军用电子设备结构设计“六性”分析

戈进飞

(中国电子科技集团公司第五十一研究所， 上海 201802)

军用电子设备结构设计“六性”分析

戈进飞

(中国电子科技集团公司第五十一研究所， 上海 201802)

随着科学技术的发展，装备的性能指标和使用要求不断提高，对可靠性、维修性、测试性、安全性、保障性和环境适应性的要求也越来越高。文中根据国军标对“六性”的要求，结合实际工程研制经验，提出了军用电子设备结构设计中的“六性”工作内容和具体措施，以满足装备的实用要求。

电子设备；结构设计；可靠性；维修性；测试性；安全性；保障性；环境适应性

引 言

在军用电子设备的研发过程中，可靠性(R)、维修性(M)、测试性(T)、安全性(S)、保障性(S)及环境适应性(E)(以下简称“六性”)已成为与指标同等重要的设计要求，它是有别于民品的显著特征。有关的国军标给出了“六性”的定义，阐述了定量要求或定性要求，明确了各阶段的工作项目，但未规定何类人员负责。因标准内容覆盖面广，管理的和技术的并重，且涵盖产品研制的各阶段，因此，为明确结构设计的“六性”工作，本文从结构设计专业角度，根据结构的主要工作集中在产品工程研制阶段的特点，对“六性”进行了分析。

1 “六性”的由来

根据2011年11月1日颁布实施的《武器装备质量管理条例》第二十条，对军用电子设备有“五性”说，即可靠性、维修性、保障性、测试性和安全性，简称“可维保测安”。根据GJB 9001 《质量管理体系要求》，也有“六性”说，即可靠性、安全性、维修性、测试性、保障性和环境适应性。另外，GJB 6000《标准编写规定》中，除没有“六性”中的测试性外，还有稳定性、电磁兼容性、运输性和互换性等。本文所说的“六性”为可靠性、维修性、测试性、安全性、保障性和环境适应性。

2 “六性”与结构设计有关的工作内容

2.1 结构设计可靠性要点

2.1.1 可靠性的定义

GJB 450给出的可靠性定义是系统、机械设备或零部件在规定的工作条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。可靠度是指在规定的时间内和规定的条件下完成预定功能的概率，它是衡量结构可靠性水平高低的一个重要指标。

2.1.2 可靠性的工作解析

可靠性反映的是装备无故障持续工作的能力，是体现装备持续执行作战任务的极限能力的关键指标，也是装备技术能力以及成熟、完备水平的重要体现。产品的可靠性要求可以用定性方式来表达，也可以用定量要求来表示。

为了实现产品的可靠性要求，需要在产品研制、使用、储存、维修过程中开展一系列技术和管理活动，即可靠性工程。设计、制造决定固有可靠性，使用、维护保持使用可靠性。

可靠性设计的准则包括：选择和控制元器件；降额设计；可靠的电路设计；冗余。在产品研制阶段，应找出一些不符合要求的设计、加工、工艺问题，以提高产品的可靠性。

2.1.3 结构设计可靠性的具体措施

a)采用成熟技术和工艺，设计上力求简单，传动链少，零件数量少，调整环节少，联接可靠。

b)结构件通常需设计成长寿命件，与设备的寿命同期。用计算或分析软件找出薄弱环节，设法提高系统中最低可靠度零件的可靠度；合理选择材料和加工工艺，去除焊接件的应力、机加工件的残余应力等。

