一种考虑稳健性的维修性设计方案选择方法研究

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维修性作为-种设计属性，是通过设计活动赋予装备的-种固有质量属性。如果能在装备设计阶段，改进维修性设计中的薄弱环节或选取维修性好的设计方案，将有效地提高装备的维修性，减少配装后的维修保障工作。

从备选方案中选取维修性较好的设计方案，通常是通过对各设计方案进行维修性评价得到的。当前，主要可以从以下 3个角度对装备维修性进行评价。

1)用维修性参数对装备维修性进行评价。如用某型号装备维修时间的长短来评价其维修性的好坏。

2)用维修性定性要求的实现情况对装备维修性进行评价，如从维修可达性情况来评价装备维修性的好坏。

3)从维修性影响因素的数值情况对装备维修性进行评价。如用某部件维修过程中拆装辅助工作数量的多少来评价其维修性的好坏。

这3种主要的评价方法都存在-个问题 ，即对维修性设计因素之间相互影响时具有方向性 这-现象缺乏考虑。

稳健性设计是-种考虑产品在各干扰因素影响下质量保持稳定与提高的有效方法。如果在设计阶段能综合考虑装备维修性定性要求和维修性影响因素之间的关系，选取维修性稳健性好的设计方案，将大大提高装备维修性质量及其稳健性，确保装备维修保障工作的顺利落实。

本文以机械装备维修性设计方案的评价及选择为主要目的，首先，介绍机械装备的维修性定性要求和维修性影响因素，并提出维修性稳健性设计的概念；其次，在典型质量屋的基础上对其进行重构，建立了可用于维修性设计方案评价与选择的改进型 QFD模型；然后，介绍运用信噪比分析方法进行设计方案维修性稳健性研究的原理；最后，结合实例，说明维修性设计方案评价选择方法的应用。

1 机械装备维修性维修性是指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，保持或恢复其规定状态的能力。

1l32013年第 8期 现代制造工程(Modem Manufacturing Engineering)1.1 维修性定性要求维修性定性要求是维修简便、迅速和经济的具体化，对不同的装备，维修性定性要求应当有所区别和侧重。机械装备的主要维修性定性要求可概括为可达性、拆装性和简易性等 12种。机械装备的主要维修性定性要求及其关联度如表 1所示。

表 1 机械装备维修性定性要求及其关联度序号 维修性定 关联度/ 序号 关 /性要求 %F1 可达性 8.81 F7 防差错 7.25F2 拆装性 8.81 F8 安全性 l1.4F3 简易性 15.03 F9 环境因素 4.66F4 标准化 13.47 F10 设备工具 8.29F5 识别标记 6.74 F11 技术资料 5.7F6 检测诊断 4.15 F12 人素工程 5.7如果两因素之间存在着-定的关系，则称两因素相关或关联，相关的程度叫关联度。对各类系统，如机械、电子和机电系统与设备，可以由维修性工程师进行维修性分析，得到各维修性设计综合关联值 2 和关联度列表。陶凤和经大量实例和研究文献资料，得到-般机械装备各维修性定性要求间的关联度列表 J，并按关联度的强、中、弱、无 ，经计算得到-般机械产品各维修性定性要求的关联度定量值(见表 1)。

维修性定性要求关联度值大表示该维修性指标对其他指标和整个系统维修性质量的影响大，可见，该指标在所有维修性定性要求中的重要度也相对较高；关联度值低的则相反。本文用维修性定性要求关联度值来表示该指标的重要度。

1.2 维修性影响因素维修性影响因素会影响装备维修过程的因素，它们间接体现了装备维修性的好坏。在维修性定义中，所谓规定的条件主要是指维修的机构、场所、相应的人员与设备、设施、工具、备件和技术资料等资源条件。由此可见，维修性特征量既撒于大量的装备 自身因素，又受到维修资源以及维修人员等众多外部因素的约束。

