程 浩 馬仕明 劉 勇

北京航天自動控制研究所，北京 100854

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電子設(shè)備維修性設(shè)計與評價

程 浩 馬仕明 劉 勇

北京航天自動控制研究所，北京 100854

針對電子設(shè)備自身的特點，結(jié)合維修性要求和相關(guān)的標準、設(shè)計手冊，提出了適用的維修性設(shè)計準則，以準則作為評價指標定性分析了某電子設(shè)備的不同設(shè)計方案。利用維修性評價模型定量分析了該設(shè)備的維修性設(shè)計優(yōu)劣，分析結(jié)果與實際情況吻合。文中所用方法可為同類產(chǎn)品的維修性設(shè)計提供參考。

電子設(shè)備；維修性設(shè)計；維修性評價

維修性是產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)，按規(guī)定的程序和方法進行維修時，保持或恢復(fù)其規(guī)定狀態(tài)的能力[1]。產(chǎn)品維修性設(shè)計的目標是實現(xiàn)便于維修、快速維修和經(jīng)濟維修，特別是要縮短維修時間。電子設(shè)備具有空間體積小、元器件密集程度高的特點，以及發(fā)生故障時維修難的問題。如何在儀器小型化和集成化的同時，保證其維修性達到相應(yīng)的要求，是技術(shù)人員在結(jié)構(gòu)設(shè)計時必須解決的問題。

國外提出維修性的概念源于武器裝備中出現(xiàn)越來越多的維修性問題。從上世紀四五十年代開始，美國逐漸意識到，僅靠提高電子設(shè)備可靠性遠遠不夠，必須同時解決維修性問題，因此開始對維修性設(shè)計進行大力推廣。除美國外，日本等國在維修性設(shè)計方面也走在世界的前列。

國內(nèi)對維修性工程與應(yīng)用的關(guān)注較晚，20世紀70年代后期，我國才逐漸引進國外先進的維修科學(xué)。經(jīng)過近年的發(fā)展，已初步形成了維修性工程的設(shè)計理論和方法體系，維修性標準也日趨成熟。生建友[2]對軍用電子設(shè)備的維修性設(shè)計進行了概述,陳璐等[3]系統(tǒng)地闡述了產(chǎn)品維修和維修性的基本概念，董俊義[4]提出了提高軍用電子系統(tǒng)維修性的各項技術(shù)措施，曾毅等[5]敘述了2種維修可視性評價方法。本文提出了適用于電子設(shè)備的維修性設(shè)計準則，并從定性和定量2個方面對某電子設(shè)備進行了分析和評價。

1 維修性設(shè)計準則的提出

維修性設(shè)計準則是為了將產(chǎn)品的維修性要求、使用約束和保障約束轉(zhuǎn)化為具體的設(shè)計而確定的通用或?qū)Ｓ迷O(shè)計準則。技術(shù)人員在設(shè)計產(chǎn)品時應(yīng)遵循和采納相應(yīng)維修性設(shè)計準則的條款。制定維修性設(shè)計準則是維修性工程中一項非常重要的工作，也是維修性設(shè)計與分析過程的主要內(nèi)容。維修性設(shè)計準則的作用體現(xiàn)在：1)指導(dǎo)設(shè)計人員進行產(chǎn)品設(shè)計；2)便于在設(shè)計階段進行設(shè)計評價；3)便于分析人員進行維修性分析和預(yù)計。

維修性設(shè)計準則的主要內(nèi)容包括[1,6]：簡化設(shè)計，可達性和可操作性設(shè)計，模塊化、標準化和互換性設(shè)計、防差錯和標示設(shè)計、維修安全性設(shè)計、維修性人機工程設(shè)計和測試診斷設(shè)計等。不同類別和不同層次的產(chǎn)品，其維修性設(shè)計準則差別較大，制定某類產(chǎn)品的維修性設(shè)計準則可參照的有：1)產(chǎn)品的維修性要求；2)相似產(chǎn)品的維修性設(shè)計準則和已有的經(jīng)驗教訓(xùn)；3)適用的標準、設(shè)計手冊。主要流程見圖1。

圖1 制定維修性設(shè)計準則的流程框圖

經(jīng)過以上流程，一方面選取了已有各種標準、規(guī)范、手冊中適合的內(nèi)容，另一方面結(jié)合電子類產(chǎn)品的功能、結(jié)構(gòu)類型以及使用維修條件等特點，可得符合電子設(shè)備自身特點的維修性設(shè)計準則通用條款：

1) 設(shè)計要簡化。在滿足功能和使用要求的前提下，盡可能采用最簡單的組成、結(jié)構(gòu)和外形，減少零部件的品種和數(shù)量，另外還要注意簡化、合并產(chǎn)品功能。

