艦船通用質(zhì)量特性設(shè)計要求淺析

姜華

摘? ? 要：在艦船立項論證、方案設(shè)計階段，需根據(jù)艦船主要用途和航行環(huán)境條件貫徹通用質(zhì)量特性設(shè)計要求，提升通用質(zhì)量特性設(shè)計能力，保障艦船交付使用后的功能可靠性和性能指標的先進性。

關(guān)鍵詞：艦船;全壽命;通用質(zhì)量特性;可靠性

中圖分類號：U673.2? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Abstract： According to the main tasks and navigation environment conditions of ships， the design requirements of universal quality characteristics for full life span should be implemented in the stage of demonstration for project approval and technical design， and the developer should continuously improve the design capability of universal quality characteristics， so as to effectively guarantee the functional reliability and advanced performance index of ships after delivery.

Key words： Ship; Full life span; General quality characteristics; Reliability

1? ? 引言

隨著新型艦船裝備高新技術(shù)應(yīng)用不斷增加、技戰(zhàn)術(shù)性能不斷增強，艦船的可靠性、維修性、保障性、測試性、安全性、環(huán)境適應(yīng)性（統(tǒng)稱為通用質(zhì)量特性）和可用性不斷改善。在新型艦船的研制過程中，通用質(zhì)量特性已經(jīng)成為與技戰(zhàn)術(shù)性能等專用質(zhì)量特性同等重要的指標。如何切實滿足艦船的可用度和可靠度等要求，在使用中能夠形成和保持有效的戰(zhàn)斗力，是艦船設(shè)計迫切需要解決的問題。要進一步提高艦船設(shè)計的可靠性質(zhì)量，關(guān)鍵是要樹立以通用質(zhì)量特性要求為產(chǎn)品設(shè)計主要質(zhì)量目標的設(shè)計理念，提升通用質(zhì)量特性設(shè)計能力，降低產(chǎn)品研制風(fēng)險，從而有效保障艦船交付使用后的功能可靠性和性能指標的先進性。本文對某近海巡邏船方案設(shè)計階段通用質(zhì)量特性的可靠性和維修性設(shè)計進行了總結(jié)。

2? ? 艦船通用質(zhì)量特性設(shè)計

2.1? ?艦船裝備通用質(zhì)量特性分析

在以往的艦船設(shè)計中，重點關(guān)注的是艦船的航速、續(xù)航力、轉(zhuǎn)彎半徑、排水量等質(zhì)量特性，我們稱之為專用質(zhì)量特性;與之相伴的是艦船的可靠性、維修性、保障性、測試性、安全性和環(huán)境適應(yīng)性等質(zhì)量特性，我們稱之為通用質(zhì)量特性。艦船通用質(zhì)量特性設(shè)計水平的高低，直接體現(xiàn)艦船使用功能與性能指標的優(yōu)劣程度。

GJB9001C-2017《質(zhì)量管理體系》中，要求武器裝備承制單位在策劃和控制過程中依據(jù)GJB450等通用標準的要求，確定產(chǎn)品通用質(zhì)量特性設(shè)計項目，編制通用質(zhì)量特性工作計劃，結(jié)合系統(tǒng)設(shè)計目標開展產(chǎn)品通用質(zhì)量特性設(shè)計、分析、驗證等[1]。通用質(zhì)量特性的設(shè)計和管理必須貫穿產(chǎn)品設(shè)計的各個階段，每個階段的目標之一就是不斷完善各項通用質(zhì)量特性指標。

艦船設(shè)計階段一般可劃分為：立項論證、方案設(shè)計、工程研制、設(shè)計定型（鑒定）、生產(chǎn)（工藝）定型五個階段[2]。雖然五個階段的設(shè)計范圍和深度不同，但 通用質(zhì)量特性設(shè)計要求在每個階段都是衡準之一。艦船通用質(zhì)量特性設(shè)計就是圍繞艦船用途、系統(tǒng)功能和性能指標、使用環(huán)境條件等提出最優(yōu)性價比的總體設(shè)計方案，在產(chǎn)品建造前充分評估系統(tǒng)功能與指標的合理性、使用環(huán)境的適宜性、主要設(shè)備組成的必要性等，尤其是通過對標類似艦船邊界約束條件最終確定通用質(zhì)量特性技術(shù)要求。

