葉豪杰, 鄧南明

(中國人民解放軍 91388部隊, 廣東 湛江, 524022)

基于戰(zhàn)備完好率的魚雷貯存壽命試驗方法

葉豪杰, 鄧南明

(中國人民解放軍 91388部隊, 廣東 湛江, 524022)

針對采用評估法和自然貯存試驗評定魚雷貯存壽命的局限性, 提出了基于戰(zhàn)備完好率的魚雷貯存壽命加速試驗方法, 通過引入戰(zhàn)備完好率和全雷加速因子, 有效解決了在貯存壽命內(nèi)有多大比例的魚雷可以正常投入使用的問題, 同時降低了試驗成本, 縮短了試驗周期, 使評定結(jié)論更為及時客觀。該試驗方法具有較強(qiáng)的可操作性, 為魚雷貯存壽命的評定提供了新的思路。

魚雷; 戰(zhàn)備完好率; 貯存壽命; 加速試驗

0 引言

魚雷貯存壽命也稱貯存使用期、貯存服役期,是指倉庫貯存魚雷在規(guī)定的貯存條件和維修條件(包括按規(guī)定進(jìn)行預(yù)防性維修和修復(fù)性維修)下,從驗收合格包裝貯存開始到無法再修復(fù)達(dá)到規(guī)定指標(biāo)或到?jīng)]有修復(fù)使用價值(經(jīng)濟(jì)上或技術(shù)上)的日歷持續(xù)時間[1]。魚雷貯存壽命的評估已成為我國魚雷設(shè)計定型時關(guān)鍵考核項目之一。目前的魚雷貯存壽命評估方法主要分為兩大類: 第1種方法是采用自然貯存試驗方法來收集試驗數(shù)據(jù), 根據(jù)相關(guān)評判標(biāo)準(zhǔn)計算魚雷貯存壽命, 該方法特點(diǎn)是方法成熟、結(jié)論準(zhǔn)確, 但由于試驗周期長, 結(jié)論比較滯后[2], 在魚雷設(shè)計定型時多不采用。 第2種方法是零部件最短壽命法, 指在魚雷設(shè)計初期, 根據(jù)貯存可靠性指標(biāo)分配值對魚雷各系統(tǒng)組部件進(jìn)行相關(guān)試驗, 評估各系統(tǒng)或組部件的壽命,魚雷貯存壽命主要取決于不宜修復(fù)或更換產(chǎn)品,以其可靠貯存壽命的最小值作為魚雷的貯存壽命,然后結(jié)合考慮魚雷維修性和保障性對貯存壽命的影響進(jìn)行綜合評估。由于此方法評估簡便, 在魚雷設(shè)計定型時主要采用該方法。在以上2種方法中, 自然貯存試驗方法時間長, 不能提前評估魚雷貯存壽命; 零部件最短壽命評估方法則由于嚴(yán)重依賴貯存可靠性指標(biāo)分配值的合理性, 未進(jìn)行全雷試驗, 沒有充分考慮全雷結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)間的相互影響。且這2種方法都沒有回答在貯存壽命內(nèi)當(dāng)要求執(zhí)行任務(wù)時有多大比例的魚雷, 其戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)仍然滿足設(shè)計定型要求, 可以投入作戰(zhàn)使用, 而這個問題才是最值得關(guān)注的。

魚雷戰(zhàn)備完好率是指在規(guī)定的貯存、維修和保障條件下, 在規(guī)定貯存時間內(nèi), 當(dāng)任務(wù)需要時保障部隊存儲的魚雷處于正常狀態(tài)能裝艦(潛)艇投入使用的概率[1]。它亦是魚雷貯存可靠性、維修性及保障性的綜合度量指標(biāo)。分析確定魚雷的貯存壽命, 實質(zhì)是根據(jù)雷上各系統(tǒng)及組部件的貯存可靠性和在貯存使用過程中采取的定期更換、設(shè)置備件及整修等技術(shù)措施, 獲得能夠滿足戰(zhàn)備完好率最低要求值的最長貯存使用日歷持續(xù)時間。目前國內(nèi)尚無在考慮戰(zhàn)備完好率指標(biāo)條件下進(jìn)行魚雷貯存壽命評估的方法, 也未開展過魚雷全雷貯存壽命加速試驗。