按确定维修性影响因素的灵敏性、可控性和可测量性这3条要求，根据机械装备维修性特点，-般机械装备的主要维修性影响因素可分为4类 ，即设计上的定量因素(A类)、设计上的定性因素( 类)、维修资源因素(c类)和维修中人的因素(D类)，本文所堰体维修性影响因素如图 1所示。

从维修性影响因素的定义以及图1和表 1的对照1 14可以看出，维修性影响因素实际上是维修性定性要求的细化、具体化。通过具体化，将相互关联的定性要求分解成关联小的影响因素，这样使维修性评价指标更细、更具有可操作性，使维修性的定量处理更科学、更合理。

合型连接数量合型连接数量A助工作数量A6的力量要求D，的视觉能力的要求D2的操作姿势的要求D3的耐久性要求D的细心谨慎和准确性要求D因素对人的影响修人员能力的要求D7图 1 维修性影响因素1)从装备维修性指标维数和分析难度的角度看，在具体化过程中，-个指标被分解为多个指标，维修性指标维数增加，导致简单问题复杂化。但维修性指标维数的复杂化却带来了维修性指标分析难度的降低，使宏观难以具体评价的指标转化为微观易于分析的指标。总体上，维修性指标分析难度降低所产生的增益效应要大于指标维数增加所带来的负面影响。

2)从装备维修性指标落实难度的角度看，将维修性从相对空泛的定性要求转化为直观的维修过程影响因素，既降低了装备维修性的模糊性和不确定性，又提高了装备维修性的可视化和可操作程度，便于维修性要求在设计阶段的落实与提高。

可见，在维修性设计方案的抉择过程 中，将维修性定性要求分解为维修性影响因素进行评价是很有必要的。

1.3 维修性稳健性设计稳健性(robustness)也叫鲁棒性，指系统输出对因素状况变化的不敏感性。换句话说 ，如果产品性能与某个因素有关，当因素状态的变化对产品性能的影响装装速渡力装素E c 艟.况情度的程作 徘q求 求的厂求求需 需助产要需的求 的帮生的倪祥龙，等：-种考虑稳健性的维修性设计方案选择方法研究 2013年第 8期不大时，就说产品性能对该因素的变化是不敏感的，或者说产品性能对该因素的变化具有稳健性。

稳健性设计 (robust design)也称鲁棒设计、健壮设计和 robust设计，指充分利用系统的非线性性质，是通过合适地选择可控因素的位级组合或调整设计参数(因素)，使产品性能对各种干扰(内干扰、外干扰和物品间干扰)最不敏感，从而达到提高产品质量和降低成本的-种工程方法。

维修性稳健性设计就是在装备设计阶段，借助稳健性设计的思想以提高装备维修性及其稳健性的工程方法，其 目的在于使所研制装备的维修性质量稳定、波动小，降低维修过程中各种影响因素对维修性的影响。

以往的维修性设计主要是考虑如何让装备维修性水平达到预期 目标，也就是说，维修性水平的评估是在假设维修保障达到保障方案规定要求的情况下进行的。而现实中，由于种种原因(维修资源保障不到位或维修人员能力不合格等)，装备维修保障是很难达到或长期满足保障方案规定要求的。

在装备设计研制阶段，设计上的定量因素( 类)和定性因素( 类)对维修性水平的影响是可控的，而装备配装后的维修资源因素(c类)和维修中人的因素(D类)是不可控的。

装备维修性稳健性设计是在以往的维修性设计的前提下，力求使装备维修性在维修保障不符合要求时所受影响最小，即尽量减小不可控因素对维修性的影响，保持维修性的稳健性。

信噪比是稳健性设计中用以度量产品质量特性的稳健性指标，用来描述抵抗内、外干扰因素所引起的质量波动的能力。它是信号量与噪声的比率，比值越大表示产品越稳健，其表达式为：卵S/N式中：7为信噪比；S为信号功率；N为噪声功率。

2 改进型 QFD模型严格地说，质量功能展开 (Quality Function De-ployment，QFD)是-种思想，-种产品开发和质量保证的方法论 ，它要求产 品开发直接面 向客户需求。