2.2? 艦船通用質(zhì)量特性設(shè)計要求與驗證標準

艦船通用質(zhì)量特性設(shè)計，主要根據(jù) GJB 450A-2004《裝備可靠性工作通用要求》、GJB368A-1994《裝備維修性通用大綱》、GJB2547-1995《裝備測試性大綱》和GJB 2547A-2012《裝備測試性工作通用要求》、GJB900-1990《系統(tǒng)安全性通用大綱》等設(shè)計標準開展，設(shè)計結(jié)果要在每一個設(shè)計階段進行審查、驗證并進行完善。

艦船各項通用質(zhì)量特性的設(shè)計和驗證是相互聯(lián)系和影響的，在艦船產(chǎn)品設(shè)計過程中，必須針對通用質(zhì)量特性設(shè)計、管理要求，研制方、承制方、監(jiān)督方需統(tǒng)籌考慮，優(yōu)化資源配置，努力實現(xiàn)產(chǎn)品通用質(zhì)量特性和專用質(zhì)量特性設(shè)計水平達到總體最優(yōu)化。

3? ? 某船方案設(shè)計階段可靠性和可維修性設(shè)計

我院新近設(shè)計的一艘近海巡邏船，主要用途是在我國沿海地區(qū)執(zhí)行巡邏警戒等任務(wù)。如何開展好以可靠性為設(shè)計質(zhì)量目標的質(zhì)量管理工作、高質(zhì)量完成該型艦船的設(shè)計任務(wù)，對我院具有十分重要的意義。必須從《質(zhì)量保證大綱》開始，貫徹相關(guān)通用質(zhì)量特性標準和規(guī)范要求，認真進行工作策劃，確定設(shè)計輸出文件與過程支撐文件（包括論證評估報告、模擬仿真試驗、水池模型試驗等），分階段開展通用質(zhì)量特性設(shè)計與驗證工作。按照GJB450A等標準工作項目，明確該船方案設(shè)計階段通用質(zhì)量特性設(shè)計工作主要以可靠性、維修性等通用質(zhì)量特性為主，具體工作則根據(jù)設(shè)計深度不同而貫穿整個設(shè)計各個階段。根據(jù)GJB5530-2006《艦船設(shè)計圖樣和技術(shù)文件審查規(guī)定》和實際需要，確定方案設(shè)計基本內(nèi)容。

3.1? 艦船可靠性設(shè)計目標

固有可用度0.85總體任務(wù)可靠度0.70;任務(wù)可靠度（最低0.65）。其中：

動力系統(tǒng)任務(wù)可靠度>0.85，固有可用度>0.90;

電力系統(tǒng)任務(wù)可靠度>0.90，固有可用度>0.92;

通信系統(tǒng)任務(wù)可靠度>0.92，固有可用度>0.95;

導(dǎo)航系統(tǒng)任務(wù)可靠度>0.92，固有可用度>0.95;

專用系統(tǒng)任務(wù)可靠度>0.90，固有可用度>0.92;

操控系統(tǒng)任務(wù)可靠度>0.90，固有可用度>0.92;

錨泊系統(tǒng)任務(wù)可靠度>0.92，固有可用度>0.95。

3.2? 艦船可靠性模型

艦船功能劃分為三個等級：系統(tǒng)級（L1）;子系統(tǒng)級（L2）;設(shè)備級（L3）。分別建立可靠性基本模型和任務(wù)模型：

3.2.1基本模型

基本模型是用以評估產(chǎn)品及其組成設(shè)備故障引起的維修及保障條件的模型。系統(tǒng)中任一設(shè)備發(fā)生故障后都需要維修或更換，所以也可把它當做測算使用成本的一種模型。基本模型是一個全串聯(lián)模型，即使存在冗余單元也都可以按串聯(lián)方式處理。

基本模型主要由：船舶裝置、推進系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、通信導(dǎo)航系統(tǒng)等組成，如圖1所示。