1 確立故障判定標(biāo)準(zhǔn)

貯存壽命和戰(zhàn)備完好率是可靠性、維修性和保障性的綜合性指標(biāo), 其故障判定范圍與可靠性試驗故障判定準(zhǔn)則[3]有所不同。貯存壽命試驗的故障判定僅將試驗過程中發(fā)生的不宜更換或修復(fù)的責(zé)任故障納入故障數(shù)統(tǒng)計。對于可以修復(fù)或者更換相關(guān)故障件的故障則不納入故障數(shù)統(tǒng)計, 對試驗中出現(xiàn)的故障魚雷進(jìn)行修復(fù)或替換后, 可繼續(xù)試驗。

2 貯存壽命試驗總時間

魚雷轉(zhuǎn)入定型試驗階段, 其硬件基本固化,可認(rèn)為貯存壽命和戰(zhàn)備完好率已經(jīng)穩(wěn)定。全雷按照近似指數(shù)型分布的產(chǎn)品考慮[3], 貯存壽命試驗按照可靠性統(tǒng)計試驗選取不同的統(tǒng)計試驗方案進(jìn)行驗證, 試驗按定時截尾的方案選取。倉庫貯存魚雷在規(guī)定的貯存條件和維修條件(包括按規(guī)定進(jìn)行預(yù)防性維修和修復(fù)性維修)下, 戰(zhàn)備完好率最低可接受值

式中: ts為貯存壽命; MTBFSL為貯存平均無故障間隔時間最低可接受值。根據(jù)故障的確定標(biāo)準(zhǔn),魚雷戰(zhàn)備完好率最低可接受值由式(1)可轉(zhuǎn)化為平均故障間隔時間(mean time between failures,MTBF)最低可接受值

設(shè)魚雷貯存壽命試驗總時間為 T, 采用指數(shù)型分布的經(jīng)典估計法由 M TBFSL的換算公式可得

式中: γ為置信度, 由于是單側(cè)置信區(qū)間, GJB 899A建議γ=1-β; r為貯存試驗中發(fā)生的不可修復(fù)或無修復(fù)價值的故障數(shù);(·)為分布的γ分位數(shù)。

3 貯存壽命等效加速試驗時間折算

魚雷貯存期間是非工作周期的狀態(tài), 狀態(tài)主要受貯存環(huán)境影響。由于長期貯存期間, 采取密封包裝方式。在包裝箱內(nèi)充有干燥的惰性氣體(氮?dú)?, 魚雷實際貯存時不會受到光、濕度、霉菌等環(huán)境因素的影響[4-6]。因此, 整個貯存期內(nèi)以溫度應(yīng)力對壽命的影響為主[7]。

加速因子是加速壽命試驗的一個重要參數(shù),反映的是加速壽命試驗中得到的壽命信息與實際使用條件的壽命信息之間的折算規(guī)律。目前國內(nèi)工程實踐中尚未開展過魚雷全雷貯存壽命加速試驗, 但是已有全雷裝載可靠性實驗室加速試驗的成功經(jīng)驗。可以此工程實踐為基礎(chǔ), 通過環(huán)境因子折算出在實驗室同等條件下貯存壽命加速因子。

魚雷裝載和貯存過程均為不工作狀態(tài), 其失效機(jī)理近似。魚雷裝載和貯存環(huán)境最大的差別在于裝載過程中魚雷會經(jīng)歷振動與濕度環(huán)境。全雷裝載可靠性實驗室加速試驗主要采集的溫度、濕度和振動這 3種典型環(huán)境應(yīng)力, 對魚雷上的電子產(chǎn)品以及魚雷所屬的機(jī)械、機(jī)電產(chǎn)品和非金屬材料進(jìn)行考核。由于魚雷處于密封狀態(tài), 濕度的影響有限, 裝載加速試驗中濕度應(yīng)力按照實際實驗室的環(huán)境施加, 有研究分析表明溫度和振動是魚雷裝載可靠性試驗中造成影響的最主要因素。全雷裝載可靠性實驗室加速試驗的加速因子是根據(jù)溫度循環(huán)的 Coffin-Manson模型計算得出的, 而振動應(yīng)力則是根據(jù)Miner模型分配到各個溫度循環(huán)周期中, 對裝載加速因子的計算并未產(chǎn)生實質(zhì)影響。所以在此基礎(chǔ)上進(jìn)行貯存加速試驗時, 可以僅采用溫度循環(huán)而不疊加振動應(yīng)力。此時基于溫度加速應(yīng)力的貯存試驗加速因子可考慮從全雷裝載可靠性加速因子通過環(huán)境折算獲得。