为了将 QFD方法应用于装备维修性设计方案的评价与抉择，需要在传统质量屋的基础上对其进行重构。

2.1 改进型 QFD模型结构改进的 QFD模型 剖是在典型质量屋的基础上，根据维修性定性要求与维修性影响因素之间的关系，对其进行剪裁、添加和深化而得到的新模型。改进型 QFD模型如图2所示。

维修性影响因素重 茬壅 关系矩阵 要性秉度指标权重总 方评分 评 案分图2 改进型 QFD模型相关性吕犟孥 关× 弱相关空白不相关从内容上，传统的质量屋纵向为客户需求的展开表，横向为技术需求。

在改进型QFD模型中，维修性定性要求替代了技术需求，关系矩阵中的元素-般用符号表示，本文用、口、X和空白这4种符号表示维修性定性要求和维修性影响因素之间的相关性 ，即：强相关、中等相关、弱相关和不相关。另外 ，传统的质量屋中技术竞争性评估拈被替换为维修性设计方案的评分拈，由专家小组对维修性设计方案按评价指标体系进行评分。

这样，保证了维修性设计方案评价与选择时能将维修性定性要求更好地融入进去。

从形式上，删除了传统质量屋中的产品竞争性评估和技术特性之间的相关关系矩阵两部分，对于维修性设计方案的评价与选择，这两项影响都不大。

2.2 改进型 QFD模型的关系矩阵将改进型 QFD模型用于维修性方案的选择，需要构建维修性定性要求与维修性影响因素的矩阵关系二维表。分别用符号、口、X和空白表示维修性定性要求与维修性影响因素之间的相关关系，经过符号表示后的质量屋就构成了-个关系矩阵。

1)计算第 i项维修性定性要求的相对权重(即方案选择中每项维修性定性要求的相对重要度) 为： di/∑d (1)i1式中：d 为第 i项维修性定性要求的绝对重要度；i为维修性定性要求的项数，i1，2，，n。

2)依据维修性定性要求的相对权重 ，通过各项维修性影响因素与维修性定性要求的相关性，计算各项维修性影响因素的权重 6 为：11 52013年第8期 现代制造工程(Modem Manufacturing Engineering)bj ∑O/i1(2)式中： 为第i项维修性定性要求与第 项维修性影响因素的相关程度，用-、口、×和空白分别表示，其数值关系-般为-：口：×：空白 5：3：1：0” ； 为维修性影响因素的项数， 1，2，，m。

3)将每项维修性影响因素的评分等级分成若干个，等级值用卢 ，表示，则可得到每个维修性设计方案对应各项维修性影响因素的评分 s 为：S6 2f (3)式中： 为第f个维修性设计方案对应第 项维修性影响因素的评分等级值，z1，2，，s，其中S为维修性设计方案总数。

2.3 设计方案的评价与选择原理在进行维修f生设计方案选择时，根据各项维修性影响因素的权重6 ，再由专家评分可得到每个维修l生设计方案对应的各项维修生影响因素的评分，可将这个过程看做-次正交试验，因此，可采用信噪比分析 以确保维修性设计方案在满足维修性定性要求的同时，整体方案具有最好的稳健性。其分析过程如下。

由数理统计的知识可知，第 f个维修性设计方案的评分平均值 为： So (4)所有维修性设计方案评分的平均值 为： z ∑ f (5) L)J第 z个维修性设计方案评分的方差值 的无偏估计 为： (.s ) (6)第 f个维修性设计方案评分的平均值平方 的无偏估计 为： - ÷(s - ) (7)令：m (8)s 1( so) (9)5 ∑5 (10)式中：s 为5 的平均值。

