舰炮可靠性指标参数的选择和确定方法

李 翔

(中国船舶重工集团公司第七一三研究所，河南 郑州 450015)

舰炮可靠性指标参数的选择和确定方法

李 翔

(中国船舶重工集团公司第七一三研究所，河南 郑州 450015)

本文介绍我国舰炮可靠性指标的现状和现有标准体系中对可靠性指标的要求，提出我国舰炮可靠性指标参数的选取建议，结合某型舰炮研究舰炮可靠性指标的确定方法，对我国舰炮可靠性指标参数的选择和确定具有参考作用。

舰炮；可靠性；技术指标

1 舰炮可靠性指标的现状

我国于20世纪80年代以前研制的舰炮一般用射击故障率λ作为可靠性指标。考核时，通常以停射故障次数r与总发射弹数n的比值来计算故障率，即λ=r/n。

从20世纪80年代开始，新型舰炮的可靠性指标采用机械部分平均故障间隔发数MRBF和电气部分平均故障间隔时间MTBF来表示。根据GJB451A《可靠性维修性保障性术语》和GJB1909A 《装备可靠性维修性保障性要求论证》中定义，MRBF和MTBF是舰炮这种可修复产品可靠性的一个基本参数，其度量方法是：在规定的条件下和规定的时间内，产品寿命单位的总数与故障总次数之比。HJB53《海军舰船装备可靠性维修性参数选择及指标确定原则》中定义：舰炮平均故障间隔发数MRBF是在规定的时间内和规定的条件下，平均无故障射击次数。根据GJB的定义，MRBF应该是基本可靠性；而HJB的定义更应该是任务可靠性，和舰炮的射击故障率λ一致。在2002年之前，相关舰炮研制总要求中对可靠性指标MRBF和MTBF的合同值给出了一个数值，但没有明确这是规定值还是最低可接受值，通常做法是在舰炮设计试验之前，由研制主管部门单独发文明确最低可接受值在试验大纲中明确可靠性考核评估方案。

直至2013年，在某型舰炮的研制总要求中对MRBF和MTBF才分别给出了规定值和最低可接受值，但是没有明确任务剖面和故障判别准则，没有明确验证方法和何时或何阶段应达到该指标要求。

2 现有标准体系中对可靠性指标的要求

2.1 通用要求

在GJB450A《装备可靠性要求》中规定可靠性定量要求的范围为：可靠性定量要求通常应包括任务可靠性要求和基本可靠性要求，可靠性定量要求还包括贮存可靠性和耐久性方面的要求。

基本可靠性参数如平均故障间隔时间MTBF等；任务可靠性参数如平均严重故障间隔时间MTBCF等；耐久性参数如使用寿命等。

在GJB1909A《装备可靠性维修性保障性要求论证》中规定：可靠性指标应根据装备的类型在论证时提出目标值和门限值，在制订合同和研制总要求时提出规定值和最低可接受值。也可以只提门限值和最低可接受值，同时还应明确：寿命剖面；任务剖面；故障判别准则；验证方法（如采用试验验证或使用验证，应包括置信水平、接收或拒收判据等）；何时或何阶段应达到；其他假设与约束条件。

在GJB1909A《装备可靠性维修性保障性要求论证》中给出了目标值、门限值、规定值和最低可接受值的定义：

目标值：用户期望达到的使用指标。

门限值：完成作战使用任务（即满足使用要求）装备所应达到的最低使用指标。

规定值：用户期望达到的合同指标。

最低可接受值：要求装备应达到的合同指标，是装备定型考核或验证的依据。

在HJB53《海军舰船装备可靠性维修性参数选择及指标确定原则》中规定：订购方在提出定量要求之前，应对使命做精确定义，进行使命分析，划分使命阶段，明确任务剖面和寿命剖面，对软、硬件运行功能、故障判据、成功标准给出明确定义，对任务周期数、环境应力和处于各种环境中的时间给出定量数值。

2.2 对舰炮的具体要求

在GJB1909A《装备可靠性维修性保障性要求论证》中推荐火炮的可靠性参数优先选用平均故障间隔时间MTBF和平均严重故障间隔时间MTBCF。平均严重故障间隔时间MTBCF对于不同任务剖面可以是平均严重故障间隔发射弹数MRBCF等。使用寿命通常用于身管，也可用于自动机或其他有寿命要求的部、组件。

