基于MakeReal3D VMPro做维修性预计的应用示例

MRLi 2月前 190

引言

维修性是电子设备的重要通用质量特性,也是可靠性的重要补充和延续,工程研制阶段开展维修性预计是保证产品维修性的重要步骤。目前,虽然军用电子设备大都有维修性定量指标的要求,但很多产品并没有进行详细而准确的维修性指标预计。通过对军用电子设备的维修性模型、维修性预计方法进行分析,结合基层级平均修复时间预计的思路和工作流程,利用MakeReal3D VMPro软件产品可以有效地指导设计师进行维修性预计,以检验电子设备的维修性设计是否满足维修性指标的要求,并找出维修性设计中的薄弱环节,为设计改进提供依据。


图1 MakeReal3D VMPro维修性设计分析与验证评估工具

一、建立维修行模型

建立维修性模型是进行维修性预计的必要步骤,主要包括物理模型(图解式模型)和数学模型。

1.1 维修性物理模型

维修性的物理模型表达了维修作业体制职能和维修时间组成部分之间的基本逻辑关系,如维修功能层次框图和维修职能流程图等。

维修功能层次框图是产品的维修层次框图。它以产品的组成框图为基础,从顶层开始,逐级向下展开,直到规定的维修级别需要进行维修的可更换单元(LRU)为止。对应到MakeReal3D VMPro软件产品中,通过“维修性设计分析”模块中的“可视化建模”功能,按层级构建出电子设备的LRU结构树,如图2所示:


图2 可视化建模,按层级构建出LRU结构树

维修职能流程图主要描述各维修级别维修活动的步骤。例如当分析基层级维修性指标时,需要建立产品的基层级维修职能流程图。对应到MakeReal3D VMPro软件产品中,通过“维修性设计分析”模块中的“维修过程树建模”功能,按维修活动的步骤构建出某一可更换单元LRU的维修过程树,如图3所示:


图3 按维修活动的步骤构建出LRU的维修过程树


1.2维修性数学模型

维修性的数学模型是维修性各种参数和变量的数学逻辑关系的抽象表达,主要包括2种模型:

1) 平均修复时间模型。
从本质上讲,设备故障由其组成单元故障引起。根据《GJB/Z 145 -2006:维修性建模指南》中平均维修时间模型,假设设备由n个可更换单元组成,各单元的故障率为λ,已知各单元平均修复时间MTTR,则设备平均修复时间为

图4 设备平均修复时间计算公式

因此,各可更换单元(LRU)所需的平均修复时间决定了整个设备的平均修复时间。

2) 可更换单元的维修时间与相关维修活动时间的关系模型。

每个可更换单元的维修时间由相关维修活动时间决定,根据产品设计和维修方案等,能够确定出相应的维修活动顺序,对应的关系模型主要有3种:串行作业、并行作业及网络作业模型。

1.3维修性建模的步骤

维修性建模一般包括如下步骤:
1) 确定目的,即建模的时机和建模的用途;
2) 确定建模的参数,一般为合同或任务书中规定的参数,最常规定的参数是平均修复时间(MTTR);
3) 收集资料,主要包括功能层次及其框图、结构特性、产品维修性的设计特征、可靠性分析的资料等;
4) 确定维修级别,产品的维修级别一般采用三级维修体制,即基层级、中继级和基地级;
5) 选用适用的模型;
6) 建立维修性模型。
二、军用电子设备的维修性预计方法应用分析

目前,《GJB/Z 57-1994 维修性分配与预计手册》中提供了6 种维修性预计方法,各维修性预计方法的适用范围和用于估计的维修性参数等都有所不同。但是国军标中对维修性预计方法的描述相对比较复杂,不利于设计师如何去选择哪种维修性预计方法。针对军用电子设备的特点,梳理后的维修性预计方法应用分析参见图5,设备研制过程中应根据自身特点针对性地进行选择。


图5 常用维修性预计方法应用分析
三、军用电子设备基层级的平均修复时间预算

目前军用电子设备的平均修复时间(MTTR)要求一般在基层级,对于发生故障的设备,采用更换外场可更换单元(Line Replaceable Unit,LRU)的方式原位维修,对拆卸下来的故障LRU不维修。通过对维修性预计方法的分析,考虑到工程应用的简易性和实用性,本示例选择功能层次预计法和时间累计预计法进行基层级平均修复时间预计的介绍。

3.1 基层级平均修复时间预计的思路

设备在基层级的修复性维修,假设各LRU 故障之间是独立的,这种情况下只需考虑串行作业模型,即同一时刻只对一个LRU 进行维修。要直接估计出设备的基层级平均修复时间是不现实的,但可以把它分解开来,把其组成单元出故障后的维修过程也分解开来,针对某个单元某项维修活动或作业,估计其时间是比较容易实现的。然后再对各项作业、各维修活动和各单元的修复时间进行综合,求出设备平均修复时间,此预计思路可用图6表示。