2) 符合可達性和可操作性要求?？蛇_性是指在維修產(chǎn)品時，接近維修部位的難易程度，主要指視覺可達和操作可達?？蛇_性設(shè)計是從維修空間和布局方面提高維修性?？刹僮餍灾府a(chǎn)品在結(jié)構(gòu)上應(yīng)便于拆缷、組裝，維修時應(yīng)滿足簡單、省時、省力的要求。

3) 標準化和模塊化設(shè)計。標準化指在滿足要求的前提下，限制產(chǎn)品可行的變化到最小范圍的設(shè)計特性，包括元器件、工具的種類以及術(shù)語、軟件、材料工藝等。模塊化設(shè)計是實現(xiàn)部件互換通用、快速更換維修的有效途徑。

4) 保證測試診斷快速和準確。性能測試和故障診斷的難易程度，直接影響產(chǎn)品的修復(fù)時間，產(chǎn)品設(shè)計時應(yīng)充分考慮故障檢測診斷的方便性。

5) 維修工具通用化。產(chǎn)品在維修時對工具及設(shè)備的要求應(yīng)盡量簡單，并且應(yīng)盡量減少專用工具、專用設(shè)備的使用。

除了通用條款，對于部分特殊設(shè)備還可制定專用條款，如戰(zhàn)場搶修設(shè)計和維修作業(yè)環(huán)境設(shè)計等。

上述維修性設(shè)計準則可作為評價指標，對電子設(shè)備的設(shè)計方案進行維修性分析與評價，并根據(jù)評價的結(jié)果指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計。

2 實例分析

2.1 定性分析

圖2和3分別是某設(shè)備在模樣階段和初樣階段的2種設(shè)計方法，其變化之處是圖2中印制板1、印制板2和安裝板合并成圖3中印制板3，箱內(nèi)其它結(jié)構(gòu)不變。其好處有3點：

1)把具有相同或相似功能的結(jié)構(gòu)進行合并，符合簡化設(shè)計的要求，同時也減少了零部件的品種和數(shù)量；

2)兩圖對比看出，圖3方案的結(jié)構(gòu)設(shè)計使箱體內(nèi)空間更寬裕，便于工作人員進行觀察和操作，大幅度提高了可達性和可操作性；

3)在維修工具方面，圖3方案的優(yōu)勢是對工具的要求簡單，只需要普通工具就能完成設(shè)備的拆卸和裝配。

但是圖2方案在測試診斷設(shè)計方面做得更好，通過對功能單元的合理劃分，使得性能測試和故障診斷的難易程度大大降低，在一定程度上減少了設(shè)備的修復(fù)時間。由此可見，2種方案各有優(yōu)劣，通過實際使用過程中的對比發(fā)現(xiàn)，整體上，圖3方案的設(shè)計方法維修性能更優(yōu)。

圖2 模樣階段箱體內(nèi)部布局

圖3 初樣階段箱體內(nèi)部布局

2.2 定量分析

陳璐等[7]給出了一種定量評價產(chǎn)品維修性能的方法，本文以此為依據(jù)，并結(jié)合第1節(jié)中闡述的維修性評價指標，提出了一種適用于電子設(shè)備的維修性評價模型。

美國軍事標準MIL-HDBK-472 Maintainabili-ty Prediction 中定義了維修性評價指標的打分標準，以4，2，0三個等級分別表示每個評價指標的優(yōu)、中、劣，該標準還定義了打分依據(jù)。需指出的是，各項評價指標之間并非相互獨立，而是具有一定關(guān)聯(lián)度，且任意兩評價指標的關(guān)聯(lián)度都具有矢量性。假定用4，2，0分值來表示兩兩之間的關(guān)聯(lián)度強弱，結(jié)合電子設(shè)備的維修性設(shè)計準則(即評價指標)可得到表1。

表1 維修性指標關(guān)聯(lián)度

維修性評價模型綜合考慮了各評價指標及其關(guān)聯(lián)度，定義為

(1)

式中，i和j分別為不同的維修性評價指標；Ai為各項維修性指標的打分值；Tij為維修性指標i相對于維修性指標j的關(guān)聯(lián)度。

用矩陣表示為：

(2)

積和式是矩陣的一個重要函數(shù)，其計算結(jié)果涉及了矩陣的每一項，能對矩陣進行準確的定量描述，設(shè)B為n階方陣，B=(bij),積和式定義如下：

(3)

將維修性評價模型用矩陣積和式表示出來就是維修性綜合指數(shù)，因此，維修性綜合指數(shù)同樣考慮了各種維修性指標及其關(guān)聯(lián)度，定量地描述了設(shè)備維修性能的狀況。綜合指數(shù)越大，設(shè)備的維修性能越好，反之越差。

為了簡化形式，結(jié)合表1將部分關(guān)聯(lián)度數(shù)值代入式(2)，得到：

(4)

上述矩陣用積和式表示如下：

per(WP)=A1A2A3A4A5+T25T52A1A3A4+

T24T45T52A1A3

(5)

