可维修性分析

13.2.1 维修级别分析

维修级别分析（level of repair analysis，LORA），是指产品研制、生产和使用阶段，对其进行非经济性和经济性分析，确定可行的修复或报废维修级别的过程。其目的是确定维修工作在哪一级维修机构维修执行最为有效、经济。

修理级别分析工作应在寿命周期内反复进行，通过系统的评估过程来实施，以得到有效和经济的维修方案。评估的详细程度和各工作项目进行的时机应适合各装备的要求，并且应与装备的研制阶段相适应。

1）维修级别划分

按照维修的难易程度、维修人员技术水平和所需工具、补给及时间等现场条件，维修级别通常划分为三类，即基层级、中继级和基地级。

对于不同的装备类型和习惯，在级别名称上有一定的差别。如航空装备，其维修级别又可称为外场级（指使用现场）、野战级（指修理厂或航修厂）和后方级（大修厂或制造厂）；对于舰船装备，其维修级别又可称为舰员级（指舰船现场）、中继级（指修理所、修理船或抢修队等）和基地级（指修理工厂）。

（1）基层级维修。

这是直接由装备上随行人员负责进行的维修。这类维修的特点是只需少量修理及拆换、调整、清洗和润滑等工作，即可快速地将系统恢复规定的工作状态。

为了最大限度缩短修复性维修时间，减少因停机而造成的损失，基层级维修主要对故障率较高单元采取换件修理，并以简单的检查、测试和更换为主，这是从装备的使用条件出发，考虑现场维修技术力量较为薄弱，故障检测设备、资料以及备品、备件储备数量有限等实际情况下做出的决策。

在装备设计过程中，恰当地选取和设计基层级可更换件，对于提高拆换速度以及确定后勤保障需求，使系统发生故障后能尽快地恢复预定的功能状态，具有非常重要的意义。

（2）中继级维修。

对维修要求过高，在现场难以完成维修的故障单元，主要放在中继级维修。如对于舰船而言，这部分工作主要由指定的直接对舰船提供维修保障的机构完成，如机动抢修队、舰（船）队修理所进行。按照有关规定，目前舰（船）队修理所主要维修任务是进行坞排保养和故障修理，负责完成舰船年度保养、小修及主、辅机的中修任务，以及进行日常舰员级维修难以完成的临时性修理等。

（3）基地级维修。

这是一种最高级别的维修。当单元故障在前两种维修级别上维修都不合适时，才进行基地维修。这类维修往往是由技术水平较高的专家，采用专用工具及试验设备来完成复杂的修理、改装和精密调整。目前舰船基地级维修工作主要在部队指定的维修工厂完成，有时也可以委托地方船厂完成。

2）修理级别分析过程

修理级别分析采用定性与定量相结合的方法进行。研制阶段早期，如获取的各种数据不充分，可以定性分析方法为主，通过非经济性分析和类比分析确定待分析产品的维修级别。随着研制工作的深入，当获取的各种数据充分时，应以定量分析方法为主，确定待分析产品的维修级别。图13-3为修理级别分析流程图，图13-3（a）为定性修理级别分析流程；图13-3（b）为定量修理级别分析流程。

由图13-3可以看出，非经济性分析是确定维修级别的一个重要环节。事实上，非经济性修理级别分析主要是从超过费用影响方面的限制因素（如现行维修保障机构的约束、安全性、保密性、机动性、维修技术可行性、任务成功率、维修人员配备等）和现有的类似装备的修理级别分析决策出发，确定修理或报废的维修级别。实施该分析虽不注重费用因素，然而，可以根据非经济性评估结果提出的建议给出经济性估价。限制因素一般是指将修理或报废的决策限制在特定的维修级别的因素或限定了可用的备选保障方案的那些因素。

非经济性修理级别分析是一个通过考虑影响修理或报废决策的限制因素来进行问答的逻辑过程。对于待分析产品清单中的任一产品都应回答表13-4中的问题，答案应是：是或否；修理或报废决策受限制的维修级别及受限制的原因。在回答完所有问题后，分析人员将“是”的回答及原因组合起来，然后基于“是”的回答确定初始维修方案。表13- 4为常见的

图13-3 维修级别分析流程

单元非经济性分析表。

表13-4 非经济性分析表

必须指出，不能仅凭非经济性修理级别分析来做出修理或报废的决策。当进行非经济性分析后，没有优先需要考虑的因素时，维修的经济性就成为主要的决策因素。这时要全面考虑各种与单元维修有关的备件、维修人力、保障资源、运输和训练等费用，并按不同维修级别加以综合和评价，尽可能地选取费用最低且可行的最佳维修级别。

