某型惯导生产过程的可靠性提升研究

孟宝林++张博

摘 要：某型惯导产品生产过程统计分析研究发现先期故障率上升的前提下，产品获得了更长的产品寿命预期，并试图基于此现象寻求产品效能与可靠性的改善途径。另讨论了惯导产品主动因素改进、多元器件的余度设计、再制造与重用对产品系统可靠性提升分析。

关键词：惯性产品；可靠性；余度设计；再制造与重用

某型惯导产品生产线在1月～12月的生产周期平均单套产品故障率系数为0.17。与此相比前一年同期故障率系数为0.09。通过比较不难发现当年在产量上升的情况下故障次数也同时上升。而导致这种结果的因素值得分析研究，并试图寻求有效改进的途径，以提高生产的可靠性与稳定性，达到高的生产效率。某种意義上，在故障总数无法持续降低的前提下，故障发生于生产周期前端无疑是一种更加“健康”的方式。

1 故障周期的变化趋势

某型惯导生产线工艺流程可以粗略分为：包含粗、精、检验约7个阶段。从图2数据统计来看，前一年故障发生在前端的概率为P前=0.05，发生于后端的概率P后为0.04，而当年全年产品故障多发生于工艺流程的前端（筛选阶段），故障发生在流程前端的概率上升为P前=0.13，发生于后端的概率持平为P后=0.04。

1.1 时间优势

对于单套惯导系统而言，生产周期T应该包括两部分：正常调试周期∑ti，其中（i=1，2，3…7）和重做流程周期∑tj，其中（j=n，n+1，…k）。见公式：

T=∑ti+∑tj

其中：i=1，2，3…7；j=n，n+1，…k；

n为重做工艺起始点；

k为故障问题发生点。

以生产过程较为常见的加计故障为例，若故障发生在精调阶段即k=5，则依据工艺重做起始点为粗调阶段即n=4。若故障发生在粗调阶段k=4，则n=k=4。陀螺故障若发生在精调阶段k=5时，n=3。若陀螺故障发生在粗调阶段，则n=k=4。

1.2 成本优势

相较于时间优势，成本优势更加直观。在更加健康的工艺过程中，较早的暴露故障单元或元器件，缩短了生产周期从而提高了生产效率，降低了劳动工时成本和生产资料成本。

1.3 可靠性优势

所谓产品的故障率/失效率（Failure Rate）体现了在给定寿命周期内，系统产品的故障问题次数/失效次数。典型的失效率时间函数如下图3所示，在产品初始阶段、以及报废阶段是故障率较高的时期，而在产品有效使用周期内，故障率应维持在一个恒定的低值范围。系统在生命周期内关于时间t的可靠性函数可以表示为：

R（t）=e-λt

MTBF=1/λ

该故障率求解公式简便的体现出了函数关系，因而对于求解相关问题十分有效。用此函数关系可以比较出惯导生产线今年故障发生趋势的变化，以及这种变化趋势产生的影响。

设上图1中黑色曲线为统计当年平台故障率λ随寿命时间t变化的函数，即“浴盆曲线”，而浴盆曲线底部可以近似为指数分布处理，而指数分布底部平滑区间，则认为是产品平均寿命周期估计。假设与之对应的可靠性函数R（t）=e-λt。红色虚线为前一年度故障率λ'函数。根据实际生产数据可知R'（t）与y轴的截距小于R（t）与y轴的截距，因此R'（t）函数事实上沿x轴做了平移。此时有：

尽管事实上统计当年年平均单套故障系数0.18相比前一年的单套故障系数0.09有较大增幅，与之相对应的是产品故障率的上升。然而从产品全生命周期的可靠性函数分析，却获得了更长的产品寿命预期。这反映了一种思想即把系统产品的故障尽可能早的暴露出来，有利于增加产品的寿命以及产品质量的稳定性。

2 故障变化趋势的机理

对比了国外同类惯性产品的一些可靠性数据，发现惯性元器件（陀螺、加计）的故障是影响惯性产品性能以及可靠性的最主要原因。以Honeywell激光惯性系统产品（RLG-GG1342）数据为例，其中激光陀螺的每百万小时的失效次数为2.7，陀螺通道（包括：陀螺、驱动模块、电子模块、数模转换、HV供电模块）百万小时失效次数达4.2。加计通道百万小时总失效次数达2.6，电源、处理器及电子线路模块百万小时总失效次数达5.2。

