故障模式、影响及危害性分析在机动式雷达结构设计中的应用

赵新舟

(南京电子技术研究所，江苏 南京 210039)

故障模式、影响及危害性分析(FMECA)作为一项科学有效的故障预防分析技术，在国内外航天、航空、汽车、船舶、电子、武器装备等行业得到广泛的应用，相关标准也日趋完善[1]，对提高产品可靠性发挥了重要的作用。

机动式雷达架撤时间短，能实现全天候、全地域快速机动[2]，其全寿命周期的可靠性、维修性、测试性、安全性、保障性及环境适应性(简称六性，也称通用质量特性)[3]已成为评价装备性能和作战效能的重要特性。FMECA应用于雷达全寿命周期内结构系统的可靠性分析[4]，为雷达六性设计提供了不可或缺的技术支撑。机动式雷达结构设计是雷达硬件组成的实现过程，对雷达结构性能指标和功能负责[5]。雷达研制过程中应尽早准确地识别出产品潜在的薄弱环节，并提出改进措施，因此在雷达结构设计中开展FMECA工作显得格外重要。

本文主要研究如何在机动式雷达结构设计中开展功能和硬件FMECA设计，并以机动式雷达的典型结构为例，提出自上而下的功能分析、自下而上的硬件分析及分层分级实施FMECA的技术途径。

1 开展FMECA的基本工作流程

在雷达结构设计过程中开展FMECA，确定雷达结构功能、硬件(包括设备、整件及零部件)在雷达全寿命周期的环境剖面下所有可能出现的故障模式，及每一故障模式的原因和影响，以便找出潜在的薄弱环节，提出改进措施。FMECA的基本工作流程[6]如下：

1)准备工作。确定产品任务剖面；搜集类似产品的故障信息；建立FMECA规范，制定编码体系；明确FMECA表格格式及填写方法。

2)系统功能与结构层次划分。确定产品分解结构，分层级完成功能分析，绘制功能框图和任务可靠性框图。

3)系统定义。定义约定层次，确定初始约定层次、约定层次及最低约定层次；定义故障模式、故障原因和严酷度等级。

4)分层级实施FMECA。对故障模式、故障原因、故障影响及严酷度进行分析，提出设计改进与使用补偿措施，根据需要对每种故障模式采用风险优先数法或危害性矩阵分析法进行危害性分析，填写FMECA表。

5)编制FMECA报告。根据报告内容提出关键件、重要件清单等，给出结论和建议。

机动式雷达研制周期长，FMECA将贯穿于产品研制的各个阶段，有一个逐步完善和迭代的过程。FMECA工作流程如图1所示。

图1 开展FMECA的工作流程

2 雷达结构FMECA实施实例

2.1 准备工作

2.1.1描述产品寿命剖面和任务剖面

某机动式三坐标雷达是新一代地面情报雷达，工作寿命为20 a，满10 a需大修。在规定环境条件下完成运输、快速架设与撤收，每天工作不少于10 h，按年维护周期完成预防性维修，非任务阶段需完成装卸、贮存、检测与修理等工作。搜集相关雷达的故障信息可为该雷达FMECA提供技术支撑。

2.1.2制定编码体系

制定该雷达FMECA规范，确定编码体系，包括按产品层次进行分级分解的工作单元编码、故障模式编码、故障原因编码及故障影响编码。

工作单元编码采用电子行业标准规定的10级分类图号缩写与分系统编码相结合的方式，文献[6]给出了典型故障模式和故障原因的编码示例，如图2所示。

图2 工作单元编码

2.1.3规范FMECA报告

FMECA报告是FMECA工作的主要成果，为雷达六性设计提供重要依据，并在产品研制进程中得到补充和完善。

2.2 雷达结构功能FMECA

2.2.1系统定义

2.2.1.1功能分析

雷达结构功能FMECA主要用于方案论证阶段，此时雷达硬件组成尚不明确，需对功能故障模式进行分析，以便在工程实施方案阶段针对功能的缺陷和薄弱项进行改进。

某机动式雷达的结构功能框图如图3所示，根据该雷达研制要求，雷达实现的主要结构功能包括承载、防护、热控、方位转动、快速架设/撤收以及公路、铁路和航空运输。

图3 某机动式雷达结构功能框图

将雷达整机分为3个公路运输单元，分别为天线车、电子设备车和电站车，各运输单元的上装可与载车分离，分离后的各部分满足铁路运输和航空运输的要求。实现天线车承载和防护功能的重要结构件包括天线阵面骨架、天线座、承载平台、运输载车、蛙腿与调平腿、方舱舱体。热控功能包括天线阵面高频箱内及转台内电子设备的冷却、环控，电子设备舱内电子设备冷却、环控以及电站舱内发电机组散热。伺服系统控制天线座带动天线方位转动。快速架设/撤收包括天线阵面的展开/折叠和锁紧/解锁、天线阵面倒竖、蛙腿展开/收拢、调平腿伸缩。

2.2.1.2建立功能约定层次

分析该机动式雷达，其功能约定层次划分如图4所示。初始约定层次为雷达结构系统，组成雷达结构系统基本功能为约定层次，将基本功能进一步分解形成的各分系统功能为最低约定层次。分系统设计师根据不同研发阶段的需要将分系统功能继续分解为子功能，子功能还可再分为更小的功能单元[7]。各层次功能的实现由相关设备或整件来完成，最终形成分层级的功能体系。

图4 雷达结构系统功能约定层次

图5为热控分系统分解后形成的功能层次与结构层次的对应关系。功能与实现功能的硬件不是唯一对应的，相互之间可存在重叠，即一种硬件可承担多种功能，一种功能也可由多种硬件组合实现。