在GJBz20250《舰炮和舰炮武器系统的战术技术指标论证方法》中要求：舰炮可靠性指标通常选为平均故障间隔发数MRBF，舰炮随动系统的可靠性指标通常选为平均故障间隔时间MTBF以及可靠性试验置信水平γ、判断风险α，β。

在HJB53《海军舰船装备可靠性维修性参数选择及指标确定原则》中对舰炮系统提出可靠性参数（剪裁适用于舰炮的基本可靠性和任务可靠性）：在论证报告书中，要有平均故障间隔时间MTBF、平均严重故障间隔时间MTBCF、平均寿命、平均故障间隔发数等；在研制任务书和合同规格书中，要有平均故障间隔时间MTBF、平均寿命、任务可靠度、置信水平、风险等。并要求：确定武备系统的可靠性和可用性指标必须有详细的任务方案和时间性要求，否则无法确定。为满足每一次任务和执行每一次作战，可靠度指标不能低于0.95。这是所有现行标准中，唯一对舰炮提出的明确的任务可靠度要求。

GJB4000《舰船通用规范》 “711章 舰炮”中对舰炮机械部分平均故障间隔发数MRBF按口径大小提出了相应要求：大口径舰炮不低于300发，中口径舰炮不低于500发，小口径舰炮不低于1 000发，但没有明确这是规定值还是最低可接受值。而在该标准“710章 舰炮及保障系统”中对控制部分平均故障间隔时间MTBF不小于150 h的要求则明确为规定值，但没有最低可接受值的要求。

在GJB39A《舰炮通用规范》中，对可靠性指标的要求与GJB4000《舰船通用规范》中的要求基本一致，对电气部分平均故障间隔时间MTBF不小于150 h的要求没有说明是规定值还是最低可接受值。

由上述各有关标准对舰炮可靠性指标的规定看，要求不具体、不明确、不系统、不一致，所以在论证、设计、试验验证各个阶段的具体执行过程中无所适从，各型舰炮都不一致，且与一级定委可靠性小组的要求存在差距。

3 舰炮可靠性指标参数的选取建议

根据GJB的要求，武器装备可靠性参数选择的基本原则是：充分、必要、可论证、可设计、可验证。

在多个GJB中都要求可靠性定量指标应包括任务可靠性要求和基本可靠性要求，以前舰炮可靠性定量指标中只有基本可靠性指标MRBF和MTBF，且没有明确任务剖面和故障判别准则，没有明确验证方法和何时或何阶段应达到该指标要求。

平均故障间隔发数（时间）MRBF（MTBF）是基本可靠性指标，指舰炮在规定的条件下，规定的时间内，无故障工作的能力。它反映舰炮对维修资源的要求。它与产品所处的环境条件、应力条件、寿命周期有关，也就是与“寿命剖面”确定的条件有关。确定平均故障间隔发数（时间）MRBF（MTBF）时，应统计产品的所有寿命单位和所有的关联故障。

平均严重故障间隔发数（时间）MRBCF（MTBCF）是一个任务可靠性指标，指产品在规定的任务剖面内完成规定功能的能力，也就是与“任务剖面”有关。对舰炮来讲，就是在执行规定的任务时，舰炮能够完成射击任务的能力，只统计影响射击的严重故障，更能准确地反映舰炮的实际能力。

为完善舰炮可靠性定量指标体系，建议舰炮可靠性指标采用如下参数：

1）任务可靠性参数

平均严重故障间隔发数MRBCF，明确规定值和最低可接受值。

2）基本可靠性参数

机械部分平均故障间隔发数MRBF，明确规定值和最低可接受值；

电气部分平均故障间隔时间MTBF，明确规定值和最低可接受值。

3）耐久性指标

身管寿命或自动机寿命。

4）全炮寿命

明确寿命剖面、任务剖面、故障判别准则和验证方法。

4 舰炮可靠性指标的确定方法

4.1 确定舰炮任务可靠性目标值

1）明确舰炮任务需求和作战使用方案；

2）明确舰炮的寿命剖面，描述舰炮寿命周期内所经历的全部事件和环境时序，是舰炮使用的约束条件，包括任务周期、使用环境特征描述以及各类环境条件的时序和持续时间等。

如某型舰炮的寿命剖面（见图1），与所装舰艇的寿命剖面一致。寿命剖面内事件的持续时间（见图2）。

图 1 某型舰炮的寿命剖面Fig. 1 The life profile of the naval gun

3）明确舰炮的典型任务剖面，描述舰炮典型任务从开始到结束的全过程，主要包括训练任务剖面和作战任务剖面，包括各阶段任务的定义及时序关系和持续时间、任务成功的判据准则、各种任务的相对频度以及任务所涉及的装备主要系统及其使用强度。

