论环境工程与可靠性工程的相关性范文

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为了弥补可靠性试验验证中的不足，型号工作中引入了环境工程，以分析实际的服役环境，统筹实验室环境试验、自然环境试验和使用环境试验，充分控制环境因素引起的故障。以自然环境试验为例，自然环境各因素之间存在着复杂“蝴蝶效应”：微小环境因素的变化会产生巨大的差别。所以实验室环境试验不能完全代替自然环境试验。从产品可靠性和环境适应性的工程应用来看，二者有密切的联系，但又有较大的区别。由于影响可靠性的因素极为复杂，所以应在具有代表性的环境下对可靠性定量指标进行验证和评估。如果采用极端环境来验证和评估可靠性定量指标，可能会掩盖其他影响可靠性的因素所造成的影响，反而造成可靠性验证、评估的不准确。由于环境工程提高了产品耐环境的能力，则会使产品具备足够的耐环境裕度，当然也降低了产品出现故障的概率，即提高了可靠性。由于可靠性工程是控制产品故障包括环境适应6性故障的技术和管理活动，所以可靠性工程具备和环境工程相互融合的条件。本文以某型号产品自然环境试验工作为例，论述了环境工程和可靠性工程在预防产品故障发生、消减故障后果方面的互补关系和有机融合关系。

1型号产品海洋自然环境试验工作情况

1.1工作概况

为暴露在研和已投产型号在环境适应性和可靠性方面的问题，及时采取有效的措施予以解决，积累型号产品在海洋自然环境下的试验数据，为促进相关型号产品对海洋自然环境适应能力的迅速提升与持续改进提供数据支持与技术储备，对型号产品策划和实施了海洋自然环境试验专项工作，表1是对多个型号海洋环境试验中故障原因的统计分析。海洋自然环境中，防护措施不当或不到位造成的问题最多，另外在设计、选材、工艺以及质量控制方面都可能造成故障。此外还存在一些偶然的原因，如运输的磕碰、污染等。

1.2环境工程的特点

从型号产品海洋自然环境试验工作情况看，环境工程有下列特点：1）考虑装备实际的服役环境是环境工程的出发点环境工程以分析武器装备实际使用服役环境为出发点，开展环境试验的剪裁、环境适应性设计等技术和管理工作，确保武器装备在实际使用过程中不发生环境适应性问题。在型号产品海洋自然环境试验工作中，试验方案的制定和实施都是按照装备的实际服役条件剪裁制定的。由于自然环境条件是一种综合性的复杂条件，从严格意义上说，实验室选取的典型条件实际上是不能完全模拟自然环境的，所以自然环境试验获取的故障数据更能够反映装备服役过程中出现的实际问题。例如一些电缆通过了加严8倍以上的实验室环境试验，半年后在自然环境试验中依然出现锈蚀破坏，对其功能的实现有较大影响。这说明实验室试验不能完全代替自然环境试验。2）故障的微观机理分析是环境工程的基础早期的环境工程以环境试验为重心，但是随着环境工程成为一项系统工程，环境试验方法的剪裁、环境适应性设计技术等都需要通过故障的微观机理分析来支撑，因此分析环境在微观上对产品的物理、化学和生物的作用机理是环境工程的基础。例如某局部基准设备样机结构件出现密封故障，通过多次分析故障的机理，发现不锈钢箱体结构件存在缺陷、对外电连接器水密性能不良、○形密封圈存在局部损伤等问题，这为环境适应性设计改进提供了依据。通过微观机理分析，可以从设计、制造、使用、质量控制等多方面寻找故障原因，并指导产品的改进。3）强调多领域专家经验以及技术基础的支撑作用作为一项基础性和共性的工作，环境工程中基础环境数据的收集分析、环境试验的设计与剪裁、环境损伤机理及其控制等技术需要大量的技术基础研究和专业知识，因此环境工程中强调组织来自于不同专业的专家（如工艺专家、试验技术专家、元器件专家等）形成环境工程专家组，支撑型号环境工程的技术工作，避免粗放式设计。在型号产品海洋自然环境试验工作中，为了解决某型号出现的环境适应性故障，组织了元器件专家、材料专家、工艺专家提供咨询，从材料选择、工艺过程、管理等方面提出了系统的改进型号环境适应性的建议，取得了良好的效果；另外通过收集自然环境试验的结果形成数据库，为未来型号研制提供了基础性数据。4）环境适应性设计经验是环境工程活动最宝贵的成果环境工程最初的目的主要是为环境试验。随着环境试验数据的积累，环境工程人员和专家积累了丰富的环境适应性设计素材，为指导装备设计提供了条件。例如在某型号产品海洋自然环境试验工作中，专家针对出现的故障提出了环境适应性改进方案，这些方案是实际工程经验的总结，极为宝贵。再如波音公司等国外航空航天公司的设计手册中许多环境适应性设计都是多年环境工程活动的结果，并成为航空器适航性认证的重要内容。

