设计过程中的可靠性管理

设计过程包括战术技术指标论证、方案设计和技术设计，是一个广义的设计过程。

从我国的现状来看，全面质量管理在生产企业中的开展比在设计研究部门中的开展要好得多。在设计研究部门，质量管理往往演化为图纸线条合不合规格，格式对不对等。对图纸所反映的产品内在质量却缺乏必要的监督和控制。产生这种现象的原因很多，这些原因可以归结为内部原因和外部原因两大类。

内部原因主要有以下两点：

（1）设计活动属于创造性活动，设计者往往对创纪录的产品或新颖的产品感兴趣而不愿意主动地利用现成的设计和图纸。

（2）设计者往往自尊心与自信心都很强，不易听取别人的意见。

这些内部原因使得真正意义上的产品质量管理在设计研究部门不易开展。同时，加上设计工作是“脑力劳动”，从事这一行业的人容易忽视管理的必要性。

外部原因主要有以下三个方面：

（1）装备设计工作通常是根据用户的订货要求而进行的。因而，常常提出许多特殊的设计要求。这使得很多设计工作带有较强的探索性，这种现象在装备设计部门尤为突出。

（2）由于装备系统庞大，设计初期考虑不周是常见的。因而，在设计过程中常常发生必须改变和追加项目的情况。

（3）设计工作拿出来的直接成果是产品的设计图纸。通过图纸所反映出的产品质量比通过焊缝、加工精度所反映出的产品质量要难以察觉得多。

这些外部原因决定了在标准化、批量生产中所形成的生产企业的质量管理方法不可能直接用于产品的设计活动之中。

然而，设计阶段的重要性是不以人的意志为转移的。有关专家所进行的统计分析表明，设计过程对装备可靠性的影响占到全部影响的40%左右。如此高的比例不能不引起人们的重视。从另一方面看，设计阶段是为装备可靠性这座大厦打下坚实基础的阶段。设计结束后，产品可靠性的框架也就基本定了型，变化的余地已经不大了。因而，设计阶段的可靠性管理工作是十分重要的。如果说在以前没有重视设计过程中的可靠性管理是由于认识不足的话，那么在充分了解了设计过程对装备的可靠性的意义之后还不重视在这个过程中的可靠性管理，就等于将装备的可靠性及装备的质量置于不顾。

要在装备的设计过程中开展可靠性管理究竟应该从哪些方面入手呢？ 装备的设计过程通常可以分成三个阶段：战术技术论证阶段、方案设计阶段和技术设计阶段（至于存在于任何装备的设计与建造工作之中的施工设计，严格地说应划归生产过程之中。技术设计结束以后，装备及其系统的详细技术性能指标都已确定，而施工设计要解决的是在施工建造过程中如何来落实这些指标。这可以视为生产过程的第一道工序。正因为如此，有时施工设计并不在设计研究所进行，而是在工艺设计科完成的）。在这三个阶段中，每一阶段的目的不一样，特征也不一样。要在各个阶段开展装备的可靠性管理，就必须扣住各个阶段的活动特征以及中间产品的特征来开展工作。

在战术技术论证阶段（对于民用装备则是经济技术论证阶段），设计工作的重点是按照用户总的要求以及装备本身的基本战术设想（使用方案）在进行了战术技术性能、可靠性、可维修性以及安全性等指标论证的基础上向有能力承制的单位提出招标书。有意承制的单位则以投标书的形式进行投标。中标者则转为承制方，然后双方可以对装备的具体要求进行协商，确定下来并写入合同或战术技术任务书的有关文件中。在这一阶段，作为可靠性管理的第一步就是提出并与承制方商定可靠性大纲要求，包括装备及其主要系统的可靠性的定量要求和定性要求，试验项目要求及基本工作项目等。

如果没有对装备可靠性的定量要求，可靠性管理将失去努力的目标，也没有验证的可能性和必要性。因而，首先要根据装备的特征及使用需求选定合适的系统可靠性参数，然后经过反复论证确定其量值，提出为评定装备可靠性是否达到要求所作统计试验的置信水平和判决风险，并规定使用值和合同值的转换程序和模型。