在研制阶段早期，如果非经济性分析不能唯一确定修理所在的维修级别，可采用类比分析方法进行修理级别分析。类比分析是将待分析产品与所选类似装备的产品进行分析对比，进而确定维修级别的方法。

3）维修级别分析决策树模型

不同的系统复杂程度不同，维修级别分析的时机和内容不同，相应的分析模型也不一样。图13-4为常见的维修级别分析决策树模型。

图13-4 决策树模型

该模型是一种定性的分析方法。通过如图13-4所示的四个决策点选择，实现对故障单元维修级别判断。其基本出发点是尽量采取靠前维修思想，并使单元维修尽可能地接近使用对象和基层一线，尽可能地采用换件维修的方式，来保持和实现系统较好的机动性和较高的可用性。

13.2.2 以可靠性为中心的可维修性分析

1）概述以可靠性为中心的维修（RCM）概述

随着可靠性技术的不断深入发展，装备维修也已进入了一个全新的领域——以可靠性为中心的维修（RCM）。美国海军在MIL P24534A（NAVY）中对RCM的定义为：“一种基于对可能发生的，明显影响到安全、使用和保障功能的硬件功能故障分析，进而确定预防性维修要求的方法。必要的具体工作是由一逻辑决断树进行抉择的”。

RCM作为确定预防性能维修要求的一种方法，其理论依据是：

（1）从全寿命的观点进行维修工作和活动。

（2）从装备的可靠性特性出发进行维修。

（3）对装备实行全面的可靠性控制。

（4）运用费用一效益的观点来权衡维修工作，确定维修策略，只进行必要的维修工作。

与其他系统方法一样，RCM作为一种严谨的逻辑判决方法，在使用时需要反复迭代运用。RCM分析过程如图13-5所示。

图13-5 RCM分析过程

2）RCM分析主要步骤

RCM分析的主要步骤如图13-6所示。

图13-6 RCM分析的主要步骤

首先，装备被划分为重要或非重要的项目。重要项目的预防性维修要求是通过RCM逻辑决断分析而得到，并以一定的维修工作类型表示。在维修要求确定以后，利用经验要么肯定，要么否定维修工作的有效性。

在进行RCM分析之前，必须首先进行重要项目的选择，必须审定各项目（部件、组件等）间的功能关系，以确定功能分解的最底层。功能分解的目的是使RCM逻辑决断分析尽可能地在最低层进行，在最低层次上，一个项目要么属于重要项目，要么属于非重要项目。重要项目又可以进一步分为重要功能项目和重要结构项目，然后再考虑其故障率及其对较高功能层次的项目的影响。

在选定重要项目后应开展故障模式及影响分析。故障模式与影响分析的目的在于确定功能、功能故障和工程故障模式，和每个重要项目的故障影响。

在某个项目被确定为重要功能项目或重要结构项目后，RCM逻辑决断分析将确定其故障对装备可能造成的后果和确定何种维修工作对预防故障的发生最为有效。在具体的逻辑树分析中，逻辑树的主要分支是按照故障的危害度划分的，如安全影响、任务影响、其他定期的功能、隐蔽的或不常用的功能。通过分析，确定所需要的维修工作、工作周期以及所进行工作的维修级别。

维修工作的划分及其适用性、有效性如下：

（1）定时工作。包括返修工作和寿命极限工作，这些工作是周期性地对部件进行返修或更换。一个适用的定时工作必须是部件达到一定工龄后呈现出递增的故障风险，并且没有可预测故障的状态，若部件不呈现这种工龄 可靠性的简化关系，则定时工作是不适用的。

（2）检测工作。该工作是周期性地试验或检查，将部件现在的状态或性能与确定的标准相比较。作为适用的视情工作，在抗故障能力开始下降前，必须发生某种具体的故障模式，并且远在故障真正发生之前应能探明抗故障能力下降的状况，以便采用相应的措施以防止真正的故障。抗故障能力下降的状况统称为潜在故障状态。如果没有适用的检测工作，则不能确定潜在故障状态，或不能远在故障发生之前探测到潜在故障状态。检测工作往往比定时工作更为有效的原因是，如果选择恰当，它们能依据一个与潜在故障密切相关的状态或标准。

（3）故障探测工作。这些工作主要用于揭示隐蔽故障。在执行一个适用的故障探测工作期间，可以探测那些对操作人员来说是不明显的功能故障，如安全阀的故障等。

（4）有效性。对于致命性故障，只有当工作能够将故障风险减少到一个可接受水平时工作才是有效的。其他的预防维修工作只有当它们具有费用 效益时，才是有效的。故障探测工作只有将所影响的功能的可用性提高到可接受的水平才是有效的。