各主要子系統(tǒng)級、設(shè)備級基本模型，如圖2～6所示。

3.2.2任務(wù)模型

任務(wù)模型是用以評估產(chǎn)品在執(zhí)行任務(wù)過程中完成規(guī)定功能的程度，描述完成任務(wù)過程中產(chǎn)品各設(shè)備模塊的預(yù)定作用，用以評估任務(wù)實現(xiàn)有效性的一種模型。

任務(wù)模型組成，如圖7所示。

各主要子系統(tǒng)級、設(shè)備級任務(wù)模型，如圖8～12所示。

3.3? 艦船可靠性數(shù)學(xué)模型

艦船可靠性模型主要分為：串聯(lián)模型和并聯(lián)模型兩大類。

3.3.1串聯(lián)模型

串聯(lián)系統(tǒng)各分系統(tǒng)的可靠性服從指數(shù)分布，其可靠性數(shù)學(xué)模型如下：

式中：Rs為系統(tǒng)可靠度;Ri為第i個分系統(tǒng)可靠度;λs為系統(tǒng)失效率;λi為第i個分系統(tǒng)失效率;n為分系統(tǒng)數(shù);t為系統(tǒng)工作時間;MTBFs為系統(tǒng)平均故障間隔時間。

3.3.2并聯(lián)模型

設(shè)并聯(lián)系統(tǒng)各分系統(tǒng)相同，且可靠性服從指數(shù)分布，其可靠性數(shù)學(xué)模型如下：

式中：Rs（t）為系統(tǒng)可靠度;λs（t）為系統(tǒng)失效率;λ為分系統(tǒng)失效率;n為分系統(tǒng)數(shù);t為系統(tǒng)工作時間;MTBFs為系統(tǒng)平均故障間隔時間。

3.4? 艦船可靠性與維修性分配方法

3.4.1可靠性分配方法

設(shè)系統(tǒng)的可靠性指標為λs，分配給每個單元的故障率λi可表示為：

式中，i=1，2， …，n為單元數(shù);ci為第i個單元的評分系數(shù)。ωi為第i個單元的評分數(shù);ω為系統(tǒng)的評分數(shù)。rij為第i個單元第j個因素的評分數(shù);j=1為復(fù)雜度：組成與結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的評10分，最簡單的評1分;j=2為技術(shù)水平：技術(shù)和工藝水平最低的評10分，最高的評1分;j=3為工作時間：壽命周期內(nèi)工作時間最長的評10分，最短的評1分;j=4為環(huán)境條件：所處環(huán)境條件最差的評10分，最好的評1分。

3.4.2維修性分配方法

采用故障率分配法對維修性進行分配，其分配原則是單元的故障率越高，分配的維修時間就越短;反之則長。具體步驟如下：

（1）確定第i種單元的數(shù)量Qi;

（2）確定單個單元的故障率λss;

（3）確定第i種單元的總故障率λi，即第i種單元的數(shù)量Qi與其單個單元故障率λss的乘積，即λi=Qiλss;

（4）確定每個單元的故障率對總故障率影響的百分數(shù)，即確定每個單元的故障率加權(quán)因子Wi：

（5）計算各單元的平均修復(fù)時間：

式中：MTTR為系統(tǒng)的平均修復(fù)時間;MTTRi為第i種單元的平均修復(fù)時間。

3.5? 艦船可靠性與維修性指標分配

艦船固有可用度為0.85，固有可靠度表達式為：

式中：A為系統(tǒng)的固有可用度;MTBF為系統(tǒng)的平均故障間隔時間;MTTR為系統(tǒng)的平均修復(fù)時間。

根據(jù)以往類似艦船設(shè)備的維修時間情況，將MTTR定為2小時，則系統(tǒng)的平均故障間隔時間為：

由此可確定艦船的可靠性與維修性指標分別為：MTBF=11.4（h）、MTTR=2（h）。

艦船系統(tǒng)的可靠性與維修性指標分配，如表2所示。

3.6? 結(jié)論

針對該船的可靠性與維修性工作要求，首先建立了艦船可靠性模型和相應(yīng)的可靠性、維修性分配方法，在此基礎(chǔ)上將可靠性指標與維修性指標分配到各系統(tǒng)、子系統(tǒng)和設(shè)備。艦船可靠性與維修性指標分配結(jié)果，可作為首船研制的設(shè)計依據(jù)。

