命周期各个阶段的相关要素，不同完整性过程文件对应着应用设计和保障过程中相关完整性的研究计划。装备完整性过程保障了装备在整个寿命周期中的完整性。完整性作为综合性的过程，可以在系统层面上整合工程实践，推动和实现系统的使用安全性、适应 性 和 效 能（Operational Safety Suitability and Effectiveness，以下简称 OSS&E）2。我国对于完整性也有了一定的研究和应用，如在军用飞机结构设计、发动机结构设计、航空电子产品设计过程中都引入完整性的概念，并且融入到产品研制过程中7-9。但是针对装备全寿命周期过程中，还存在着完整性内涵不统一、系统完整性要求不协调等问题。基于此，针对装备完整性领域，对完整性进行了内涵分析，并且提出基于全寿命周期数据的装备完整性设计保证方法及数据需求传递关系。1 装备完整性1.1 装备完整性定义“完整性（integrity）”最初是“保持完整，不发生破坏”的意思，但作为反映出设备质量特性的术语是出自美国空军10。美国空军先在飞面机结构上应用完整性术语，提出了飞机结构完整性要求和制定了飞机结构完整性要求 飞机结构完整性大纲，并取得了显著成效。以后又不断地把完整性要求与完整性大纲的制定与实施应用于飞机发动机、电子设备、机械设备和软件等其他部分，同样取得了满意结果11-12。综合国内外的完整性的技术和实践，本文对于完整性的内涵分析包括两个层次，分别为广义的完整性和狭义的完整性。广义的完整性内涵：航空装备和武器系统的完整性是一套综合流程13，能够在系统层面推动装备的 OSS&E，其中包括使装备恢复到修理和大修之后标准水平性能的能力。航空装备和武器系统的完整性是一个完整的过程，该过程实现了装备的 OSS&E 和适航性。狭义的完整性内涵：指产品以故障机理为出发点，侧重对设计寿命，耐久性和经济寿命的度量和控制。29航空标准化与质量/2023-01Aeronautic Standardization&Quality Q&T Research and Quality Management 质量工程技术研究和质量管理1.2 航空装备系统完整性航空装备系统和航空产品完整性之间的关系（如图 1）。航空装备系统完整性是从广义完整性内涵的角度去进行定义，主要目的是保证装备全寿命周期的 OSS&E 的保持，为产品的完整性提出设计、制造、试验以及维修要求。而飞机结构完整、航空电子完整性、发动机结构完整性以及机械子系统和设备完整性，是从狭义的完整性内涵进行定义，其目的是通过完整性工作进行无故障和耐久寿命的控制。航空装备系统完整性飞机结构完整性航空电子完整性发动机结构完整性机械子系统和设备完整性产品的无故障、耐久寿命的设计和保证装备系统工程过程的安全、适应性和效能保持，为产品的完整性提出设计、制造、试验以及维修要求广义完整性狭义完整性可探测完整性图 1 航空装备系统完整性和产品完整性的关系2 完整性设计2.1 完整性的设计原理基于狭义完整性的定义，可以知道产品的完整性的要求是通过产品故障机理分析，从而对设计寿命、耐久性和经济寿命的度量和控制。而装备系统完整性是指在装备全寿命周期过程中的各个阶段，装备各层级产品实现可靠、耐久，确保不发生故障从而保证装备的安全、适用性和效能。因此可以得到产品完整性思想的主要参数指标和要求如下：1）主要参数指标完整性包括一套反映质量和经济性的综合指标，主要包括使用寿命、设计用途、环境、材料、设计准则、强度、耐久性和经济寿命、损伤容限、寿命管理（包括维修、检查、测试和质量控制）。2）完整性思想中对传统装备可靠性的要求以无故障工作时间（CFFOP）取代原先的平均故障间隔时间 MTBF，摒弃随机失效是无法避免的旧观念，推行基于失效物理的可靠性工程方法，设计出不存在随机失效的产品。从故障修理转移到计划预防维修。这就需要研发设计人员必须清楚产品将会怎样发生故障，一般何时发生故障。向在产品寿命周期内不出现致命故障方向迈进。为了达到产品无维修使用期，必须改变过去把有限的人力物力平均用在产品开发、研制、生产、使用全过程可靠性监控上，现应用于产品研发早期阶段，只有从项目开始第一天就强调可靠性，才能真正落实自下而上的可靠性方法。早期明了产品核心单元和薄弱环节，开展失效物理方法工作，采取有效纠正与预防措施，才能做到“无维修使用期”。可靠性与经济承受性的综合考虑。可靠性、经济性及技术性是矛盾统一体，可靠性与经济性及技术性是相互制约的，并共同决定产品质量，因此在方案论证时，应有多种方案权衡，确定最佳方案。2.2 完整性工程分析完整性工程分析是通过工程分析来评价装备的总寿命，也称为寿命分析。在装备的寿命周期内，一些产品因故障而拆卸（修复性维修），或者计划内外维修（包括拆卸和更换）以及由于预防性维修带来的检验工作，由于产品本身的应力累积和产品拆装带来的产品寿命变化，需要通过完整性工程分析方法加以确定。完整性工程分析目的是评价总寿命以确定寿命对可靠性的影响。如果现有技术尚不能做出经济可行的寿命设计以满足通过完整性分析提出的所有其他性能要求，则只能进行寿命管理来保证装备的完 整性。