2环境工程与可靠性工程的融合

2.1环境工程与可靠性工程的互补性

从可靠性工程和环境工程的概念上看，二者在方法和技术上都有很强的互补性。这种互补性表现在：1）产品环境适应性的定性要求和可靠性定量指标的互补性。例如，可靠性定量指标从概率上描述了装备的可靠性水平，这种概率允许一定概率的环境故障；而环境工程则尽可能消除环境因素导致的故障，为产品在服役环境下的可靠使用提供了保证，并进一步提高了可靠性水平。二者互相补充。在型号产品海洋自然环境试验工作中，有的型号尽管通过了可靠性试验和鉴定验收，但是在自然环境试验中依然暴露出了环境适应性问题，通过解决这些问题，使可靠性得到了增长。2）微观分析和宏观综合的互补性。在型号产品海洋自然环境试验工作中，为了控制故障，研究了各种环境因素在微观上对产品的物理、化学的损伤过程，提出了从结构、材料、工艺等方面的改进措施；而传统的可靠性工程是通过从宏观上查找产品可靠性的薄弱环节，来加强对故障的控制。所以环境工程和可靠性工程具有微观分析和宏观综合上的互补性。3）还原论和整体论上的互补性。为了工作的方便和经济，进行可靠性工作时必须满足3个规定的要求，在简化的环境条件下开展工作，这是一种典型的还原论的方法；环境工程中把服役环境视为一个整体来研究，既考虑环境条件的边界，也考虑各种环境因素组合所产生的效果，这是一种整体论的方法。二者在方法上有互补性。

2.2环境工程与可靠性工程的有机融合

由于可靠性工程是控制产品故障包括环境适应性故障的技术和管理活动，所以它必然在技术方法上同环境工程能够相互融合。这种融合可以表现在[4]：1）环境试验和可靠性试验的融合从某种程度上说，可靠性试验都是环境试验，而环境试验技术的提高可使可靠性试验更接近实际情况。确定可靠性试验的环境条件是环境工程的研究内容之一，所以环境试验和可靠性试验可以统一筹划，互相融合。2）环境适应性设计与可靠性设计的融合环境适应性设计是产品研制和生产过程中应用环境工程的重要内容，它的许多内容与可靠性设计相互重合。当采用一般的可靠性设计技术无法满足要求时，必须通过控制环境条件（如密封、干燥剂等）以及专业性设计来加以解决，这也提高了产品的可靠性。3）环境工程和可靠性工程可以统一管理环境工程工作和可靠性工程工作都贯穿于产品研制、生产的整个过程，甚至部分工作有重合，因此环境工程和可靠性工程可以统一管理。例如GJB450A与GJB4239的工作项目都对计划、试验、设计、信息收集做出了规定，所不同的是关注的重点有差别。在研制工作中，有些环境工程的工作实际上已经被可靠性工程工作所覆盖，例如FRACAS系统，但是某些环境工程的工作内容则需要一些专门的技术，如环境预示技术、实验室环境试验和自然环境试验相关性技术。所以型号研制过程中形成了可靠性工程和环境工程两套工程体系，环境工程管理大纲和可靠性大纲都是在产品研制、生产甚至使用过程中分别对环境工程工作和可靠性工程工作进行规划，并进行监督和检查的顶层文件。但是由于它们控制产品故障目的的一致性，以及工作的互补性，所以它们也是可以相互借鉴的。因此把环境工程和可靠性工程工作互相融合，制定出统一的工作计划及管理大纲，这将更有利于保证产品研制、生产全过程的环境适应性和可靠性。4）技术发展上的融合在可靠性技术发展初期，易于使用、见效较快的基于概率统计的可靠性工程方法在工程实际中得到了广泛应用。近年来，基于故障物理的可靠性工程日益得到重视。故障物理方法从微观上、物理化学上探求产品故障的必然原因，使可靠性从对故障数据处理的“黑盒艺术”变成了一门可以对故障过程进行描述的“白盒科学”。例如美国圣迭戈国家实验室就发展了以失效物理为基础的可靠性工程方法，称为21世纪以科学为基础的可靠性工程方法。由于环境工程重视微观分析和故障机理的研究，这和故障物理方法的思想完全一致。可以预计，通过技术的融合，可靠性工程和环境工程将逐步融合，成为一门综合多专业的工程。

3进一步讨论

由于装备及其研制活动这一复杂系统的特征，导致在型号研制过程中形成了可靠性工程和环境工程两套工程体系。型号可靠性工作中大量采用还原论的方法，选取典型环境来简化环境条件开展工作，这就“把模糊性约化为清晰性，把非线性关系约化为线性，把混沌运动约化为周期运动”[5]，但这也导致一些技术细节的丧失。而环境工程则把整个服役环境作为研究对象，把服役环境视为整体，从而实现了整体论和还原论的互补。受到传统还原论的影响，人们依然“偏爱无益的精确性，眼光短浅与方法的局限性而非普遍存在而又处处可见的新颖和优美”[6]，无论在技术研究还是在型号研制中，由于环境工程缺少所谓“数学性”、“定量化”等“科学性”特征，在实际工作中和技术研究工作中操作起来有一定难度，也未得到充分的重视。所以未来需要进一步深入研究环境适应性和可靠性技术在方法论上的区别，并通过大力发展环境工程，促进环境工程和可靠性工程的融合。

4结论

由于关注的重点和采用的方法不同，可靠性工程和环境工程是装备及其研制活动中互补的两个工程体系，但二者都是为预防产品故障发生、消减故障后果而产生的，因此环境工程和可靠性工程需要从技术和管理上进一步有机融合，更好地发挥控制产品故障的作用。

作者：蔡健平吴超云赵婉石士进单位：中国航天标准化与产品保证研究院