基于战备完好率的鱼雷贮存寿命试验方法

叶豪杰, 邓南明

(中国人民解放军 91388部队, 广东 湛江, 524022)

基于战备完好率的鱼雷贮存寿命试验方法

叶豪杰, 邓南明

(中国人民解放军 91388部队, 广东 湛江, 524022)

针对采用评估法和自然贮存试验评定鱼雷贮存寿命的局限性, 提出了基于战备完好率的鱼雷贮存寿命加速试验方法, 通过引入战备完好率和全雷加速因子, 有效解决了在贮存寿命内有多大比例的鱼雷可以正常投入使用的问题, 同时降低了试验成本, 缩短了试验周期, 使评定结论更为及时客观。该试验方法具有较强的可操作性, 为鱼雷贮存寿命的评定提供了新的思路。

鱼雷; 战备完好率; 贮存寿命; 加速试验

0 引言

鱼雷贮存寿命也称贮存使用期、贮存服役期,是指仓库贮存鱼雷在规定的贮存条件和维修条件(包括按规定进行预防性维修和修复性维修)下,从验收合格包装贮存开始到无法再修复达到规定指标或到没有修复使用价值(经济上或技术上)的日历持续时间[1]。鱼雷贮存寿命的评估已成为我国鱼雷设计定型时关键考核项目之一。目前的鱼雷贮存寿命评估方法主要分为两大类: 第1种方法是采用自然贮存试验方法来收集试验数据, 根据相关评判标准计算鱼雷贮存寿命, 该方法特点是方法成熟、结论准确, 但由于试验周期长, 结论比较滞后[2], 在鱼雷设计定型时多不采用。 第2种方法是零部件最短寿命法, 指在鱼雷设计初期, 根据贮存可靠性指标分配值对鱼雷各系统组部件进行相关试验, 评估各系统或组部件的寿命,鱼雷贮存寿命主要取决于不宜修复或更换产品,以其可靠贮存寿命的最小值作为鱼雷的贮存寿命,然后结合考虑鱼雷维修性和保障性对贮存寿命的影响进行综合评估。由于此方法评估简便, 在鱼雷设计定型时主要采用该方法。在以上2种方法中, 自然贮存试验方法时间长, 不能提前评估鱼雷贮存寿命; 零部件最短寿命评估方法则由于严重依赖贮存可靠性指标分配值的合理性, 未进行全雷试验, 没有充分考虑全雷结构及系统间的相互影响。且这2种方法都没有回答在贮存寿命内当要求执行任务时有多大比例的鱼雷, 其战术技术指标仍然满足设计定型要求, 可以投入作战使用, 而这个问题才是最值得关注的。

鱼雷战备完好率是指在规定的贮存、维修和保障条件下, 在规定贮存时间内, 当任务需要时保障部队存储的鱼雷处于正常状态能装舰(潜)艇投入使用的概率[1]。它亦是鱼雷贮存可靠性、维修性及保障性的综合度量指标。分析确定鱼雷的贮存寿命, 实质是根据雷上各系统及组部件的贮存可靠性和在贮存使用过程中采取的定期更换、设置备件及整修等技术措施, 获得能够满足战备完好率最低要求值的最长贮存使用日历持续时间。目前国内尚无在考虑战备完好率指标条件下进行鱼雷贮存寿命评估的方法, 也未开展过鱼雷全雷贮存寿命加速试验。

1 确立故障判定标准

贮存寿命和战备完好率是可靠性、维修性和保障性的综合性指标, 其故障判定范围与可靠性试验故障判定准则[3]有所不同。贮存寿命试验的故障判定仅将试验过程中发生的不宜更换或修复的责任故障纳入故障数统计。对于可以修复或者更换相关故障件的故障则不纳入故障数统计, 对试验中出现的故障鱼雷进行修复或替换后, 可继续试验。

2 贮存寿命试验总时间

鱼雷转入定型试验阶段, 其硬件基本固化,可认为贮存寿命和战备完好率已经稳定。全雷按照近似指数型分布的产品考虑[3], 贮存寿命试验按照可靠性统计试验选取不同的统计试验方案进行验证, 试验按定时截尾的方案选取。仓库贮存鱼雷在规定的贮存条件和维修条件(包括按规定进行预防性维修和修复性维修)下, 战备完好率最低可接受值

式中: ts为贮存寿命; MTBFSL为贮存平均无故障间隔时间最低可接受值。根据故障的确定标准,鱼雷战备完好率最低可接受值由式(1)可转化为平均故障间隔时间(mean time between failures,MTBF)最低可接受值

设鱼雷贮存寿命试验总时间为 T, 采用指数型分布的经典估计法由 M TBFSL的换算公式可得

式中: γ为置信度, 由于是单侧置信区间, GJB 899A建议γ=1-β; r为贮存试验中发生的不可修复或无修复价值的故障数;(·)为分布的γ分位数。

3 贮存寿命等效加速试验时间折算

鱼雷贮存期间是非工作周期的状态, 状态主要受贮存环境影响。由于长期贮存期间, 采取密封包装方式。在包装箱内充有干燥的惰性气体(氮气), 鱼雷实际贮存时不会受到光、湿度、霉菌等环境因素的影响[4-6]。因此, 整个贮存期内以温度应力对寿命的影响为主[7]。