3 改善生产效能及系统可靠性途径的思考

3.1 主动因素提高某型惯导系统可靠性预期

主动因素是指，从故障原因与机理出发，所寻找、定位到的引起故障模式变化的产品部件、工艺与流程等影响因素。

通过对国内外相关系统产品以及组件的可靠性统计对比和分析，通常认为主要影响因素取决于陀螺与加计等惯性器件等相关组件上。而电子线路、电源部分可靠性通常较高。具有高可靠性的产品，应当具有长寿命周期估计。并且从故障模式来看惯性器件和线路板相关故障占了相当比例。从有关数据分析来看，某年系统故障原因中线路板原因引起的占了大部分，约50%。该故障原因主要是线路板的元器件装配前早期筛选剔除力度不够，元器件批次问题较多所引起。而通过对比发现，在前一年度的故障原因中，陀螺故障、加计故障所占比重较大，但两年占比相对持平，原因为陀螺、加计经过数年的使用验证，迭代改进，优化设计，工艺相对稳定，产品质量稳定可靠，故障率基本出于稳定状态。在生产线调试与验收工艺流程基本无变化的前提下，导致故障部件发生元器件部位与故障发生时间的概率分布之间的相关性，也值得关注。

仍需进一步研究关注，加计与陀螺在前期的制造或筛选过程（如：老化试验时常与周期、振动强度、磁场强度等）中，若生产与工艺环境发生变化时，可能导致产品出现批次质量问题。从而尽可能具体的找到关联性，进而采取改进性策略以到达我们所期望的产品性能以及可靠性预期。

定位主动因素提高产品可靠性，主要通过故障定位，针对性对产品的工艺制造过程进行严格控制，主要从人、机、料、法、环、测等方面加强管控，但通常情况下，产品的工艺制造过程是个比较庞大复杂的系统，工艺制造过程中存在影响产品质量的确定性因素和不确定性因素，不确定性因素难以识别和控制，随着工业制造工艺水平提高、工业自动化智能化的发展，通过对工艺制造过程的自动化智能化的深度改造，将大多数难以识别和不可控制的不确定性因素交由机器完成，替代人为操作的传统工艺制造过程，将不确定性因素转化为可控状态，从而有效提升产品质量和可靠性。

定位主动因素提高产品可靠性的一个比较有效方法为HALT试验、可靠性加速试验、HASS试验。

HALT试验：依据某型惯导的产品特点和用户使用环境要求，使受试产品承受不同的步进应力，进而发现设计极限，以及潜在薄弱环节的试验方法。用于产品研制阶段，快速寻找产品设计、工艺等缺陷，改善产品的环境适应性，提升可靠性。

可靠性加速试验：在可靠性强化试验的基础上加严试验条件的试验方法。

HASS试验：根据产品可靠性强化试验结果，对产品施加规定的振动及温度综合应力，快速鉴别和剔除由产品工艺和元器件引起的早期故障的一种工序和方法。用于产品交付阶段的筛选试验， HASS的筛选效率高于传统ESS的筛选效率，快速、高效激发产品的早期缺陷。

通过HALT，不仅可使产品的故障率降低到接近于零的水平，同时还可将产品出现耗损的时间大大向后推迟，使产品的寿命大大提高。3种研制生产方式得到的产品浴盆曲线及有关参数比较如图2所示。其中，曲线A是不进行环境适应性研制试验、可靠性增长试验和环境应力筛选得到的产品浴盆曲线；曲线B是进行过传统环境适应性、可靠性增长试验和环境应力筛选得到的产品浴盆曲线；曲线C是应用HALT和高加速应力筛选（HASS）技术得到的产品浴盆曲线。

从这3条曲线中，明显看出早期故障、偶然故障和耗损故障3个阶段。对图2分析可得3个方面的区别，第一个区别是浴盆底的高度λ不同，这一高度代表了产品的可靠性，高度越低，产品的可靠性越高，进行过HALT试验的产品浴盆曲线的高度λc接近于零，表明使用中几乎不出现故障。第二个区别是早期故障期的时间（t1）不同。经过HASS的产品早期故障期t1C最短。第三个区别是浴盆曲线底部的长度（t2）不同。通过HALT试验后产品的偶然故障期长度（t2C）大大加长，表明耗损期时间（t1+t2）向后推迟，即产品的寿命大大延长。从图5可明显看出，HALT试验既可提高产品的可靠性，又可延长产品的寿命。

定位主动因素以提高产品可靠性，不仅需要考察相应工艺流程文件要求，更重要是协同具体实施技术人员，更多的从细节出发关注流程中可能引起的目标变化诱因，并通过数据比对和试验对照，最后定位原因，找到改进措施，充分验证，举一反三持续推广。

3.2 被动因素改善惯性产品系统可靠性预期

3.2.1 多余度设计

在产品各部件性能与产量均处在一个稳定值的前提下时，增加系统产品的可靠性，另外一个重要途径是提高产品或部件的容错能力（Fault Tolerance）。而提高产品容错能力的一个重要途径就是在设计产品构架的过程中，增加余度的设计。而根据惯导产品以及航电总体的特点，余度设计可以在三个层面实现：