（5）维修周期。没有现成的数学方法能利用几种通常使用的故障数据选择一个“正确”的预防维修周期。除非周期性的工作能揭示或防止功能故障，否则该工作是无效的。当存在一个威胁安全且与时间有关的故障时，需要依据以往的经验采取较保守的对策，这是由于分析者必须保证一个高水平的有效性。对于其他情况，分析者应注意到在不影响安全的情形下，有进一步研究的机会。视情工作的间隔期取决于故障率随时间的变化。故障探测工作的间隔期取决于用户在希望使用隐蔽的或不常用的功能时，该功能是可利用的。故障探测工作不能改进将来的可靠性，只能保证用户为已存在的但没有被发现的故障而有所准备。研制人员应当注意到，选择周期性工作意味着在仔细地考虑所有的可用信息后，确信该选择是对用户有利的。

（6）维修级别。如上一节所述，维修级别一般分为基层级、中继级和基地级。各类装备可根据具体情况进一步划分，对每一项研究工作需根据维修的及时性、经济性及维修工作的复杂程度、管理要求等确定其级别，为减少停机损失和节约费用，应尽可能低的选择较低的维修级别。若某项工作需要频繁地进行，以保证舰船工作时的安全与任务能力要求，则该工作必须被确定为舰员级的。如果某项工作的周期允许利用非舰载的人力物力，那么就必须要根据技能、材料、工具或设备条件做出选择。

从总体上看，RCM分析过程可以细为12个阶段：

第一阶段：根据有关的标准和规定，将产品细分为系统和子系统，以便进一步分析，并对其范围和内容作具体说明。

第二阶段：分析系统和子系统的功能以及分析可能产生的功能故障。

第三阶段：选择重要功能补充项目。

第四阶段：分析重要功能项目的故障模式及故障影响。

第五阶段：RCM逻辑决策树分析。

第六阶段：保养和润滑工作要求分析。

第七阶段：为第五、六阶段中已确定的维修要求准备一份维修要求索引。

第八阶段：当以往的维修要求对某项工作不能完全适用时，应对这些工作进行方法研究和规程评审。

第九阶段：工作的详细说明。

第十阶段：确定停用设备的维修要求。

第十一阶段：确定非计划维修要求。

第十二阶段：准备维修需求卡并列入维修索引。

3）RCM逻辑决断图

逻辑决断图的分析流程始于决断图的顶部，然后由对问题的回答“是”或“否”确定分析流程的方向。逻辑决断图分为两层（见图13-7和图13-8）：

（1）第一层确定故障影响（问题1至5，见表13- 5）：根据故障模式和影响分析结果确定各功能故隧的影响类型，即将功能故障影响划分为明显的安全性、任务性、经济性影响和隐蔽的安全、任务、经济性影响。问题2提到的对使用安全的直接有害影响是指某故障或它引起的二次损伤将直接导致危害安全的事故发生，而不是与其他故障综合才会导致事故发生。

表13-5 故障影响分析表

（2）第二层选择预防性维修工作类型（问题A至F，见表13-6）：考虑各功能故障的原因，选择每个重要功能产品的预防性维修工作类型。对于明显功能故障的产品，可供选择的维修工作类型为：保养、操作人员监控、功能检测、定时拆修、定时报废和综合工作。对于隐蔽功能故障的产品，可供选择的维修工作类型为：保养、使用检查、功能检测、定时拆修、定时报废和综合工作。

表13-6 预防性维修工作类型分析表

预防性维修工作类型选择中对于所有的故障影响类型，无论对问题A的回答为“是”或“否”，都必须进入问题B。任务、经济性影响的故障在后续的问题中回答为“是”后即可退出逻辑分析；安全性影响的故障在回答完所有问题后选择一种最有效的预防性维修工作或综合工作（见图13-7、图13-8）。

13.2.3 维修事件中维修活动分解

1）对维修事件所包含的维修活动的分析

对于给定的装备系统，对它的一次维修称为一次维修事件。对于任意维修事件，它都对应着一个维修过程，如当装备系统故障时，对它的修复性维修的一般过程如下：

（1）通过故障检测及隔离输出将故障隔离到单个可更换单元时，对该故障单元的修复性维修的过程如图13-9（a）所示。

（2）通过故障检测及隔离输出将故障隔离到可更换单元组，然后采用成组更换方案时，可将该单元组视为一个可更换单元，按图13-9（a）的修复性维修过程处理。

（3）通过故障检测及业及隔离输出将故障隔离到可更换单元组，然后采用交替更换方案时，对该故障单元的修复性维修的过程如图13-9（b）所示。

在修复性维修过程中，准备、调校和检验活动比较简单，它们的时间可根据具体情况加以确定。故障检测、隔离属于测试性及故障诊断的范畴，故障检测、隔离活动的时间首先与诊断方案有关。组成分解、更换、组装活动的作业序列则主要由装备系统的构造所确定。在指定的维修环境下，当装备的构造基本确定后，对应于每一个维修事件的分解、更换及组装的作业序列应是确定的。