加速因子是加速寿命试验的一个重要参数,反映的是加速寿命试验中得到的寿命信息与实际使用条件的寿命信息之间的折算规律。目前国内工程实践中尚未开展过鱼雷全雷贮存寿命加速试验, 但是已有全雷装载可靠性实验室加速试验的成功经验。可以此工程实践为基础, 通过环境因子折算出在实验室同等条件下贮存寿命加速因子。

鱼雷装载和贮存过程均为不工作状态, 其失效机理近似。鱼雷装载和贮存环境最大的差别在于装载过程中鱼雷会经历振动与湿度环境。全雷装载可靠性实验室加速试验主要采集的温度、湿度和振动这 3种典型环境应力, 对鱼雷上的电子产品以及鱼雷所属的机械、机电产品和非金属材料进行考核。由于鱼雷处于密封状态, 湿度的影响有限, 装载加速试验中湿度应力按照实际实验室的环境施加, 有研究分析表明温度和振动是鱼雷装载可靠性试验中造成影响的最主要因素。全雷装载可靠性实验室加速试验的加速因子是根据温度循环的 Coffin-Manson模型计算得出的, 而振动应力则是根据Miner模型分配到各个温度循环周期中, 对装载加速因子的计算并未产生实质影响。所以在此基础上进行贮存加速试验时, 可以仅采用温度循环而不叠加振动应力。此时基于温度加速应力的贮存试验加速因子可考虑从全雷装载可靠性加速因子通过环境折算获得。

通过分析装载与贮存的环境剖面可知, 鱼雷在装载环境和贮存环境下, 其寿命都服从指数分布, 失效率分别记为cλ和sλ, 则鱼雷装载环境对贮存环境的环境因子[4]可表示为

指数分布用平均寿命1θλ=作为寿命特征,其加速因子

则鱼雷装载加速因子

鱼雷装载和贮存过程环境条件不同, 在实验室加速试验环境剖面下装载试验加速因子通过环境因子,csK (通常取 3)折算, 可转换为贮存寿命试验加速因子[8]

由式(5)可知, 实验室加速试验时间

即在实验室加速贮存试验iT小时等效为自然贮存试验时间sT小时。

按照该试验方案进行贮存寿命试验, 当加速试验时间达到要求, 且发生责任故障数小于允许故障数时, 则说明在满足战备完好率最低可接受值SLP 时鱼雷贮存寿命符合指标要求。同时按照维护保养及定期维修时间要求, 通过加速因子折算可以确定加速寿命试验中的维护保养时间[9]。

4 确定维护保养时间

在贮存过程中, 鱼雷武器长期贮存在技术条件规定的环境条件下, 并采取包括测试、检查、维护和维修等技术措施。主要包括以下3种情况。

A级维护: 进行包装箱干湿度、气密检查。在实验室加速试验过程中, 鱼雷密封包装箱干湿度和气密性时刻处于监测中, 所以在试验中不用专门进行A级维护, 只做B、C 2个级别日常状态监控及定期的维护保养。

B级维护: 鱼雷不开箱, 利用全雷监测装置对密封存储包装箱内鱼雷进行通电功能检查。

C级维护: 鱼雷出箱, 利用鱼雷通用监测设备进行全雷联调检测, 检查鱼雷功能和技术状态。

定期维修: 对贮存期达到固定年限的鱼雷,安排定期维修。将鱼雷分解到组件, 按组件、各段、全雷进行功能检测, 更换一次件和寿命件,全面恢复鱼雷技术状态。

设鱼雷贮存寿命st为10年, B级维护周期bt为1年; C级维护周期ct为2年; 定期维修周期dt为5年。通过折算确定加速寿命试验中的维护保养时间。以B级维护为例, 可得加速试验中维护周期

即实验室加速试验每ibT进行B级维护。同理, 加速试验中 C级维护周期icT为0.2iT, 定期维修周期idT 为0.5iT。

5 算例

已知某型鱼雷贮存寿命指标st为 10年, 战备完好率最低可接受值SLP 分别设为 0.80、0.85和 0.90。双方风险α,β均为 0.2, 装载加速因子取92, 则在不同战备完好率指标要求和试验允许零故障条件下的鱼雷贮存寿命试验方案比较如表1所示。

表1 不同试验方案比较Table 1 Comparison of different test schemes

在贮存寿命指标、战备完好率指标和试验允许故障数确定的情况下, 从表1可得出如下结论。

1) 目前常采用的零部件最短寿命法因不考虑战备完好率而方法简单, 便于操作, 但只能给出粗略的评估值来评判是否满足贮存寿命指标要求。实际上对于任何一种产品, 其贮存寿命不可能完全相等, 而是一个随机变量, 是一个统计值。要求所有鱼雷经过一定时间的贮存后全都满足战术技术要求是十分困难的, 必然会导致给出的贮存寿命很短, 也不经济。

