一种电动力鱼雷实航工作可靠度评估方法

朱文振,王松林,王 昊

(中国人民解放军 91388部队,广东 湛江,524022)

一种电动力鱼雷实航工作可靠度评估方法

朱文振,王松林,王 昊

(中国人民解放军 91388部队,广东 湛江,524022)

针对一次动力电池可用于实航试验子样数很少的局限性,单纯采用经典可靠性评估方法难以满足鱼雷工作可靠性试验鉴定需求。通过分析电动力鱼雷可靠性结构,设计全雷工作可靠性试验方案,提出全雷实航工作可靠度评估方法。计算实例表明,该方法简单实用,在仅有少量一次动力电池的条件下,可准确做出高置信水平的电动力鱼雷全雷实航可靠度评估。

电动力鱼雷; 一次动力电池; 可靠度评估

1 鱼雷实航可靠度经典评估方法

1.1 经典成败型可靠性评估方法

按照实航可靠度指标的定义,随机抽取定型批量生产的鱼雷样本,按照实际作战使用要求及任务剖面要求,在实际使用环境下进行实航试验,统计实航总次数和发生的责任故障数,采用经典成败型检验方法计算实航工作可靠度。该方法优点是由于采用较大样本量,实航试验足够多,统计数据准确,能够反映鱼雷实际实航可靠性; 缺点是需要批生产一次动力电池数量较多,难以满足设计定型考核要求。

1.2 经典指数型可靠性评估方法

将鱼雷实航可靠度指标转换为平均故障间隔时间(mean time between failure,MTBF)指标,采用定时截尾的试验方案,在试验室内模拟鱼雷现场使用的综合应力环境,将试验样件置于其中进行试验,统计试验时间和发生的责任故障数,按照事先确定的试验统计方案,计算鱼雷的实航可靠性指标。该方法优点是可以充分利用试验室模拟条件进行试验,试验环境条件可以很好受控,不需要较多地占用实航保障资源; 缺点是试验时间和试验样本量较大。

2 全雷实航工作可靠度试验方法

2.1 总体思路

全雷的实航工作可靠度试验数据来自正浮力操雷、模拟战雷实航试验数据以及一次动力电池陆上试验数据。可以将全雷视为由一次电池段和操雷除去二次电池、操雷段的其他部分组成的系统进行考核,按照金字塔的评估方法给出可靠性评估结论。将全雷分解成一次动力电池A与非一次动力电池B 这2个串联系统[2-3],其中B由全雷结构、自导系统、控制系统、线导系统、引信系统及电机系统等组成。如图1所示。

2.2 非一次动力电池实航试验方法

根据非动力电池实航工作可靠度规定值P0、最低可接受值P1、双方风险α、β等指标规定的条件下,采用经典二项分布假设检方法[4],可计算非动力电池试验样本量为

图1 全雷系统结构图Fig. 1 System structure of whole torpedo

2.3 一次动力电池陆上试验方法

根据一次电池中的工作特点,可将其分为一次性工作的成败型部件和可持续工作的寿命型部件两部分,其中热电池、电爆管、激活阀、电池堆等属于一次性工作成败型部件,段控制器、仪表用电源、电机、气液分离器、电液循环泵等都属于可持续工作寿命型部件[5-6]。

1) 寿命型部件试验

一次动力电池实航时典型工作方式有全高速航程工作或混速制航程工作方式,最长工作时间为t小时,根据一次动力电池最低可接受值的可靠性指标,将其转换为MTBF最低可接受值为

假设使用方风险β为20%,若采用GJB899A的方案20,则一次动力电池寿命型部件工作试验时间如表1。

表1 寿命件定时截尾试验方案Table 1 Time terminated test plan of life component

2) 成败型部件试验

各种阀门(激活阀、密封阀、电爆阀)其主要工作模式为开启或关闭,是典型的成败型工作方式,由于各单次动作的部件在一个实航剖面内仅动作一次,可将其试验时间转换为试验次数。

3 全雷实航工作可靠度评估方法

3.1 指数型数据转换为成败型数据方法

当Z=0时,f=0,n=η。

3.2 成败型串联单元评估方法

1) 当不存在无故障单元时,假设si和ni分别为第i个单元试验的成功次数和试验次数,n′和s′分别为由单元试验数据折合等效成系统试验的试验次数和成功次数,可采用修正极大似然法(modified maximum likelihood,MML)[7-8],得到折合关系为

若系统本身也有试验,且试验数据为(s0,n0),则得到全雷试验数据为

用不完全Beta分布与F分布的关系表示为

2) 当ni或si数量太少且(即无失效)时,式(4)不适用,利用序贯压缩法(sequential reduction,SR)对数据进行一次压缩[9]。设系统由m个成败型单元串联而成,第i个单元的试验数据为按由大到小顺序排序:

其中有j个单元无失效,即成功次数等于试验次数,并假设无失效单元中试验次数最少的单元试验数据为,舍去其余的失效单元,在有失效单元中找出试验次数小的单元,设为

3.3 全雷实航工作可靠度评估方法

按照指数型数据转换为成败型数据方法,将寿命型、成败型陆上试验数据折合成一次动力电池陆上试验数据。根据电动力鱼雷全雷串联结构,综合利用一次电池陆上试验数据、剔除二次动力电池的操雷实航试验数据和模拟战雷实航试验数据,按照单元试验数据折合成全雷试验数据方法,可计算全雷实航工作可靠度。电动力鱼雷全雷实航可靠性评估流程见图2。