1 16第f个维修性设计方案的信噪比叼 为：s 2M - 、f 可 u l实际计算时，若 极小，则将叼 取对数后再乘以10得到 ，化为分贝(dB)单位，即 为： lOlg[(s脚- )/(m )] (12)取叼 或者 值最大的维修性设计方案，即该维修性设计方案在考虑维修性定性要求和维修性影响因素之间的关系时具有最好的稳健性。 或者 的值越大，输出特性越稳定，该设计方案的维修性波动小，在最大程度地满足维修性定性要求的同时，具有抵抗各种干扰的最强性能。

3 案例分析在某型号装备的研制中，其传动系统有4个设计方案(方案1、方案2、方案3和方案4)，现欲选取维修性较好的方案。

本文应用改进型QFD模型对维修性设计方案进行评价选择，其具体步骤如下。

1)根据图1中所构建的维修性影响因素体系，将维修性影响因素用代号表示，表 1中的各项维修性定性要求用 F1～F12表示，构建维修性设计方案选择的质量屋系统，具体如表2所示。

2)在维修性定性要求中，用维修性定性要求的相互关联度代替相对重要度Ot ，其值如表1所示。

3)由熟悉装备传动系统的3名专家组成专家小组，按照相应的标准，讨论并确定关系矩阵中各项维修性定性要求与维修性影响因素之间的相关程度 r用符号、口、×和空白表示 ，结果见表2。

4)将每项指标划分为7个评分等级，分别表示很好、好、较好、-般、较差、差和很差，代表 的分值为0.75、0.50、0.25、0、-0.25、-0.50和 -0.75。由专家小组结合4个维修性设计方案的具体情况，对其进行评分，得到等级值 "结果如表2所示。各维修性设计方案的评分如表3所示。

5)根据式(4)，计算每个设计方案的平均值 ，结果如表3所示。根据式(5)得到所有维修性设计方案评分的平均值 为： O.363 76)运用正交试验法信噪比分析，各维修性设计方案的S SlT Vlo和信噪比 的值如表4所示。

倪祥龙，等：-种考虑稳健性的维修性设计方案选择方法研究 2013年第8期1.394 l 1.513 1 1.336 9 1.015 7 1.922 5 0.917 1 1.637 6 1.471 7 1.083 1 1.020 9 1.134 9 1.741 1 0.554 3 0.735 9O.5 0.25 -O.5 0.25 O.25 -0.5 -0.25 0.5 0.25 O.5 0.75 0.25 O O.5O.75 0.5 O.25 0 -0.25 -0.5 0.75 0.5 0.5 0.25 0 -0.25 0.5 O.25O.25 -0.5 0.75 -0.25 O.5 0.25 -O.25 0.75 0.25 0.5 -0.25 0.75 0.5 0.25- O.5 0.25 O.5 O.75 O.5 0.75 -O.25 O.5 0.5 0.25 0.75 0 O.25 -0.57)由表4所示可以看出，维修性设计方案2的信噪比最高，参照表3其平均值 ：0.424 5，同样也高于其他设计方案水平。因此，本实例中，选择设计方案 2为最佳方案。

117如岛2013年第 8期 现代制造工程(Modem Manufacturing Engineering)表 4 各方案的 s S 和信噪比方案 SZM S fl 3.989 O 13.056 8 0.335 8 O.4O2 92 5.046 3 14.896 9 0.364 8 0.475 33 3.053 6 13.758 9 O.396 5 O.248 24 2.911 7 10.670 4 O.287 4 0.338 24 结语借助QFD思想，在典型质量屋的基础上构建用于维修性设计方案评价选择的改进型QFD模型，综合考虑装备维修性定性要求和维修性影响因素之间的关系，选取维修性稳健性信噪比高的设计方案，确保了所设计装备的维修性质量，降低了维修过程中各种影响因素对维修性的影响。

利用信噪比分析装备维修性的稳健性，适合于几个设计方案维修性水平相差不多的情况，否则可能出现维修性水平高但稳健性低等冲突情况。稳健性设计方法在装备维修性设计方面的应用有着广阔的前景，能与可视化设计、虚拟维修等相结合，但目前这方面的研究非常少，有待进-步深入。