图6 基层级平均修复时间预计思路

基本维修作业是持续时间短、相对变化小的简单维修动作,可以由实际时间、标准时间手册、操作试验、虚拟维修任务仿真、类似设备经历的实际时间以及经验判断法等方法得到其时间数据。


图7 基于MakeReal3D VMPro的虚拟维修任务仿真

3.2基层级修复性维修的过程

由图6可知,每个外场可更换单元的修复性维修都对应着一个维修过程,一般包括如图8所示的几种修复性维修活动。


图8 基层级修复性维修过程

故障诊断隔离是把被测设备的故障隔离到外场可更换单元的过程,属于测试性及故障诊断的范畴,相应时间与诊断方案有关。大部分新研制的电子设备已普遍采用BIT 和ATE 进行测试,故障诊断隔离时间可根据BIT及ATE的性能直接得出。分解、更换、重新组装等活动的序列主要由外场可更换单元的结构和安装环境所确定。因此,当设备的结构及其诊断、维修策略基本确定时,其外场可更换单元完成各维修活动所需时间也就基本确定。
3.3基层级平均修复时间预计的数学模型
维修性预计方法中的功能层次预计法和时间累计预计法都采用了以下2 种数学模型:

1) 累加模型,用于由基本维修作业时间合成为维修活动时间Ti,维修活动时间合成为各LRU 完成一次修复性维修所需的时间;

2) 均值模型,用于求平均修复时间。

3.4基层级平均修复时间预计的工作流程

由以上分析可知,军用电子设备的基层级平均修复时间由各LRU 的故障率和各项维修活动时间决定,具体预计过程如下:

1) 根据维修性建模方法,建立设备的维修性物理模型;

2) 通过设备功能层次图,获得LRU 清单;

3) 根据可靠性预计结果,得到各LRU 的故障率λ  

4) 确定设备各LRU 的维修活动;

5) 确定每项维修活动的时间T,既可以根据功能层次预计法的第2 种方法直接估计其时间,又可以根据时间累计预计法的时间历程分析法,通过该维修活动对应的多个基本维修作业的时间tt<span style=font-family: 微软雅黑;">,t,采用累加模型计算该项维修活动的时间T =Σt

6) 由每项维修活动的时间,利用功能层次预计法或时间累计预计法,计算每个LRU 的平均修复时间MTTR

7) 根据公式(1)计算设备基层级平均修复时间。


四、基于MakeReal3D VMPro的某卫星导航设备实例分析
假设某卫星导航设备由接收机、天线和处理器3个LRU组成,维修性定量要求为基层级MTTR不大于20 min。该设备在外场出现故障时,实施基层级维修,采用更换LRU的维修方式,对更换下来的故障LRU不进行维修。
4.1 建立维修性物理模型
该卫星导航设备的基层级维修按确定的维修工作顺序进行,其基层级维修职能流程图,如图9所示:

图9 某卫星导航设备基层级维修职能流程

对应到MakeReal3D VMPro软件产品中,通过“维修性设计分析”模块中的“维修过程树建模”功能,按维修活动的步骤构建出“接收机”的维修过程树,如图10所示:


图10 按维修活动的步骤构建出LRU的维修过程树

4.2计算基层级平均修复时间

按照基层级平均修复时间预计的工作流程,采用功能层次预计法对该导航设备的MTTR 进行预计,对每个LRU 按其最主要的故障模式,估计其平均的故障检测与隔离时间。并利用图11收集预计过程中的各种数据。


图11 某卫星导航设备的基层级MTTR预计

由图11 收集的数据,根据式(1)计算出整个设备的平均修复时间MTTR,结果如下:

图12 计算出整个设备的平均修复时间MTTR

该卫星导航设备基层级平均修复时间预计结果为18.7 min,满足维修性指标不大于20 min 的要求。

本部分计算过程对应到MakeReal3D VMPro软件产品中,通过“维修性设计分析”模块中的“维修过程树”及“维修过程信息”功能,按维修活动的步骤构建出“接收机”的维修过程树,并针对接收机的五个操作步骤,在“维修过程信息”中分别赋值(可以由虚拟维修任务仿真、标准时间手册、直接赋值三种方法得到其时间数据),如图13所示:


图13 针对操作步骤,在“维修过程信息”中分别赋值

同时,在LRU结构树的“LRU节点信息”中输入“接收机”的故障率等信息,如图14所示:


图14 在LRU结构树的节点中输入故障率等信息

接下来,通过MakeReal3D VMPro软件产品集成的MTTR预计方法,计算得出该设备的MTTR为0.312331小时18.7分钟),并以绿色显示,说明满足维修性指标不大于20分钟的要求。如图15所示:
图15 通过软件集成的MTTR预计方法得出该设备的MTTR,并以绿色显示

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