2）故障检测及隔离分析

当系统发生故障后，其故障检测及隔离时间直接与系统的故障诊断手段有关。对于指定的维修级别，对装备系统的诊断方案主要有以下几种：①BIT；②ATE；③人工测试；④以上3种情况的综合。

图13-9 修复性维修基本过程

当系统采用BIT或ATE进行测试时，故障检测及隔离时间可根据BIT及ATE的性能直接得出，这时一般不需要拆卸作业。如果不能直接隔离到可更换单元，而只能隔离到可更换单元组时，可能需要进一步的人工测试或交替更换。

对于大部分装备，BIT及ATE不可能检测和隔离100%的故障，因此，必须考虑人工测试问题。当装备系统采用人工测试时，情况比较复杂，这时可将测试分为以下两种情况：

（1）在测试过程中，不需要进行拆卸作业。在指定的维修级别上，当可更换单元是否故障的信息完全可以由各外部测试点得到时，所进行的人工检测可不需进行拆卸作业。一般而言，在装备设计过程中，必须对反映各可更换单元是否故障的外部测试点的选择进行优化，使之在保证故障检测、隔离要求的前提下，越少越好。

（2）在测试过程中，需要进行拆卸作业时。对于有些故障，没有外部测试点可以利用，而且也很难根据故障现象立即判断出是哪一个单元发生了故障，在这种情况下，就需要通过拆卸检查实现故障隔离。此时，故障检测、隔离及分解实际上已融为一体。

假设装备系统（或子系统）由n个可更换单元组成，且该系统出现故障后，假定只有一个单元损坏，并将系统出现故障后，对应某一单元i故障的概率叫该故障单元的条件概率，用Pi表示；用ti表示检查该故障单元所用时间，总的持续检查时间的平均值用Tcp表示。当给定一种检查顺序时，就可以得到一个Tcp。

设系统有n个可能故障单元S1，S2，…，Sn，第一种检查顺序为S1，S2，…，Sk，Sk+1，…Sn；第二种检查顺序为S1，S2，…，Sk+1，Sk，…Sn，则有

要使

Tcp（1）＜Tcp（2）

则有

Pk（tk+tk+1）＜Pk+1tk+1+Pktk+1

即为

由式（13-13）可以看出，故障可能性大，而查找所需时间又短的单元，应优先查找。根据这一基本规则，我们总可以对每一个可更换单元，给出其最优的检查顺序，从而得到它的总的检查隔离时间。

根据式（13-13）的思想，可以得出如下几种故障隔离方法：

（1）时间概率法。

若Pi，ti均为已知，则可按下式安排检查顺序，即

这种方法保证了在前面检查中，单位时间内发现故障单元的概率比以后各次检查中发现故障的概率要大。

（2）由简到繁法。

若ti为已知，而Pi未知，则故障查找顺序应按ti递增的顺序排列，即

t1＜t2＜t3＜…

（3）薄弱环节突破法。

若Pi已知，而ti未知，则查找顺序为

P1＞P2＞P3＞…

即首先要检查的单元是可靠性最薄弱的环节。

（4）任意选择法。

若Pi，ti均未知，则可采用任意选择法，即根据可能的故障单元任意安排查找顺序，此时可假定各单元的故障率相等。

3）分解、更换及组装分析

对于比较简单的装备，找出到达每一个可更换单元的分解序列也许并非难事。对于一个复杂的装备，由系统层分解到可更换单元的路径比较长。在这种情况下，当可更换单元故障时，要由用户直接给出到达它的分解序列将是十分困难的。但是，在装备的装配关系确定的前提下，可以首先将装备系统按结构组成分解成分系统、组件等。然后按层次的高低分别分析不同层次上各分系统、组件、零件等之间的直接连接或遮挡关系，这种直接连接关系可通过邻接矩阵来描述。在邻接矩阵的基础上，可以通过变换，求出不同步长的可达矩阵，从而导出不同层次上达到各可更换单元的分解序列，然后将各层次分解序列进行综合，得出针对某一具体可更换单元的分解序列。由于组装是分解的逆过程，因此，知道了分解序列也就已知了组装序列。组成分解及组装序列的基本维修作业时间可通过基本维修作业时间数据库得到。由此，对应于具体可更换单元的分解及组装时间可容易得到。而对可更换单元的更换时间则完全由其本身的结构特征所决定。