图2 全雷实航工作可靠度评估方法流程图Fig. 2 Flow chart of working reliability assessment method for whole torpedo in sea trial

4 算例

假设一型电动力鱼雷一次电池实航可靠度规定值为0.998 32、最低可接受值为0.995 14,全雷实航工作可靠度规定值为 0.90,最低可接受值为0.8,置信度为0.8。

1) 一次动力电池陆上试验数据。假设一次动力电池工作任务时间为1 h,根据其可靠性指标要求,由式(2)可得,MTBF最低可接受值为205.3 h,参照表 1中的试验方案,确定一次动力电池各寿命型部件无故障累计工作试验时间为331 h,各成败型部件无故障试验 331次。由式(3),将指数型试验数据转换为成败型数据为(331,331),则一次动力电池陆上试验数据为(331,331)。

2) 将模拟战雷实航试验数据等效于单元试验数据。假设配一次电池模拟战雷实航试验4条次,成功 3条次,其中一次电池段未出现失效。则配模拟战雷实航试验数据(3,4)等效为 A单元试验数据(4,4),B单元试验数据(3,4)。

3) 折合成单元试验数据。将步骤1)、2)折合为单元试验数据,得A单元试验数据(335,335),B单元试验数据(3,4)。

4) 利用SR法对折合后获得的单元试验数据进行压缩。将步骤(3)中无失效 A单元数据(335,335)、失效B单元数据(3,4),由式(8),按SR法进行一次压缩,综合得到单元数据为

5) 用MML法将压缩后获得的数据折合成全雷级试验数据。将步骤 4)中的单元试验数据,由式(4),按MML法将压缩后获得试验数据为

假设配二次电池段操雷实航试验 47条次,成功 42条次(剔除二次电池故障外)。利用式 5),得到全雷级试验数据为

6) 计算全雷可靠度置信下限

5 结束语

在鱼雷型号研制工程中,受制于可用于实航试验的一次动力电池子样数很少的客观条件,单纯采用经典可靠性评估方法难以满足鱼雷工作可靠性试验鉴定需求。通过建立电动力鱼雷全雷可靠性串联结构,提出全雷实航工作可靠度试验方法,仅在保障少量一次动力电池实航试验的条件下,综合利用一次动力电池陆上试验、二次电池操雷实航试验和模拟战雷实航试验等数据,能够完成高置信水平的电动力鱼雷实航工作可靠度试验鉴定任务,可节省电动力鱼雷的研制经费,缩短试验周期。

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A Working Reliability Assessment Method for Electric Power Torpedo in Sea Trial

ZHU Wen-zhen,WANG Song-lin,WANG Hao
(91388thUnit,The People′s Liberation Army of China,Zhanjiang 524022,China)

Assessing working reliability of an electric power torpedo only by conventional reliability assessment method is not satisfactory because of the limitation that the primary power battery samples for sea trial are insufficient. This paper analyzes the reliability structure of an electric power torpedo,designs a test scheme of whole torpedo working reliability,and proposes a working reliability an assessment method for whole torpedo in sea trial. Practical example shows that this method is simple and applicable to make accurate working reliability assessment of an electric power torpedo at high confidence level.

electric power torpedo; primary power battery; reliability assessment

TJ631.2; TB114.37

A

2096-3920(2017)03-0293-04

朱文振,王松林,王昊. 一种电动力鱼雷实航工作可靠度评估方法[J]. 水下无人系统学报,2017,25(3): 293-296.

10.11993/j.issn.2096-3920.2017.03.014

0 引言

2016-11-20;

2016-12-21.

朱文振(1975-),男,高级工程师,主要研究方向为鱼雷试验技术.

(责任编辑: 许 妍)

实航工作可靠度是鱼雷可靠性的一项重要指标,也是可靠性鉴定试验的一项重要内容。实航工作可靠度指标要求是针对全雷提出的,受研制费用、周期的限制,电动力鱼雷通常采用少量模拟战雷与绝大部分正浮力操雷相结合方式进行实航试验。电动力鱼雷模拟战雷与正浮力操雷的差别主要体现在动力电池,模拟战雷配置一次动力电池,正浮力操雷配置二次动力电池。一次动力电池具有一次使用、造价昂贵、工作不可逆等特点,其试验次数非常有限,甚至仅有少量几次试验,全雷级试验数据的不足导致工作可靠性评估结果置信下限偏低,不能准确反映电动力鱼雷固有可靠性的水平[1]。在电动力鱼雷型号研制工程中,构成全雷的分系统或组部件通常都有较多的试验数据,而系统的可靠性水平往往取决于分系统和组部件的可靠性水平,在配置一次动力电池模拟战雷的样本数量较少的条件下,若能够充分利用一次动力电池陆上试验、二次电池操雷实航试验和模拟战雷实航试验等数据,就能够做出高置信水平的全雷实航工作可靠度评估。