通過分析裝載與貯存的環(huán)境剖面可知, 魚雷在裝載環(huán)境和貯存環(huán)境下, 其壽命都服從指數(shù)分布, 失效率分別記為cλ和sλ, 則魚雷裝載環(huán)境對貯存環(huán)境的環(huán)境因子[4]可表示為

指數(shù)分布用平均壽命1θλ=作為壽命特征,其加速因子

則魚雷裝載加速因子

魚雷裝載和貯存過程環(huán)境條件不同, 在實驗室加速試驗環(huán)境剖面下裝載試驗加速因子通過環(huán)境因子,csK (通常取 3)折算, 可轉(zhuǎn)換為貯存壽命試驗加速因子[8]

由式(5)可知, 實驗室加速試驗時間

即在實驗室加速貯存試驗iT小時等效為自然貯存試驗時間sT小時。

按照該試驗方案進(jìn)行貯存壽命試驗, 當(dāng)加速試驗時間達(dá)到要求, 且發(fā)生責(zé)任故障數(shù)小于允許故障數(shù)時, 則說明在滿足戰(zhàn)備完好率最低可接受值SLP 時魚雷貯存壽命符合指標(biāo)要求。同時按照維護(hù)保養(yǎng)及定期維修時間要求, 通過加速因子折算可以確定加速壽命試驗中的維護(hù)保養(yǎng)時間[9]。

4 確定維護(hù)保養(yǎng)時間

在貯存過程中, 魚雷武器長期貯存在技術(shù)條件規(guī)定的環(huán)境條件下, 并采取包括測試、檢查、維護(hù)和維修等技術(shù)措施。主要包括以下3種情況。

A級維護(hù): 進(jìn)行包裝箱干濕度、氣密檢查。在實驗室加速試驗過程中, 魚雷密封包裝箱干濕度和氣密性時刻處于監(jiān)測中, 所以在試驗中不用專門進(jìn)行A級維護(hù), 只做B、C 2個級別日常狀態(tài)監(jiān)控及定期的維護(hù)保養(yǎng)。

B級維護(hù): 魚雷不開箱, 利用全雷監(jiān)測裝置對密封存儲包裝箱內(nèi)魚雷進(jìn)行通電功能檢查。

C級維護(hù): 魚雷出箱, 利用魚雷通用監(jiān)測設(shè)備進(jìn)行全雷聯(lián)調(diào)檢測, 檢查魚雷功能和技術(shù)狀態(tài)。

定期維修: 對貯存期達(dá)到固定年限的魚雷,安排定期維修。將魚雷分解到組件, 按組件、各段、全雷進(jìn)行功能檢測, 更換一次件和壽命件,全面恢復(fù)魚雷技術(shù)狀態(tài)。

設(shè)魚雷貯存壽命st為10年, B級維護(hù)周期bt為1年; C級維護(hù)周期ct為2年; 定期維修周期dt為5年。通過折算確定加速壽命試驗中的維護(hù)保養(yǎng)時間。以B級維護(hù)為例, 可得加速試驗中維護(hù)周期

即實驗室加速試驗每ibT進(jìn)行B級維護(hù)。同理, 加速試驗中 C級維護(hù)周期icT為0.2iT, 定期維修周期idT 為0.5iT。

5 算例

已知某型魚雷貯存壽命指標(biāo)st為 10年, 戰(zhàn)備完好率最低可接受值SLP 分別設(shè)為 0.80、0.85和 0.90。雙方風(fēng)險α,β均為 0.2, 裝載加速因子取92, 則在不同戰(zhàn)備完好率指標(biāo)要求和試驗允許零故障條件下的魚雷貯存壽命試驗方案比較如表1所示。