（1）惯导系统级余度设计

指的是由两套或以上惯导系统通过航电总线联接构成余度惯性系统。此种设计已经实现了应用。在一套惯导失效的情况下，另一台惯导仍然可以继续为飞机提供正常的惯性数据。

假设单套惯导产品系统，可靠性为R（t）=e-λt在产品稳定运行阶段具有固定故障率λ，如果单套产品的可靠性为Rd

则具有双余度设计的系统可靠性为：

R1=1.0-（1.0-Rd）2=Rd2+2Rd（1-Rd）

此种方案的优点是便于实现，但缺点显而易见，即虽然整体上采用部件增倍，仍不能达到部件级的容错组合方案，计算后可以比较可靠性值低于部件级和器件级的余度组合。与此同时，对于故障率较低的电子机箱部分也投入双倍的余度设计，无疑在效果不显著的前提下过多的增加了成本。

（2）惯导系统部件级余度设计

这里所讨论的部件级余度设计，主要是指惯性平台组件。该组合方案与上述方案（1）相比在可靠性接近的情况下，减少一倍电子线路部分的投入，具有比较优势，假设单个平台组件的可靠性为R平、机箱电子线路部分可靠性为R电，则双平台组件的惯导系统构架可靠性为：

R2=（R平2+2R平（1-R平））*R电

（3）惯导系统器件级余度设计

通常而言，惯性平台包括2个挠性陀螺，敏感4个轴角速率（空余1个自由度）。3个加计敏感空间3轴速度。对于此传统设计，当其中任一传感器件失效，将直接导致平台组件故障。从生产线的实际数据分析可以得到，更换加计和陀螺的维修占了故障比例的大部分。因此考虑增加惯性器件的余度，成为提高惯性系统可靠性的有效手段。

基于4陀螺6加计的惯导系统余度构架方案，4个陀螺事实上构成了空间8个轴角速率敏感余度，但由于空余了2个自由度，有效余度为6个。同时6个加计也提供了6个加计余度。

根据4陀螺通道6加计通道余度构架设计，可以得出惯导系统总体可靠性：

R3=R4g*R6a*Re*Rp

其中R4g为4个陀螺通道的可靠性

R6a为6个加计通道的可靠性

Re为电子线路部分的可靠性

Rp为电源部分的可靠性

且有R4g=Rg4+4Rg3（1-Rg）+6Rg2（1-Rg）2

R6a=Ra6+6Ra5（1-Ra）+15Ra4（1-Ra）2+12Ra3（1-Ra）3+3Ra2（1-Ra）4

惯导系统器件级余度构设计架可以达到高可靠性的同时，减少了惯性平台和电子线路部分的重复，有效的控制了成本。

3.2.2 再制造（Remanufacturing）与重用（Reuse）

当今惯性技术发展十分迅速，某型惯导的产品可靠性和精度不断提高。相对于传统航电产品寿命周期设计通常较长（如20年～30年），而在如此长时间跨度的周期内，设计初期较为先进的技术往往在实际使用阶段已经滞后于技术的进步。

而“再制造”技术指的是为使处于生命周期末端（失效）的产品或部件恢复到正常效能水平，甚至更高效能水平，对产品采取一系列的措施和处理流程。例如将目前先进的激光、光纤捷联惯导替代老型号产品，就为再制造模式提供了很好的基础。在老型号产品接近服役周期末端时，使用先进技术使老产品达到性能最优。然而此处所指出的“再制造与重用”概念和目前的光纤捷联惯导替代项目又有所不同。

再制造技術是一种全新的商业产品模式。在这种模式下，设备提供商不再提供某一具体型号产品，而是提供客户满足某种需求的服务。这种商业模式目前在欧美工业界做出了多种尝试，并且为设备制造商提供了利益的最大化。更为有意义的是，这种模式下，制造商节约了制造产品所需要的大量原料和能源，是对自然环境更加有利的模式。

参考文献

[1]Charles M， James W “Fault-Tolerant Air Data Inertial Reference System Development Results”， Commercial Flight Systems， Honeywell， Inc.

[2]Thierry， M.， Salomon， M.， Van Nunen， J. and Van Wassenhove， L. Strategic issues in product recovery management. California Manage. Rev.， 1995.

[3]Lund， R. T“The Remanufacturing Industry： Hidden Giant.” Boston， MA， Boston University， 1996.

作者简介：孟宝林（1981-），男，汉族，陕西西安人，学位：学士，职位：工程师，主要研究领域为工业自动化、测量与控制，航空惯导研发制造。

张博（1984-），男，陕西西安人，汉族，硕士，工程师，研究方向：航空惯导系统综合设计。