現(xiàn)在用維修性評價模型對前面的實例進行分析。參照MIL-HDBK-472標準，對圖2和3兩種方案的維修性能進行打分，見表2。

表2 維修性指標打分值

結(jié)合表1各指標的關(guān)聯(lián)度，可以得到2種不同設(shè)計方案的維修性評價矩陣：

代入式(5)可以計算出維修性綜合指數(shù)，per(WP1)=256，per(WP2)=512，由此結(jié)果可以看出，圖3方案的維修性綜合指數(shù)大，維修性能好，應(yīng)予以優(yōu)先采納，這與實際維修過程中得到的結(jié)論是一致的。上述方法非常簡便、快捷，在對電子設(shè)備進行維修性評價時可以使用。

3 結(jié)論

隨著維修性工程的發(fā)展，維修性設(shè)計已經(jīng)成為產(chǎn)品設(shè)計過程中非常重要的部分，在很大程度上決定了設(shè)計的質(zhì)量和后期的使用效果。本文針對電子設(shè)備的特點，提出了適用的維修性設(shè)計準則。良好的維修性設(shè)計應(yīng)滿足設(shè)計簡化、可達性好、標準化程度高、易檢測和維修工具通用化等要求。僅靠定性分析難以準確評價不同設(shè)計方案的維修性優(yōu)劣，通過建立適用于電子設(shè)備的維修性評價模型和計算維修性綜合指數(shù)，綜合考慮了影響設(shè)備維修性的各種因素，實現(xiàn)了定量分析維修性能的目標，方便了設(shè)計者在設(shè)計初期選擇維修性能更優(yōu)的方案。

[1] 呂川．維修性設(shè)計分析與驗證[M]．北京：國防工業(yè)出版社，2012．

[2] 生建友．軍用電子設(shè)備的維修性設(shè)計[J]．電子機械工程，2001，(6)：10- 15．(Sheng Jianyou．Maintainability Design of Military Electronic Equipment[J]．Electro-Mechanical Engineering，2001，(6)：10- 15.)

[3] 陳璐，蔡建國．可維修性設(shè)計及其技術(shù)方法研究[J]．機械設(shè)計與研究，2002，18(2)：13- 16．(Chen Lu，Cai Jianguo．Research on the Design Method and Technology of Design for Maintainability[J]．Machine Design and Research，2002，18(2)：13- 16．)

[4] 董俊義．大型軍用電子系統(tǒng)的維修性設(shè)計[J]．電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗，2009，27(4)：49- 53．(Dong Junyi．Maintainability Design of Large Scale Military Electronic System[J]．Electronic Product Reliability and Environmental Testing，2009，27(4)：49- 53．)

[5] 曾毅，尚建忠，曹玉君，等．維修性設(shè)計中的可視性評價方法研究[J]．工程圖學(xué)學(xué)報，2009，(1)：70- 74．(Zeng Yi，Shang Jianzhong，Cao Yujun，et al．Research on Visibility Evaluation Methods in Maintainability Design[J]．Journal of Engineering Graphics，2009，(1)：70- 74．)

[6] 章國棟，等．系統(tǒng)可靠性與維修性的分析與設(shè)計[M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1990．

[7] 陳璐，蔣丹東，蔡建國．產(chǎn)品維修性的評價模型及實現(xiàn)算法研究[J]．中國機械工程，2003，14(21)：1857- 1859．(Chen Lu, Jiang Dandong, Cai Jianguo. Research on the Modeling and Algorithm in Product Maintainability Evaluation[J]. China Mechanical Engineering, 2003，14(21)：1857- 1859．)

MaintainabilityDesignandEvaluationofElectronicDevice

CHENG Hao MA Shiming LIU Yong
Beijing Aerospace Automatic Control Institute, Beijing 100854, China

Accordingtothefeaturesofelectronicdevice,togetherwiththe,suitablemaintainabilitydesignrulesareproposed，whichiscombinedwithmaintainabilityrequirement,relatedstandardsanddesignhandbooks.Bothqualitativeanalysisandquantitativeanalysisformaintainabilitydesignofanelectronicdevicearecompleted.Theformerusesmaintainabilitydesignrulesasevaluationindicators,andthelatterdependsonmaintainabilityevaluationmodel.Theresultfitswellwiththerealcondition,andthemethodprovidesareferenceformaintainabilitydesignofthesameproducts.

Electronicdevice；Maintainabilitydesign；Maintainabilityevaluation

2013- 03- 12

程浩(1987-)，男，河北人，碩士，工程師，主要研究方向為電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計及制造；馬仕明(1981-)，男，內(nèi)蒙古赤峰人，博士，工程師，主要研究方向為電子設(shè)備設(shè)計、仿真和優(yōu)化；劉勇(1973-)，男，北京人，工程師，主要研究方向為機械設(shè)計及制造。

V443

： A

1006- 3242(2014)06- 0071- 04