2) 在考虑战备完好率时, 自然贮存试验需要样本量大, 如几条甚至十几条鱼雷, 且试验周期长, 以贮存寿命为基本单位。而全雷加速贮存试验由于引入了加速因子, 可以仅用 1条鱼雷在数月内即可得出相关结论, 完全能够满足试验鉴定的需要, 也与国外相关试验结论较为一致[10]。

3) 随着战备完好率指标的提高, 无论是自然贮存试验还是加速贮存试验, 试验需要的样本量和周期都将随之增加, 这也符合试验鉴定的实际,同时能反映出长寿命产品性能退化的客观情况。

6 结束语

近年来, 贮存寿命作为一项重要的综合指标在鱼雷试验鉴定中越来越受到重视, 而以前常用的零部件最短寿命评估法和自然贮存试验方法因其各自的局限性都已不能有效满足试验鉴定的需要。为了更加客观准确地评价鱼雷贮存寿命, 通过引入战备完好率指标, 在确定故障判定准则的基础上采用有工程经验的全雷加速试验方法与贮存寿命指标相结合进行考核。实例表明, 该方法不仅能够解决当任务需要时保障部队存储的鱼雷中有多少鱼雷处于正常状态可以投入使用的问题,而且试验周期短, 有效节约了试验成本, 使评定结论更加及时、客观, 为鱼雷贮存寿命的评定提供了新的思路和方法, 同时, 也为完善鱼雷可靠性、维修性和保障性等指标体系提供了参考。只是, 文中所做研究仍然将鱼雷寿命假定为指数分布, 而指数分布只是威布尔分布的特例, 并没有得到强有力的数据支撑。因此下一步将继续开展对威布尔分布等更为适用鱼雷寿命分布类型的研究工作, 以取得更为客观的评价结果。

[1] 海军工程大学. 鱼雷通用规范: GJB 531B-2012[S]. 北京: 中国人民解放军总装备部, 2012.

[2] 孟涛, 张仕念, 易当祥, 等. 导弹贮存延寿技术概论[M]. 北京: 中国宇航出版社, 2013.

[3] 〇海军驻七 五所军事代表室. 鱼雷可靠性鉴定与验收试验方法: GJB20391-1997[S]. 北京: 中国人民解放军总参谋部, 1997.

[4] 张仕念, 吴勋, 颜诗源, 等. 贮存使用环境对导弹的影响机理[J]. 装备环境工程, 2014, 11(5): 17-22.Zhang Shi-nian, Wu Xun, Yan Shi-yuan, et al. Influencing Mechanism of Storage/Use Environment on Missile Performance[J]. Equipment Environmental Engineering, 2014,11(5): 17-22.

[5] 刘海波, 钟强晖. 鱼雷装载可靠性试验设计[J]. 舰船科学技术, 2011, 33(12): 97-99.Liu Hai-bo, Zhong Qiang-hui. Torpedo Loading Reliability Test Design[J]. Ship Science and Technology, 2011,33(12): 97-99.

[6] 谢勇, 苑秉成. 鱼雷武器服役期间装载可靠性评估[J].鱼雷技术, 2013, 21(2): 86-94.Xie Yong, Yuan Bing-cheng. Evaluation of Torpedo Loading Reliability in Commission[J]. Torpedo Technology, 2013, 21(2): 86-94.

[7] 翁雷, 刘庆民, 张树文. 军用电子产品的高加速寿命试验[J]. 航空精密制造技术, 2009, 45(12): 29-32.Weng Lei, Liu Qing-min, Zhang Shu-wen. Highly Accelerated Life Test of Military Electronic Product[J]. Aviation Precision Manufacturing Technology, 2009, 45 (12):29-32.

[8] 奚文骏, 王浩伟, 沙卫晓. 导弹战备值班与库房贮存的寿命折算方法[J]. 战术导弹技术, 2014(6): 17-19.Xi Wen-jun, Wang Hao-wei, Sha Wei-xiao. Transformation Method of Missile Life between Depot Storage and on Duty[J]. Tactical Missile Technology, 2014(6):17-19.

[9] 李敏伟. 加速贮存寿命试验设计方法研究[J]. 装备环境工程, 2014, 11(4): 58-63.Li Min-wei, Study of the Design Method of the Accelerated Storage Life Testing[J]. Equipment Environmental Engineering, 2014, 11(4): 58-63.

[10] 李久祥. 导弹贮存试验获取最佳效益的途径[J]. 质量与可靠性, 2002(2): 34-36.

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

叶豪杰，邓南明. 基于战备完好率的鱼雷贮存寿命试验方法[J]. 水下无人系统学报, 2017, 25(5): 470-473.

2014-04-06;

2017-07-13.

叶豪杰(1985-), 男, 工程师, 研究方向为鱼雷试验鉴定.

(责任编辑: 许 妍)