装备可靠性的定量要求是影响装备的战备完好性、任务可靠性和寿命周期费用的十分重要的因素。因而，装备可靠性的确定是件重要的大事。要在了解国内外同类装备及其主要组成部分的可靠性、费用、研制周期、新技术以及工艺等信息的基础上，根据任务需求和资源条件采用系统分析和经济分析等方法进行综合权衡，分析风险大小，最后确定量值。权衡包括两个方面，一是可靠性与其他技术的权衡，二是可靠性水平与寿命周期费用的权衡。国内外统计资料表明，为提高装备的可靠性所进行的投资是十分有效的，它将在使用维修阶段获得加倍的收益。同时，可靠性增长技术能有效地提高装备的可靠性水平。这些因素在确定装备可靠性定量要求时都应该考虑。

可靠性大纲要求是承制方进行可靠性工作的依据。必须在研制合同签订之前由订购方提出，并进行可靠性费用的预算。以保证研制与生产过程中可靠性工作的开展。它是订购方为保证装备的可靠性而提出的工作程序要求，也是订购方参与可靠性管理工作的第一步。

要保证可靠性大纲的全面实施并达到预期的费用效益，必须对大纲的执行情况进行连续的观察和监控。其方法就是在研制生产过程中设置一系列检查、评审点，实行分阶段的评审。由于产品的固有质量和可靠性主要取决于设计，因而，必须进行严格的设计评审。

设计评审是设计决策中的关键，参加评审的应是非直接参加设计工作的同行专家和有关方面代表。评审工作应及时进行，其主要目的在于及时发现潜在的设计缺陷，加快设计的成熟，从而降低决策风险。

实施设计评审的具体作用是：

（1）评价设计是否满足合同要求，是否符合设计规范及有关标准、准则。

（2）发现和确定设计的技术缺陷、薄弱环节和可靠性风险较高的区域，研讨并提出改进意见。

（3）对研制试验、检查程序和维修资源进行预先考虑。

（4）检查和监督可靠性大纲的全面实施。

（5）减少设计更改，缩短研制周期，降低寿命周期费用及决策风险。

对于订购方来说，设计评审是用来监督承制方可靠性活动的重要方法。对于承制方来说，设计评审既是一种对设计进行监控的手段，又是一项完善设计决策的技术咨询活动。通过邀请非直接参加设计的同行专家和有关方面的代表对设计成果和设计工作进行审查、评论，把专家们的集体智慧和经验运用于设计中，弥补主管设计人员的知识和经验等方面的不足。对那些新方案、新技术，新设备的应用，可靠性风险较高，更需要集中各方面的智慧。

设计评审并不改变原有的技术责任，更不是代替或干涉设计决策，只是在设计决策前增加一个控制点，以降低决策风险。

评审组织应根据产品的重要性、复杂性、协调范围以及评审类型而定。一般可分为二级，即订购方（或合同双方）的上级主管部门主持的一级评审和承制方主持的二级评审。事前应由承制方和订购方事先商定评审级别，提出评审申请，由上级主管单位批准确定。

为了搞好产品的可靠性设计评审，承制单位应预先准备好评审资料，其深度和广度应能反映可靠性工作内容和进度以及可靠性大纲工作项目的要点。

论证阶段的设计评审工作一般安排在战术技术指标论证的后期，应在完成了包括可靠性、可维修性指标在内的战术技术指标论证，编写了《论证报告》和《可靠性大纲要求》之后进行，其目的是评价装备的维修性、可靠性的各项要求是否能满足装备的使命任务的需要以及在现有工业技术水平下能否实现这些要求。评审结论为审批装备的战术技术指标提供必要的依据。评审内容主要是系统可靠性、可维修性参数的适用性、完善性；组成系统备选方案的可行性、先进性；论证的任务剖面和寿命剖面的正确性等。需要准备的资料有：①战术技术指标（含可靠性和可维修性）及其论证报告；②可靠性大纲要求；③效能与费用分析报告。

方案设计阶段的主要任务是根据装备的战术技术任务书，探索及拟定若干个装备的可行方案，综合性能、可靠性及费用等诸因素进行选优，确定基本方案。然后以此深入分析研究，进行细节设计。对比较大的技术问题，如动力系统选型，武器配置方案等予以定位，从而确认设计能满足任务书的要求。在此阶段，可靠性的估计值应以历史数据为依据，利用各备选方案的费用效能及可靠性的估计值来进行方案选优，最后拿出最佳方案及配套文件。