如某型舰炮的典型作战任务剖面为：

①典型作战任务剖面内的事件及时序

图 2 寿命剖面内事件的持续时间Fig. 2 The duration of events in a life profile

作战任务剖面包括准备阶段、作战阶段和结束阶段。剖面内的事件及时序见图3。

②典型作战任务剖面内各事件持续时间

总时间＜4 h。其中，供弹系统先装32发常规弹药，首发弹停在1号位。射击时间由射击方式决定。按最大射速射击时，连射1 min后停射1 min，射完32发常规弹所需时间≥2.5 min；准备阶段所需的人工动作＜20 min；结束阶段所需的人工动作＜20 min；其余时间为待命时间。

③故障判别准则

按GJB451A的规定，故障定义如下：产品不能执行规定功能的状态。因预防性维修或其他计划性活动或缺乏外部资源造成不能执行规定功能的情况除外。

如某型舰炮故障判别准则为：在执行各类任务时，凡不能完成任务或主要性能指标不能满足规定要求或影响功能发挥引起维修的，均记为故障。其中造成停射的故障为严重故障。例如：提前关闩；扬弹不到位等。

4）确定舰炮任务可靠度：根据典型任务剖面和任务成功准则，参考相似装备，论证给出舰炮任务可靠度定量要求。

按照HJB53《海军舰船装备可靠性维修性参数选择及指标确定原则》，对舰载武备系统，为满足每一次任务和执行每一次作战，可靠度指标不能低于0.95。这是所有现行标准中，唯一对舰炮提出的明确的任务可靠度要求。另外，根据部队当前对舰炮的使用要求越来越高、使用频度越来越大、实战化要求越来越严等现状，可以初步确定舰炮的任务可靠度Rm为 0.95。

5）根据任务可靠度要求，计算舰炮MRBCF的目标值。

对舰炮来说，执行典型作战任务时可靠完成射击任务最为重要，不能发生引起停射的严重故障。因此，舰炮平均严重故障间隔发数（时间）可由下式确定：

由此可计算出某型舰炮在执行一次典型任务时，保证任务可靠度为0.95，完成发射32发弹不出现停射故障的平均严重故障间隔发数MRBCF需大于等于624发，平均严重故障间隔时间MTBCF需大于等于39 h。

对其他典型任务也可进行类似分析，综合考虑可确定该型舰炮平均严重故障间隔发数MRBCF的目标值为650发，平均严重故障间隔时间MTBCF需大于等于40 h。

图 3 某型舰炮典型作战任务剖面内的事件及时序Fig. 3 Event sequence in a typical combat mission profile of a naval gun

4.2 确定舰炮基本可靠性目标值

根据确定的舰炮MRBCF的目标值，从以下方面协调确定MRBF的目标值：

1）可参考相似舰炮的MRBF值，根据舰炮与国内外相似装备的对比，以及新装备对旧装备（原型装备）的技术继承程度，在相似舰炮MRBF值的基础上进行权衡；

2）考虑舰炮的复杂程度，如为了提高舰炮的任务可靠性，采用了冗余设计、增加了舰炮零部件数量，这些措施会降低舰炮的基本可靠性。

可由下式确定MRBF值：

其中：K1为严重故障系数；K2为复杂系数；K3为成熟度系数。

通过统计，某型舰炮试验时发生的严重故障占全部故障的60%左右，因此可取K1=0.6。

某型舰炮设计时，考虑兼容发射多种弹药、左右通道互为备份，结构复杂，全炮零件达6万余个，因此可取K2=0.8。

某型舰炮发射系统参考了国外某型舰炮的设计，供弹系统、电气系统为新研结构，可取K3=0.8。

因此，初步确定该型舰炮的MRBF目标值为：

同时，参考GJB39A《舰炮通用规范》和GJB4000《舰船通用规范》中关于大口径舰炮平均故障间隔发数应不低于300发的要求，确定该型舰炮的MRBF目标值为300发。