4? ?經(jīng)驗與體會

在艦船型號研制過程中，不斷細化和修正通用質(zhì)量特性設(shè)計內(nèi)容，可有效促進質(zhì)量可靠性，增強和改善技戰(zhàn)術(shù)能力。通用質(zhì)量特性設(shè)計及其規(guī)范化、標準化工作的持續(xù)改進，將是艦船型號研制工作不變的主題和目標。結(jié)合自身的工作體會和經(jīng)驗，提出下列建議以供同行參考。

（1）頂層策劃，自上而下推進

質(zhì)量特性工作涉及可靠性、維修性、保障性等具體專業(yè)技術(shù)，不只是總體設(shè)計技術(shù)單位和總裝建造單位要負責(zé)落實相關(guān)工作，還涉及眾多的配套單位。因此，頂層領(lǐng)導(dǎo)要重視通用質(zhì)量特性設(shè)計工作，確保足夠的資源投入，項目人員要全面覆蓋各個專業(yè)領(lǐng)域，從而確保通用質(zhì)量特性設(shè)計標準貫徹落實到位。

（2）轉(zhuǎn)變設(shè)計理念，開展人員培訓(xùn)

通用質(zhì)量特性設(shè)計人員要轉(zhuǎn)變設(shè)計理念和質(zhì)量意識，不能只關(guān)注專用質(zhì)量特性指標，而要從立項論證工作開始就關(guān)注通用質(zhì)量特性設(shè)計要求的落實，將通用質(zhì)量特性工作要求融入艦船型號研制的全過程。

（3）開放合作，打造設(shè)計標準

通用質(zhì)量特性設(shè)計工作涉及多個學(xué)科領(lǐng)域，而艦船設(shè)計人員的能力與經(jīng)驗更多側(cè)重于各自的專業(yè)，在通用質(zhì)量特性設(shè)計的專業(yè)深度和廣度上都存在不足。因此需要在實際工作中引入專業(yè)的管理機構(gòu)進行輔導(dǎo)，對選定的項目進行策劃，使工作成果成為其他項目的工作標準。

（4）及時總結(jié)，提升設(shè)計能力

通用質(zhì)量特性設(shè)計水平的提高，需要通過多個項目的設(shè)計總結(jié)才能逐步完成，甚至需要通過關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)才能實現(xiàn)。通用質(zhì)量特性設(shè)計能否達到要求，還必須通過多種試驗方法來進行驗證。

通用質(zhì)量特性設(shè)計人員要提高站位，站在全單位的角度，結(jié)合項目質(zhì)量管理體系要求，梳理好通用質(zhì)量特性設(shè)計工作流程，建立通用質(zhì)量特性設(shè)計規(guī)范標準，提升通用質(zhì)量特性設(shè)計工作的軟硬件平臺，形成一些具體案例，不斷提升通用質(zhì)量特性設(shè)計水平。

5? ?結(jié)束語

由于經(jīng)驗和項目設(shè)計輸入等條件的限制，本文僅根據(jù)對相關(guān)標準的理解進行某船品開展通用質(zhì)量特性分析，許多通用質(zhì)量特性設(shè)計內(nèi)容、標準還有待進一步理解、驗證和改進。期望與同行一道在今后的艦船研制工作中，以通用質(zhì)量特性設(shè)計為產(chǎn)品主要設(shè)計質(zhì)量目標，在產(chǎn)品質(zhì)量管理體系中解決新產(chǎn)品開發(fā)過程中的設(shè)計質(zhì)量、技術(shù)狀態(tài)控制等實際問題，切實提升艦船設(shè)計和項目管理質(zhì)量水平。

參考文獻

[1] GJB9001C-2017質(zhì)量管理體系要求[S].

[2]羅新華，高俊峰.裝備研制過程質(zhì)量監(jiān)督[M]. 國防工業(yè)出版社，2013.