c)为了保证结构能可靠、安全地工作，材料的工作应力与许用应力之比即安全系数通常需大于1.5，重要的地方其值更大。

d)进行冗余、容错设计，如采用并联系统，提高散热能力等。

e)新材料、新工艺、新技术的采用会降低可靠性，应慎用。

f)尽量选用标准件，尤其是对易损易耗件。

g)避免采用容易疏忽、容易出现维护和操作错误的结构。如金属件应倒圆角(以利于金属层和油漆层的附着)；避免不同金属间的电化学偶；润滑油需满足高低温的环境要求。

h)进行热设计。选择适应温度环境的元器件并进行热设计；海洋环境下的露天设备不能直接吹风，以免盐雾、潮气损坏设备。

i)进行抗振防冲、防噪声设计。

j)室外设备重视“三防”(防潮、防盐雾、防霉菌)设计，从选材、结构型式、镀涂、维护等进行全方位考虑，推荐采用水密或气密设计。

k)合理规定维修期，若维修期过长，可靠度就会下降。

l)设置监测系统(如温度监测、风速测量)，及时对故障进行报警。

m)增加过载保护和自动停机装置。

n)对工作和非工作状态(如运输、维修状态)进行环境防护设计，以确保设备在包装、运输、贮存环节的可靠性。

2.1.4 可靠性与“六性”的关系

可靠性是与维修性、安全性和环境适应性紧密相关的。可靠性高，维修就少；可靠性好，不发生故障，安全性也高；环境适应性要求低，可靠性就高。

2.2 结构设计维修性要点

2.2.1 维修性的定义

维修性是产品在规定的条件下和规定的时间内，按规定的程序和方法进行维修时，保持或恢复到规定状态的能力，其概率度量亦称维修度。

2.2.2 维修性的工作解析

维修性反映装备通过维修恢复功能的能力。维修通常包括修复性维修、预防性维修和日常保养等。预防性维修由使用单位负责，包括更换、检查和标校、保养3项工作内容。装备应减少预防性维修。需维修的机械设备、维修人员的素质与技术是维修的三要素，人力、技术、测试装置、工具、备件、材料等是维修的保障。

维修性分固有维修性(也称设计维修性)和使用维修性。固有维修性取决于设备的设计和制造，使用维修性是在实际使用、维修中表现出来的维修性。维修性与可靠性一样是产品的设计特性，维修性的好坏直接影响产品的维修工作量、维修工时和费用及对维修人员的要求。

维修性设计分定性要求和定量指标。定性要求是产品的维修要简便、迅速、经济；定量指标是平均修复时间(MTTR)，即排除故障所需实际修复时间的平均值。维修性设计是在设计阶段考虑维修的方便，以便在发生故障后迅速修复。应由“事后维修为主”的维修思想改为“以预防为主”的维修思想，进而建立“以可靠性为中心”的维修思想。在结构总体方案中，对维修性设计要系统、全面、深入，不仅要关注运输、工作状态，还要注重维修状态。结构师要配合总师编写预防性维修大纲和维修方法，要重视结构关键件、承重件、传动件、密封件、紧固件、润滑装置的维修性设计。

2.2.3 结构设计维修性的具体措施

在工程研制中，主要从以下几个方面进行详细的维修性设计：

a)简化结构设计。用最少的零部件、标准件实现功能，结构和外形要简单；减少螺钉品种和数量，采用快速连接件、紧固件。

b)小型化设计。短、小、轻、薄是设备发展的方向，以便于拆装、搬运，减轻后勤保障能力。

c)划分三寿件，提高维修性[1]。通过对装备的可靠性分析，划分出全寿件、单寿件和短寿件(“三寿件”)。全寿件也称长寿件，是指该件在全寿命周期内在规定的使用保养条件下，都能满足规定的可靠性设计要求；单寿件是指该件的寿命大于1个翻修期但小于2个翻修期；短寿件是指该件的寿命小于1个翻修期。

d)维修可达性、可操作性设计。可达性是设备的构造特性，对维修时间和费用的影响较大。要实现“看得见够得着”，且留出维修部位的操作空间；使用扳手的地方，要有操作空间；要留出维修通道，尺寸和形状符合人体生理特点。

e)统筹安排，合理布局。将易出现故障的模块布置在便于维修的位置；设备检查点、测试点、加注点要便于维修人员接近[2]；各分机、模块可层层展开，易损件、易失效件均可展现在维修人员面前，易于检查和维修更换。