表1 不同試驗方案比較Table 1 Comparison of different test schemes

在貯存壽命指標(biāo)、戰(zhàn)備完好率指標(biāo)和試驗允許故障數(shù)確定的情況下, 從表1可得出如下結(jié)論。

1) 目前常采用的零部件最短壽命法因不考慮戰(zhàn)備完好率而方法簡單, 便于操作, 但只能給出粗略的評估值來評判是否滿足貯存壽命指標(biāo)要求。實際上對于任何一種產(chǎn)品, 其貯存壽命不可能完全相等, 而是一個隨機(jī)變量, 是一個統(tǒng)計值。要求所有魚雷經(jīng)過一定時間的貯存后全都滿足戰(zhàn)術(shù)技術(shù)要求是十分困難的, 必然會導(dǎo)致給出的貯存壽命很短, 也不經(jīng)濟(jì)。

2) 在考慮戰(zhàn)備完好率時, 自然貯存試驗需要樣本量大, 如幾條甚至十幾條魚雷, 且試驗周期長, 以貯存壽命為基本單位。而全雷加速貯存試驗由于引入了加速因子, 可以僅用 1條魚雷在數(shù)月內(nèi)即可得出相關(guān)結(jié)論, 完全能夠滿足試驗鑒定的需要, 也與國外相關(guān)試驗結(jié)論較為一致[10]。

3) 隨著戰(zhàn)備完好率指標(biāo)的提高, 無論是自然貯存試驗還是加速貯存試驗, 試驗需要的樣本量和周期都將隨之增加, 這也符合試驗鑒定的實際,同時能反映出長壽命產(chǎn)品性能退化的客觀情況。

6 結(jié)束語

近年來, 貯存壽命作為一項重要的綜合指標(biāo)在魚雷試驗鑒定中越來越受到重視, 而以前常用的零部件最短壽命評估法和自然貯存試驗方法因其各自的局限性都已不能有效滿足試驗鑒定的需要。為了更加客觀準(zhǔn)確地評價魚雷貯存壽命, 通過引入戰(zhàn)備完好率指標(biāo), 在確定故障判定準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上采用有工程經(jīng)驗的全雷加速試驗方法與貯存壽命指標(biāo)相結(jié)合進(jìn)行考核。實例表明, 該方法不僅能夠解決當(dāng)任務(wù)需要時保障部隊存儲的魚雷中有多少魚雷處于正常狀態(tài)可以投入使用的問題,而且試驗周期短, 有效節(jié)約了試驗成本, 使評定結(jié)論更加及時、客觀, 為魚雷貯存壽命的評定提供了新的思路和方法, 同時, 也為完善魚雷可靠性、維修性和保障性等指標(biāo)體系提供了參考。只是, 文中所做研究仍然將魚雷壽命假定為指數(shù)分布, 而指數(shù)分布只是威布爾分布的特例, 并沒有得到強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支撐。因此下一步將繼續(xù)開展對威布爾分布等更為適用魚雷壽命分布類型的研究工作, 以取得更為客觀的評價結(jié)果。

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Test Method of Storage Life for Torpedo Based on Operational Readiness Rate

YE Hao-jie, DENG Nan-ming
(91388thUnit, The People's Liberation Army of China, Zhanjiang 524022, China)

To overcome the shortcomings in applications of the evaluation method and the natural storage test to storage life evaluation of a torpedo, an accelerated test method for torpedo storage life based on operational readiness rate is put forward.By introducing the operational readiness rate and the acceleration factor in the test method, the proportion of the torpedoes in the range of storage life, which can be put into normal use, can be obtained, meanwhile the test cost and test cycle can be reduced, so that the evaluation of torpedo storage life gets more timely and objective. This accelerated test method is of strong operability, and may provide a new idea for the evaluation of torpedo storage life.

torpedo; operational readiness rate; storage life; accelerated test

TJ630.7; E92

A

2096-3920(2017)05-0470-04

10.11993/j.issn.2096-3920.2017.05.013

葉豪杰，鄧南明. 基于戰(zhàn)備完好率的魚雷貯存壽命試驗方法[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報, 2017, 25(5): 470-473.

2014-04-06;

2017-07-13.

葉豪杰(1985-), 男, 工程師, 研究方向為魚雷試驗鑒定.

(責(zé)任編輯: 許 妍)