图5 热控分系统的功能与结构层次

2.2.1.3定义故障判据和严酷度等级

功能故障的判断依据是雷达结构系统在规定的条件下，无法实现规定的功能；或是性能指标无法满足研制或任务书要求；或是虽完成功能性能但需要的成本、保障、人员等要求超过了产品允许的范围。

雷达结构系统故障模式的严酷度分为致命、严重、一般和轻度4级，见表1[6]，表中ESR为故障模式的严酷度等级。

表1 故障影响严酷度及等级评分规则

2.2.2功能故障模式及危害性分析

根据功能约定层次自上而下分层级对雷达结构系统的基本功能进行故障模式分析。

雷达结构系统承载及防护功能故障模式见表2。

表2 结构系统承载及防护功能故障模式

功能故障模式的危害性分析采用定性危害性矩阵分析方法，即根据每个功能故障模式出现的概率并结合其严酷度等级绘制危害性矩阵来比较各故障模式的危害程度。故障模式的出现概率及评分等级见表3，表中OPR为故障模式的发生概率等级。得到的雷达结构系统承载及防护功能危害性矩阵如图6所示。

图6 承载及防护功能的危害性矩阵图

表3 故障模式概率等级

2.2.3功能FMECA结论与建议

该机动式雷达的结构系统承载及防护功能共25个故障模式，其中严酷度为Ⅰ的有3个，严酷度为Ⅱ的有4个，主要为整机及天线的承载能力；故障模式发生概率高的有2个，表现为雷达防腐蚀功能，危害性较大的故障模式为密封圈损坏或压不紧，识别其为关键故障模式。

针对故障编码为101、102的故障模式，增加风速仪实时监测风载荷，提前预警操作人员倒天线；增加抗倾覆和抗滑移安全系数，并进行抗倾覆模拟试验验证；加强对操作人员的培训，明确抗风要求。针对203故障模式，采用仿真计算、提高安全裕度和加载试验验证作为设计改进补偿措施。通过合理选材及表面镀涂提高雷达设备的防腐能力，降低雷达腐蚀发生概率。合理选择密封圈、提高门板刚度，使锁紧力与之匹配，结合淋雨试验验证，降低密封结构漏雨的危害性。

2.3 雷达结构硬件FMECA

2.3.1建立硬件约定层次

根据某机动式雷达结构方案，结合工程实际，确定产品的分解结构，将雷达结构分为八级，设置层级代码，分别为雷达系统(a)、工作单元(b)、大装配(c)、机柜或下一级装配(d)、插箱或子装配(e)、插件(f)、模块(g)、零部件(h)，最低约定层次可根据分系统实际分解层次来确定。产品整机的约定层次分解结构如图7所示。

图7 某机动式雷达结构分解约定层次

2.3.2硬件故障模式及危害性分析

硬件故障判据为结构件在规定条件下无法实现预定功能或性能指标，或虽然满足功能、性能要求，但对其他结构件产生的不利影响超过了规定要求。雷达结构系统硬件危害性分析采用风险优先数(RPN)方法或定量危害性矩阵分析方法。对于易于获取部件故障率数据的系统如伺服控制和冷却分系统采用定量危害性矩阵分析，其他采用风险优先数评估危害性。风险优先数方法是对每个故障模式的RPN值进行优先排序，并采取相应的措施，使RPN值达到可接受的最低水平。RPN计算式如下[6]：

RPN=ESR×OPR

(1)

ESR评分规则见表1，OPR评分规则见表3。RPN越高，优先级越高；RPN相同，严酷度高者优先。以天线座结构为例描述硬件FMECA故障模式识别及风险发生优先级，见表4。其他各组成部件按照自底向上逐级分析，最终形成整机硬件FMECA表格。

2.3.3硬件FMECA结论与建议

对关注的故障模式RPN采用统计法计算其均值和标准差，确定产品风险控制的优先次序，给出产品关键、重要件及保障资源清单。计算实例如下。

设雷达所有结构故障模式RPN的集合近似服从正态分布，则有：

p=μ±nσ

(2)

式中：p为分位数；μ为均值；σ为标准差；n决定了故障模式风险的接受程度，一般取1，2。

对于Ⅰ级严酷度，当RPN值大于(μ+2σ)时，确定为雷达结构初始关键、重要件。根据表4计算知，天线座结构系统异响、抖动或振动过大、异常磨损、卡死、温度过高、漏油等故障模式风险级别较高，因此方位大轴承、电机与减速箱、驱动齿轮应作为天线座结构的重要件进行管理，并优先落实各项改进措施。

表4 天线座结构硬件故障模式

对雷达其他结构系统进行分析，得到产品风险级别较高的故障模式及重要部件汇总表，为产品结构详细设计提供依据。

3 结束语

机动式雷达具有复杂的机电系统，面对多域多变的恶劣环境，其结构可靠性[8]是人们关注的焦点，将FMECA应用到产品结构系统研制全过程是提高其可靠性的重要措施。

故障模式获取是开展FMECA工作的基础，目前机动式雷达结构故障模式的获取主要依赖于工程设计人员的工程经验和参考类似产品的故障信息，故障数据积累还不充分，故障模式分析不够全面，影响了FMECA的效果。以设计、生产、调试、试验、使用、修理等过程中积累的故障信息为基础，并结合雷达结构仿真分析[9]，构建机动式雷达结构故障信息数据库[10]，并在雷达产品研制进程中持续动态更新，将大幅提高FMECA的有效性。

雷达结构设计与生产工艺过程密切相关，同步开展工艺过程FMECA，将有助于减少结构故障模式中的制造缺陷，改善工艺薄弱环节，缩短研制周期，提高产品质量和可靠性水平。