f)采用模块化设计，以提高互换性。提高设备通用化程度，尽可能做到设备安装后不需调整便能正常工作。设备的大小和质量应便于拆装。

g)采用故障报警、指示，缩短故障诊断、定位时间，实现快速维修。

h)部件和联接件易拆易装，零部件之间拆装相对独立，互不影响。

i)结构防差错设计。采取防差错措施，消除差错的发生，避免危险。如对外形尺寸、插座类型相同而功能不同的模块设置不同的导销锁定位。

j)防差错识别标识，不仅使用时需要，维修时也必不可少。设备单元名称和编号、功能性标识、电缆编号、管道等应易识别；操作安全警示标识须醒目，无歧义。

k)设计应采用通用的工具，尽量减少维修时用新的技能、新的工序和专用设备。

l)备件、工具装放要有规划，标识清楚，存取方便。

m)保证维修安全。不仅使用要安全，而且运输、维护、修理过程也要安全[3]。考虑维修时的人员、设备安全，设置防护栏和防护罩，加设维修安全警告标志。

n)具有良好的维修环境。维修环境符合人体生理和心理需要，以提高工作效率，降低劳动强度。要有维修空间，照明良好，噪音低。

o)注重维修资料编制。使用维护说明书，明确日常维护程序、检查和排除方法、日常维护方法，加强使用培训工作。

2.2.4 维修性与“六性”的关系

设备可靠性高，维修就少，维修性就较好，但可靠性差，维修性不一定就差；测试性中要考虑到维修性，测试性是维修性的一项主要条件；维修性与保障性密切相关，器件的更换离不开后勤保障。

2.3 结构设计测试性要点

2.3.1 测试性的定义

GJB 2547对测试性的定义是产品能及时、准确地确定其状态(可工作、不可工作或性能下降)并隔离其内部故障的一种设计特性。

2.3.2 测试性的工作解析

测试性是指装备能够及时、准确地检测到发生的故障并确定故障部位。测试性指标需明确与检测、隔离和报告故障等有关的诊断能力，包括自动测试、手工测试、维修辅助措施、技术资料、人员和培训及其他各方面。

很大部分结构件无测试要求，对有测试性要求的设备才作此要求，对无测试性要求的设备，通过机械装配、调试就行，故测试性对结构工作来说，趋于弱化。

2.3.3 结构设计测试性的具体措施

在结构工作中，普遍认为测试性没啥工作可做，设计工作主要是设置设备测试点，适应人机关系和操作空间要求。零部件图纸上的加工、装配技术要求，可看成是测试性的输入要求，为后面的检验方法及判断产品合格与否提供强有力的技术支持。设置监测与报警系统，以提高设备的测试性，及时发现故障。

2.3.4 测试性与“六性”的关系

测试性为维修性提供指示，可给出安全性的监控，为保障性提供初始依据。测试性与可靠性、环境适应性是并列关系。

2.4 结构设计安全性要点

2.4.1 安全性的定义

GJB 900给出的安全性定义是不导致人员伤亡、危害健康及环境、给设备或财产造成破坏或损失的能力[4]。简单地说就是不发生事故的能力。

2.4.2 安全性的工作解析

安全性是装备的一个重要特性，它描述装备对人员、环境及本身损坏所具有的潜在危险。它是评价装备的效能需考虑的因素，通常用危险的严重性等级和危险的可能性等级来进行综合衡量。

风险参数指标不能量化时，采用风险分析方法，按危险可能性的频繁(A级)、很可能(B级)、有时(C级)、极少(D级)、不可能(E级)等级，对灾难(I级)、严重(II级)、轻度(III级)、轻微(Ⅳ级)4个事故等级的发生概率做出评估。对危险采取处理措施，消除I级和II级危险[4]。

安全性措施的先后要求为：最小风险设计，采用安全装置，采用报警装置，制定专用规程和进行培训。

2.4.3 结构设计安全性的具体措施

a)通过设计消除已判定的危险或减少风险。当必须使用有潜在危险的器材时，应选择风险最小者。

b)危险的物质、零部件和操作应与其他活动、区域、人员及不相容的器材隔离。

c)设备的位置安排应使工作人员在操作、保养、维护、修理或调整过程中尽量避免危险。

d)尽量减少由恶劣环境条件导致的危险(如：露天设备易腐蚀的部位，应加大零件厚度)。

e)设计时尽量减少在系统使用、保障中人为差错导致的风险。

f)减少危险事件或事故的发生，机械、电气设备采用防护、报警装置等安全措施。

g)应将不能消除的危险风险减少到最小程度，采取联锁、冗余、故障安全保护设计、系统防护、灭火和防护服、防护设备、防护规程等补偿措施。

h)当各种补偿方法都不能消除危险时，应在装配、使用、维护和修理说明书中给出报警和注意事项，并在危险的零部件和设备上标出醒目的标记。

i)尽量减轻事故中人员的伤害和设备的损坏。

j)对于大型设备，结构安全尤其重要。

k)结构设计中的安全性内容包括机械伤害、烫伤、电击、电磁辐射、火灾等，采取的安全性措施可参见文献[5]。

2.4.4 安全性与“六性”的关系

安全性与可靠性密切相关，可靠性是安全性的基础和前提，但一个可靠的系统不一定是安全的；安全性与环境适应性的优劣程度相关，安全性受制于环境适应性；安全性与维修性、测试性、保障性是并列关系。

