鱼雷动力电池实航可靠度试验与评估

贺成刚，唐世轩（中国人民解放军91388部队91分队，广东 湛江524022）



鱼雷动力电池实航可靠度试验与评估

贺成刚，唐世轩
（中国人民解放军91388部队91分队，广东 湛江524022）

摘要：本文根据电池成败型组部件、寿命型组部件构成和工作特点，提出了陆上可靠性试验方法及要求，根据研制过程技术状态逐步趋稳的情况，将可靠性增长模型和经典统计评估方法应用于科研和定型阶段的动力电池可靠性评估，为其可靠度试验与评估提供了新的思路。

关键词：鱼雷动力电池可靠性试验评估

0　引言

鱼雷动力电池具有一次性使用、成本高等特点，陆上和实航性能试验样本量都很小，不可能满足其可靠性评估需求，可靠性试验方法和试验样本量是需要解决的重大难题。另外，按可靠性要求，鱼雷动力电池研制过程每一阶段都要进行可靠性试验和评估，评估结果达到预定目标后才能转入下一阶段，但产品技术状态是变化的，只有到定型阶段才相对固化，不同研制阶段的可靠性评估也是有待解决的难题。

1　实航可靠度检验方案

制定可靠性检验方案，就是确定试验样本量及允许故障数，是可靠性试验与评估前提条件，鱼雷及其组部件实航可靠度可按二项分布或指数分布制定检验方案［1，2］。

1）二项分布检验方案。试验结果为成功或失败，属成败型二项分布，经典统计二项分布假设检验方案确定试验次数和允许故障数，其计算方法为［2，3］：

式中，f为故障数，nf试验样本量，R0为实航可靠度的规定值，R1为实航可靠度的最低可接受值，α为研制方风险，β为使用方风险。

2）指数分布检验方案。将实航可靠度指标转换为MTBF指标，经典统计指数分布检验方案确定试验总时间和允许失效数，其计算方法为［2，3］：

式中，T为试验总时间，MTBF0为MTBF规定值，MTBF1为MTBF最低可接受值。

3）相关说明。检验方案制定应遵循双方风险相当的原则。根据动力电池可靠性指标分配情况，试验样本量很大或试验总时间很长，超出实际承受能力。为了最大限度地减少试验样本量，只能检验可靠性最低可接受值，在条件受限情况下可采用允许故障数为0的最小试验数或最少试验总时间方案，研制方风险相对较大。

2　动力电池可靠性评估信息源

目前动力电池性能试验包括：1）陆上放电试验；2）陆上功率匹配试验；3）安全性试验；4）电磁兼容性试验；5）实航试验。陆上和实航性能试验已进行多次，方法基本成熟，这些试验对电池而言都是一次性的，不可重复试验，总的试验样本量受到限制。按照可靠性检验方案所确定的试验样本量都很大，远超出实航试验样本量，因此，如何挖掘可用于可靠性评估的信息源，扩大信息量，是可靠性评估的关键，宜将陆上和实航性能试验结果都纳入实航可靠性评估。

即使陆上和实航性能试验全部纳入可靠性评估，样本量也不满足评估要求，必须进行陆上可靠性试验，并且为减少试验成本，还必须是可重复性试验。陆上可靠性试验，还没有比较成熟的方法可借鉴，需要结合其自身结构组成和工作特点，进行研究和探索，下面给出陆上可靠性试验的基本思路和总体要求。

3　动力电池陆上可靠性试验

3.1动力电池组成及可靠性分布类型

以某型动力电池为例，说明其组成和可靠性分布类型。

1）动力电池组成。某型电池主要由电池本体、辅助系统、电池段壳体、仪表用电源、雷上电缆及对接插座等组成；电池本体主要包括正极、负极、电液框、端板和引流体等；辅助系统主要包括热电池、电爆管、电液循环泵-电机、激活阀、温控装置、气液分离器、段控制器和安全防护装置等；仪表用电源包括电源插头、DC/DC变换器等。

2）分布类型。DC/DC变换器和段控制器均为可连续工作寿命型部件，电机和泵是具有一定寿命的可间歇工作的机电产品；各种阀门为重复性使用的部件，其主要工作模式为开启或关闭，是典型的成败型工作方式；热电池和电爆管等一次性工作的部件，其工作特点类似于火工品；电池本体构造为整体式，且成本较高，一次性使用，是成败型。

依据动力电池的工作特点，按其分布类型包括3种：可持续工作的寿命型部件；可重复性使用的成败型部件；一次性工作的成败型部件。按其分布类型，可开展相应的陆上可靠性试验。

3.2陆上可靠性试验方法及要求

动力电池陆上可靠性试验相对比较复杂，本文仅从宏观上提出基本的思路、方法和要求。

1）总体要求。动力电池陆上试验或实航试验，只要电解液与电池本体发生化学反应放电，则电池就是1次性的，若陆上可靠性试验每次都放电，试验费用与实航一样，因成本问题，不可能进行大样本量试验，陆上可靠性试验的目的就是弥补样本量不足的问题，因此，陆上可靠性试验要考虑重复性或持续性，不能每次都放电。