本阶段可靠性管理的重点是：

（1）考核和选定系统承制单位。

（2）订好可靠性保证大纲和计划。

可靠性保证大纲和计划是实施可靠性管理的核心。制定大纲时特别要注意工作项目的选择，不允许剪裁为一个没有可靠性实质内容的大纲，也不允许用可靠性的预计值来判定装备的可靠性是否达到了定量要求。计划要规定做什么，怎么做，何时做，谁来做。在编制计划的同时应编制预算，以保证有足够的资源、资金和其他条件来获得所要求的可靠性。对装备进行可靠性管理，所需要增加的经费大致有：可靠性管理机构的费用，可靠性管理计划落实的费用，可靠性教育、培训费用，可靠性设计费用，可靠性设计评审费用，可靠性数据的收集与处理的费用，制订可靠性管理文件的费用，对外协厂进行可靠性管理的费用，采用高可靠性元器件的费用，元件筛选费用，产品、元器件试验费用等。应该确信，增加的投资能在寿命周期费用、战备完好性和任务成功性方面得到更多的补偿，因而是非常合算的。

（3）抓住设计和设计评审这两个环节。

设计可以看作是赋予装备可靠性的过程。抓可靠性应从设计开始，已成为一项普遍适用的原则。

在方案设计阶段抓设计的可靠性主要包括以下几个内容：

（1）方案分析评估。可靠性设计评估对设计质量有重大影响。分析评估进行得越早，收获也就越大。通过分析评估，优选和审定基本方案，确定装备的可靠性指标。

（2）可靠性指标分配。将总体可靠性指标分配到系统乃至设备，同时确定并评估系统及设备的方案。分配的依据是各系统、分系统和设备的复杂程度、重要程度、母型的故障数据资料和费用等因素。在设计和评审中要掌握两条基本原则，即简单就是可靠以及尽可能采用经过实际考验的设计或产品及标准件。

（3）关键技术、零部件的预研和认定。对于关键性的零部件、结构以及工艺技术必须提前进行研究。对采用新设计、新工艺生产的元器件及零部件也应提前进行质量认定，以保证细节设计的成功。可靠性关键件是指它的故障会严重影响系统的安全性、可用性、任务成功性或后勤保障总费用的那些零部件。它包括那些可靠性实际特性尚未完全摸清的或同规格的数量达到零部件总数10%以上的零部件。可靠性关键件在确定后应列入清单，如有可能，还应按其重要性分类或排序，以便作为分析、设计、工艺试验及管理的重点。

（4）制订可靠性增长计划。利用“试验—分析—改进”这一过程来暴露设计和工艺方面的系统性缺陷，并采取纠正措施来加以克服，从而实现产品可靠性的增长，是目前改进和提高产品可靠性的一种十分有效的方法，在装备工程中也是一样。增长应有目标值，有时间及经费方面的保证。延误产品系统性缺陷的排除将使故障重复出现，从而拖延工程进度，降低产品的可靠性。从大型装备总体（如舰船）本身来说，没有制造样船这么一个过程，因而，不可能用大型装备总体来做可靠性增长试验。但从总体角度出发制订可靠性增长计划却有很大的实际意义。装备是一个由各种系统组成的有机整体，各个系统的可靠性指标在这个总体中归结成为总体可靠性指标。由于各个系统在这个整体中所起的作用不一样，其可靠性指标在归结成总体可靠性指标时并不是靠简单的叠加来实现的，而是按其在整体中所起的不同作用叠加起来的。这样，各个系统的可靠性指标在归结成总体可靠性指标时所处的地位是不一样的。从总体的角度出发制订可靠性增长计划，其意义在于把有限的经费投入到最需要的地方，从而避免一拥而上造成的浪费。