2.5 结构设计保障性要点

2.5.1 保障性的定义

保障性是装备的设计特性和计划的保障资源满足平时战备和战时使用要求的能力。

2.5.2 保障性的工作解析

保障性是产品的一种质量特性，它是指装备要设计得易于保障，配套的保障资源要合理充分。保障性由2个方面构成：装备保障性设计的水平即自保能力(由承制方负责)以及保障系统的能力即综合保障(由使用方负责)。

保障性设计方面的定性要求主要指可靠性、测试性、维修性和运输性的定性要求。保障性设计方面的定量要求最重要的是可用度、能执行任务率等。产品可靠性好，维修性好，保障资源充分、适用，可用度就高。

结构师在产品研制初期就要开展保障性分析，合理确定预防性和修复性维修保障资源，参与综合保障的规划与管理以及试验与评价工作。

2.5.3 结构设计保障性的具体措施[6]

2.5.3.1 自身保障能力

a)结构设计应使设备操作简单、方便，要减少架设、操作人员的数量，可采用电动、液压等装置来减少人员，降低劳动强度，缩短架撤时间，提高设备的机动性。

b)产品应使用通用的原材料、元器件，且在合格供方名录中选择采购[7]。

c)依据合同或国军标要求，合理确定随机备件、易损易耗件数量，形成《备附件汇总表》。要站在用户的角度，使设备满足平时和战时好用及易于维修的要求。

d)提高设备的机动能力和环境适应能力，减少对阵地的依赖和环境条件的要求。

e)设备尺寸小、重量轻，运输单元尽量少，能兼容公路运输、铁路运输和飞机运输方式，对阵地、道路、桥涵的要求低。

f)对设备按国军标要求进行包装，满足运输和贮存要求。

g)大型构件、装备应设有吊装点。

2.5.3.2 综合保障

a)人员保障：装备所需人员以少为宜，以减少人员变动对使用、维修的影响；

b)保障设备：尽量减少专用设备和工具，采用通用设备和工具，考虑装卸、运输等环节要求；

c)技术资料：设备清单、备附件及工具清单、图纸、使用维修说明书等应完整、准确、清晰、易懂；

d)训练与训练保障：承制方负责对使用方进行培训，训练时结构师参与技术保障；

e)供应保障：备件、易损易耗件的品种、数量应满足设备保障要求。

2.5.4 保障性与“六性”的关系

保障性的定性要求与可靠性、测试性、维修性及运输性密切相关,产品可靠性高，维修性好，保障资源充分、适用，可用度就高，保障性就好；保障性与环境适应性存在隐性关系，设备工作条件恶劣，保障性要求就高，就越需保障；保障性与测试性、安全性是并列关系。

2.6 结构设计环境适应性要点

2.6.1 环境适应性的定义

环境适应性是指装备在其寿命期内，在可能遇到的各种环境作用下，能实现其所有预定功能和性能和(或)不被破坏的能力，是装备的重要质量特性之一。

2.6.2 环境适应性的工作解析

电子设备的工作环境分为机械环境(力学环境)、气候环境、电磁场环境、生物环境、特殊环境等。结构设计时要综合考虑各种环境因素的相互影响，尽可能做到一举多得，相关专业应相互协同，以提升装备的环境适应能力，实现产品的低成本、高可靠、长寿命。

在装备研制过程中，结构师作为环境适应性师，应制定环境适应性设计准则，进行环境适应性设计和环境适应性预计，并配合模块/分机负责人，完成环境适应性研制试验，进行必要的使用环境试验和自然环境试验。