2.3 基于系统完整性全寿命管理寿命管理的目的是确保装备在全寿命周期内保持安全、耐久和可靠的性能水平。如果技术和材料不能满足所有要求，或系统超期服役，则必须采取补偿措施。装备的健康状态和经济寿命是装备寿命管理的两个重要对象。寿命管理一般必须考虑以下一些问题：（1）对飞机的性能和健康状态进行检测，确保其符合 OSS&E；（2）采集环境应力数据；（3）采集维修、修理/大修数据，确保一切维修和修理/大修活动均符合设备供应商（OEM）规范；（4）实施完整性分析，以判定已使用的寿命，30航空标准化与质量/2023-01Aeronautic Standardization&Quality质量工程技术研究和质量管理 Q&T Research and Quality Management分析时要联系相应的反应。要考虑如何节约生产资源，缩短技术更新周期。装备寿命管理是实现装备经济性和质量协调的最主要工作，其主要内容包括：1）跟踪有缺陷产品的使用在装备研制过程中，往往会使用一些“不尽符合”规范或“有缺陷”的产品，（通常的处理办法是超差，偏离、材料审查委员会审查）以便维持试验进度，按期交货。这里所说的“缺陷”指“不处于规范限值范围内”。这种缺陷的存在可能和寿命（由完整性分析决定）有关系，可能影响定期维修，拆卸或者检验间隔。这种产品的寿命管理及其技术指令必须作相应调整。一个有缺陷的产品能否使用，关键在于该产品的功能的关键程度以及对这种产品的跟踪能力。2）维修跟踪维修跟踪支持各种设备在各级维修中的检验和修理活动。技术指令系统和数据系统必须保证收集到充分的信息以检查维修活动是否已经适当执行，更改技术指令时必须考虑更改对完整性的影响，技术指令系统必须保证软件无误差。这意味着被支持的系统和技术指令两者都要接受技术状态控制。技术指令的逻辑更改办法和手动故障隔离办法要依据 FMECA 和 SSHA 进行评定，以保证设计、制造和维修的一致性。这也要求从研制到实施的各个节点上对技术指令的内容加以控制，同时在外场服役期间更新。3）基于实际使用定寿命基于实际使用定寿命是指在设计过程中，先定一个寿命的缓冲区，经过一段时间的使用，待系统或者产品经历未来作战使用后再确定寿命值。一般而言，基于实际使用定寿命比基于设计定寿命更准确，但是对特征明显且对环境应力做了深入分析。有透彻了解的系统，一般不一定要采用基于实际使用定寿命的方法，而对实际使用情况不甚了解的系统，采用这种方法就很有好处。基于实际使用定寿命不一定要通过试飞，在实验室里施加外场积累的实际应力，如激励动作、偏转、载荷等也可以实现，而且这种方法比外场试飞费效比更高。4）部队管理和状态保持部队管理的任务之一是使得飞机装备在编队内部轮转使用，以保证使用寿命均匀分布。如在恶劣环境或高强度演习或任务剖面下使用的飞机可以轮转到环境应力相对较轻、使用强度低一些的地方，以保证其寿命年限和受应力周期数不受损失。部队管理工作还涉及到装备的剩余寿命判定和延寿工作。软件系统和硬件系统类似，也必须接受配置的控制。3 装备完整性设计保证过程3.1 装备完整性设计流程装备完整性设计流程。从完整性综合设计过程和原理可以得出，航空装备进行完整性设计与保证过程主要从四个工作环节开展：（1）设计的实现主要从设计的角度出发，包括材料表征、环境表征、寿命设计与控制、可靠性设计、试验验证等。（2）工艺和制造过程保证主要从工艺设计和过程控制的角度出发，包括工艺表征、制造表征、制造工程控制管理、质量检验等。（3）使用过程保证主要从使用的角度出发，包括装备的维修以及使用限制。（4）优化设计改进主要包括问题跟踪及解决、软硬件优化设计等。通过以上几个工作环节，形成了装备全寿命周期内围绕安全、经济和适用性的闭环工作。3.2 装备全寿命周期完整性设计保证活动为达到装备 OSS&E 的目标，装备全寿命周期内完整性设计保证过程主要包括 5 个阶段（如图 2 所示），分别为：设计信息与初步计划、设计分析与研制试验、系统级试验分析、地面和飞行试验以及批产和保障阶段。在完整性设计保证过程中，完整性活动可归纳为 9 个基本部分：计划与协调、设计准则、表征环境、表征材料，表征生产和质量、识别和跟踪关键件、完整性工程分析、完整性试验，寿命管理。基于航空装备的典型寿命周期阶段，完整性设计保证过程以及活动的匹配关系如下图 3所示。31航空标准化与质量/2023-01Aeronautic Standardization&Quality Q&T Research and Quality Management 质量工程技术研究和质量管理论证阶段方案设计阶段试制/试验阶段初步设计阶段详细设计阶段批产/保障阶段列装定型阶段工程研制阶段论证阶段批产/保障阶段列装定型阶段设计信息与初步计划设计分析与研制试验系统级试验分析批产和保障地面和飞行试验计划与协调设计准则表征环境表征材料表征生产与质量识别和跟踪关键件完整性分析完整性试验寿命管理计划与协调设计准则（各个产品完整性过程要求）表征环境表征材料表征生产与质量识别和跟踪关键件完整性分析完整性试验寿命管理完整性分析表征生产与质量图 3 装备全寿命周期完整性过程工程研制阶段论证阶段初步设计阶段方案设计阶段