2）分类试验。针对电池段的可持续工作的寿命型部件、可重复性使用的成败型部件、一次性工作的成败型部件分类进行试验。

3）可持续工作的寿命型部件试验。考虑到工程实际情况和试验手段的可实现性，组部件齐全的电池段在专用的试验台架上进行，外部供电运转，用水代替碱液进行循环，成败型部件处于正常状态，不工作。按照连续工作的寿命型产品的可靠性要求对其MTBF指标进行考核，试验总时间满足检验方案要求。

4）可重复性使用的成败型部件试验。各种阀门随全段试验时，人工控制其处于开启或关闭，处于不工作状态。全段试验后需对其单独试验，采用使用频率加速的方式对其指标进行考核，通过模拟方式使其开启，开启次数满足检验方案的要求。

5）一次性工作的成败型部件试验。热电池和电爆管，是采购货架产品，其可靠性的数据可以采用厂家提供的可靠性数据。电池本体构造为整体式，且成本较高，一次性使用，随全段试验时不激活，试验结束后进行一次放电试验，以考核整个一次电池的功能。

6）电池段壳体试验。由于壳体随全雷进行海水浸泡试验、出厂耐压试验、全雷耐压试验等考核，且其是典型的无运动部件机械结构件，认为其满足分配的可靠度指标要求，不再进行专门的可靠性试验。

7）电应力施加。交/直流输入电压的额定值和上下限均应与实航工作状态相同，上下限通电时间各占通电总时间的25%［1，4］。

8）振动应力施加。振动应力应与实航相同，采用正弦振动、对数扫描，最大振幅为0.28mm、10/s2，频率为10～150～10Hz，扫描速率不大于每分钟一倍频程，上下扫描一次的时间应等于鱼雷完成一个任务剖面的等效工作时间［1，4］。

9）热应力施加。0°C、25°C、40°C分别占实航工作状态时间的1/4、1/2、1/4［1，4］。

10）湿度应力施加。由于鱼雷实航处于密封状态，陆上试验时，湿度为自然环境条件。

4　实航可靠度评估

4.1可靠性增长阶段评估

动力电池陆上放电试验、陆上功率匹配试验、安全性试验、电磁兼容性试验、实航试验、陆上可靠性试验等均纳入可靠性评估，试验结果均转为成败型信息，设成败型可靠性数据为

式中，ni为发生第i（i=1，2…，f）次关联故障的累积试验次数。

按照文献［5］进行可靠性增长趋势检验和AMSAA模型拟合度检验，通过检验则按AMSAA模型对产品进行可靠性评估。

用下式进行模型参数a，b估计［5］。

成功截尾时为

失败截尾时为

鱼雷动力电池可靠度点估计和置信度为γ的置信下限分别为［5］

成功截尾时

失败截尾时

对于上述可靠度的置信下限，文献［5］给出了ρ的系数表。

若未通过AMSAA模型拟合检验，则不能用离散型AMSAA模型拟合增长数据。若经过检验判定其可靠性不具有增长趋势，则可用典型可靠性评估可靠度。

4.2技术状态稳定阶段可靠性评估

随着产品问题不断解决，其技术状态逐渐趋于稳定和固化，如定型试验阶段或定型后使用阶段，在此阶段采用经典统计可靠性评估方法。

设动力电池成败型的可靠性试验数据形式为（nf，f），其中nf为累积总试验次数，f为试验nf次时发生的关联失效次数，则可靠度点估计为：

在给定置信水平为γ时，可靠度置信下限RL满足下式

当f=0时，有

5　结束语

本文结合电池组成及性能特点，在可靠性检验方案、可靠性评估信息源、陆上可靠性试验、可靠性评估等方面提出了相应的方法，对解决鱼雷一次动力电池可靠性试验与评估的难点问题具有一定的借鉴作用，特别是陆上可靠性试验的总体思路、方法和要求，对解决电池可靠性试验样本量问题具有重要意义。但动力电池也有不同的类型，组成及工作原理也不相同，每型电池试验方法需要进行具体研究，另外，陆上试验与实航试验的等效性还有差别，有待逐步改进完善。

参考文献：

［1］GJBz20391-1997，鱼雷可靠性鉴定与验收试验方法.

［2］孟庆玉，周徐昌.鱼雷可靠性工程基础.武汉：海军工程大学，1989.12

［3］周源泉，翁朝曦.可靠性评定.北京：科学出版社，1990.

［4］GJB899A-2009，可靠性鉴定和验收试验.

［5］GJB/z77-1995，可靠性增长管理手册.

Reliability Test and Estimation for Voyage Working of Torpedo’s High Power Battery

He Chenggang，Tang Shixuan
（91388thUnit，The People`s Liberation Army of China，Zhanjing524022，Guangdong，China）

Abstract：According to the composition and operating characteristic of success-fail type and life type of the torpedo’s high power battery，land reliability test method and requirement is put forward.With situation of technical status becomes more and more stable during developing process，reliability growth model and classical statistic evaluation method are applied in power battery reliability evaluation on stage of research and final test，a new consideration is supplied to its reliability test and evaluation.

Keywords:torpedo； high power battery； reliability； test； estimation

中图分类号：TM91

文献标识码：A

文章编号：1003-4862（2016）06-0048-03

收稿日期：2016-03-10

作者简介：贺成刚（1965-），男，硕士，高级工程师，研究方向：鱼雷试验总体技术。