开展环境适应性设计，一是采取改善环境或缓解环境影响的措施；二是选用耐环境能力强的结构、材料、元器件和工艺等。

2.6.3 结构设计环境适应性的具体措施

2.6.3.1 机械环境适应性设计

装备安装平台的振动、冲击、加速度等因素，在失效的环境因素中约占25%。机械环境考核和验证设备的结构强度及元器件的耐振抗冲能力。具体措施包括：

a)在空间和重量允许时，尽可能采用带减震器的安装方式；无法使用减震器时，应设法提高结构刚度和设备的固有频率。

b)避免悬臂结构。

c)合理选材，并注意结构构型；避免直角和应力集中。

d)紧固件采取防松措施。

2.6.3.2 气候环境适应性设计[8]

军用电子设备在使用、运输和贮存过程中受各种气候环境因素作用，影响装备的性能稳定性和可靠性。温度、湿热、盐雾是导致失效和故障的主要环境因素，见表1。

表1 气候环境对装备的影响与对策

2.6.3.3 电磁环境适应性设计

针对电磁兼容性设计的接地、屏蔽、其他抑制干扰方法3个方面开展结构设计。从材料选用、结构型式、接地多方面采取措施；结构与电讯、工艺密切合作，从电磁发生的源头分析解决问题。

2.6.3.4 生物环境、特殊环境适应性设计

生物环境有霉菌、白蚁、啮齿动物等，装备主要是进行防霉设计，采用防霉材料或涂料。环境适应性的另一个重要方面是装备需与周围环境地貌融为一体，以达到保存自己、消灭敌人的目的。常采用防红外迷彩涂料和伪装。

2.6.4 环境适应性与“六性”的关系

环境适应性与可靠性、安全性、维修性及保障性成正比关系，即环境适应性要求低，装备的性能就稳定，可靠性就高；设备不易腐蚀、破坏，安全性就高，设备维修量就减少，保障性的要求就低；环境适应性与测试性是并列关系。

2.7 装备研制的“六性”结构工作

在工程研制阶段，装备的“六性”结构设计工作主要包括：配合编制“六性”大纲及工作计划；方案设计满足“六性”指标要求；完成“六性”结构方面的设计、分析、评审、试验、评定等工作；将“六性”结构方面的分析、设计工作与性能设计工作有机结合，协调同步地进行，要落实到图纸、技术文件上，并验证。

3 结束语

军用电子设备结构设计的“六性”设计，既相互独立又有内在联系。需根据设备工作平台、工作环境及性能，从系统到模块，对每一特性逐项进行设计和验证。不仅结构设计师要重视，电讯设计师和软件设计师也要重视与配合。

[1] 胡长明.从结构设计角度探讨车载对空情报雷达机动性、可靠性、维修性、保障性提高方法[J]. 电子机械工程, 2005, 21(1): 1-4.

[2] 王雁. 地面雷达结构维修性探讨[J]. 电子机械工程, 2007, 23(1): 28-30，62.

[3] 畅黎鹏. 电子设备的结构设计的维修性[J]. 舰船电子工程, 2005, 25(1): 131-134.

[4] 国防科学技术工业委员会. GJB 900—1990 系统安全性通用大纲[S]. 国防科学技术工业委员会军标发行部, 1991.

[5] 戈进飞. 电子设备结构安全性设计概述[J]. 电子机械工程, 2010, 26(5): 1-6，27.

[6] 常继根. 浅谈雷达的保障性[J]. 电子机械工程, 2005, 21(6): 1-3.

[7] 孙丽. 谈对电子元器件企业设计开发过程中“六性”的审核[J]. 电子质量, 2012(2): 50-54.

[8] 翟玮. 机载电子设备环境适应性设计[J]. 电子机械工程, 2012, 28(5): 7-10，40.

戈进飞(1964-)，男，高级工程师，主要从事电子设备结构总体和天馈结构的设计、研究工作。

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Analysis of “Six Properties” in Structure Design of Military Electronic Equipment

GE Jin-fei

(The51stResearchInstituteofCETC,Shanghai201802,China)

With the development of science and technology the performance parameters and operation requirements of the equipment become more critical. And there are increasing requirements in such aspects as reliability, maintainability, testability, safety, supportability and environmental adaptability. Based on the related standard for “six properties” in GJB, combined with the practical engineering experience, the work content and specific measures of “six properties” are put forward in the structure design of military electronic equipment, which is helpful to improve the equipment′ practical applicability.

electronic equipment; structure design; reliability; maintainability; testability; safety; supportability; environmental adaptability

2014-10-11

TN80

A

1008-5300(2015)02-0001-06