（5）组织方案设计评审。方案设计阶段的评审一般安排在方案论证及方案设计阶段后期，应在完成了方案设计，编制了《方案论证报告》之后，转入技术设计之前进行，其目的在于评价产品的可靠性、可维修性设计方案能否满足《战术技术任务书》的要求，从而取得较好的费用效益。评审结论将为技术设计提供必要的依据。评审内容及项目的要点在于可靠性、可维修性设计方案的先进性；可靠性大纲、可维修性大纲的适用性、完整性；关键技术预研及攻关的可行性；重要元器件、组合件、材料货源、质量稳定性以及制定的设计准则与标准规范的一致性等。需要准备的资料有：①可靠性、可维修性方案论证报告（可靠性、可维修性模型，指标分配，指标的预计以及相应的框图等）。②可靠性大纲、可维修性大纲以及经费预算分析报告。③关键技术预研及攻关（试验）的可行性分析报告。④新采用技术的可行性分析报告。⑤关键元器件、组合件、材料货源及质量情况调研报告。⑥选用的标准、设计准则及说明等。

在技术设计阶段，设计的主要任务是将方案评审通过了的方案用各种具体的技术途径来实现。在这一阶段，以总体形式出现的设计工作相对较少。但在总体协调下各系统的具体设计工作才刚刚展开。此时可靠性管理的主要工作如下。

（1）组织细节设计。

根据方案设计评审通过了的基本方案进行详细设计，贯彻可靠性要求，进一步对性能、可靠性、费用、进度等进行权衡分析，最终确定产品的可靠性。在某些情况下，宁可适当降低装备的性能以确保产品的可靠性。此时，可以进行较为详细的可靠性预测及分析，预测时使用的原始故障率数据应得到使用方的同意。预测中不能遗漏装备各组成部分可能出现的各种故障模式。因为预测是修改设计的依据，越早发现不恰当的设计，及时采取纠正修改措施就越有利。分析方法包括FMECA及FTA等。FMECA要求全面系统地研究装备发生故障的所有可能途径，每种可能出现的故障的原因以及其在装备执行任务的不同阶段的影响，以确定装备中的可靠性薄弱环节，从而可以采取有针对性的改进措施，提高装备的可靠性。同时，这项研究的结果对确定可靠性关键件，制订预防维修大纲，进行维修保障分析等均是十分重要的。它牵涉的技术知识面很宽，因而，需要组织有关部门共同进行。

（2）落实可靠性增长计划。

在很多有可靠性要求的情况下，方案的成立是以可靠性增长计划的落实为前提的。可靠性增长计划的落实与否牵涉到整个设计的成败。因而，在技术设计阶段要重点抓好可靠性增长计划的落实。

（3）控制元器件的选择。

（4）运转闭环的信息数据系统，以便从所有的试验中获得可靠的数据，用于了解问题，制订改进措施和管理决策。

（5）完成用于施工设计阶段的装备设计规范的编制。它包括明确定义的可靠性定量要求，为实现这些要求所必需的所有相应的可靠性设计要求，即元器件选择标准、机内测试特性、组装件配置及环境标准等。

（6）完成用于各级产品的验收规范的编制，规定在研制及生产阶段应进行的可靠性验收试验，其中包括试验方案及试验等级、故障及分类的基本规则。此外，还必须规定试验环境。

（7）组织设计评审。

当技术设计完成后，应组织高规格的可靠性评审，对总体方案、结构图、计算书、可靠性预计和分析报告、新采用的零部件的认定报告、工艺试验报告以及各项具体的可靠性设计文件进行评审，及时发现和纠正设计缺陷，保证产品的固有可靠性。评审组应由知识结构齐全、代表性充分、理论水平高、实践经验丰富的专家组成，以求依靠集体的智慧来把好质量和可靠性关。

技术设计评审的重点在可靠性、可维修性设计（冗余设计、漂移设计、降额设计、环境设计、电磁兼容设计、故障自检设计、互换性设计、安全性设计等）技术的现实性；可靠性分析（FMECA，FTA，潜电路分析，容差分析，应力分析）技术的有效性；贯彻标准化以及设计准则的正确性；可靠性、维修性试验计划及方案与标准规范要求的一致性；可靠性、维修性大纲计划的进展状况等。技术设计评审需要准备的资料有：①可靠性、维修性技术设计情况报告（含可靠性、维修性分配，可靠性、维修性预计及相应的模型框图）；②可靠性增长试验报告；③FMECA资料；④元器件大纲；⑤可靠性关键件、重要件控制措施及关键问题解决情况报告；⑥可靠性研制试验及鉴定试验的计划和方案；⑦方案阶段评审遗留问题的解决情况。

以上方法主要用于军用装备的可靠性管理工作。当运用于民用装备时，可视具体情况进行筛选。