4.3 根据舰炮可靠性目标值确定门限值

根据确定的舰炮可靠性目标值，考虑舰炮可靠性可能的增长潜力，可利用如基于Duane模型等方法确定门限值，以确保门限值通过未来的增长过程能最终达到目标值。

基于Duane模型的门限值确定方法包括如下步骤：

1）确定新研舰炮成熟期

假设某型舰炮先期有13门炮服役，每门炮累计射击500发弹时，舰炮进入成熟期，即到成熟期时，累计发射弹数为6 500发。

2）给出影响舰炮可靠性增长的各种因素

舰炮可靠性增长率的影响因素包括复杂程度、进度要求、技术水平、研制经费投入、部队使用频度、FRACAS（故障报告、分析和纠正措施系统）运行有效性等6个因素。

3）计算各因素对于可靠性增长的权重系数（可用简单评分法与层次分析法2种方法）

假如采用层次分析法计算出各影响因素的权重为：

4）影响因素的综合评判和增长率计算

假如采用模糊综合判断法进行计算，得出评判矩阵R、评语集V，则可计算出增长率：

5）利用Duane模型公式得到门限值

式中：MRBFL，MRBCFL为可靠性门限值，MRBFm，MRBCFm为可靠性目标值，R0为设计定型前进行的部队试验弹数（假设为180发），R为舰炮设计定型结束到成熟期的累计使用弹数（6 500发），m为可靠性增长率（0.189 7）。则有：

4.4 根据舰炮可靠性目标值/门限值确定规定值/最低可接受值

将舰炮可靠性目标值/门限值转换为规定值/最低可接受值，作为合同参数指标，按照GJB1909A的规定，转换时应有以数据位基础的转换系数，必要时也应建立转换模型。

确定转换系数时应考虑因素包括：

1）舰炮的复杂程度；2）舰炮技术成熟度；3）国内技术发展水平；4）经费承受能力；5）研制周期。

目前，也没有成熟的转换方法，一般按经验进行。可将目标值/门限值按转换系数为1转换为规定值/最低可接受值。

5 结 语

本文以相关标准为依据，分析了舰炮可靠性指标参数的选择和指标确定方法，并以某型舰炮为例进行具体分析和计算。但在分析过程中存在以下问题：

1）由于对舰炮的作战使用研究不够，特别是缺少详细的任务方案和时间性要求，对于舰炮的任务剖面描述不够精确。

2）对于舰炮任务可靠度确定的合理性需要认真分析。

3）新研舰炮成熟期的预计缺乏依据，仍需深入研究。

4）上述分析中，一些数据为假设数据，只是为了说明方法。

[1]GJB451A《可靠性维修性保障性术语》

[2]GJB1909A《装备可靠性维修性保障性要求论证》

[3]HJB53《海军舰船装备可靠性维修性参数选择及指标确定原则》

[4]GJBz20250《舰炮和舰炮武器系统的战术技术指标论证方法》

[5]GJB4000《舰船通用规范》

[6]GJB39A《舰炮通用规范》

[7]王自立. 可靠性维修性保障性要求论证[M]. 北京: 国防工业出版社, 2011.

[8]龚庆祥. 型号可靠性工程手册[M]. 北京: 国防工业出版社,2007.

The option and determination methods for the parameters of the naval gun reliability indexes

LI Xiang
(The 713 Research Institute of CSIC, Zhengzhou 450015, China)

The status of naval gun reliability indexes in our country and the requirements for the indexes of the current standard system are introduced and the suggestions for option of the naval gun reliability parameters are put forward. Furthermore, the determination methods for the indexes are studied by taking certain type of naval gun as an example, providing reference for option and determination of the naval gun reliability indexes in our country.

naval gun；reliability；technical index

TJ302

A

1672-7649(2017)11-0178-05

10.3404/j.issn.1672-7649.2017.11.034

2017-10-17

李翔(1966-)，男，研究员，主要从事舰炮总体技术研究。