某型舰炮液压系统可靠性分析及技术改进∗

刘志伟 李法忠 方艳红

（1.海军士官学校 蚌埠 233012）（2.北部战区海军参谋部军训处 青岛 266231）

关键字 舰炮液压系统；可靠性；故障树；蒙特卡洛仿真

1 引言

某型舰炮液压系统为整座舰炮提供液压动力并完成全炮除方向与高低随动之外的全部动作和功能，实现炮弹从储弹位直到发射的全过程，并且具有引信测合、安全保护等多项功能。液压系统的可靠性程度是影响该炮作战使用效能的关键因素。

目前可靠性分析领域存在多种分析方法，但均不同程度的存在一定的缺陷。在进行装备可靠性分析时需根据装备实际情况合理选择分析方法进行论证。由于该型舰炮液压系统包含许多基本部件，且各部件的寿命分布并不完全服从指数分布，这就对该型舰炮液压系统的可靠性分析造成了很大的困难。为有效解决基本部件寿命服从多种分布的系统可靠性现实情况，更加精确迅速地分析可靠性问题，本文采用基于经验函数修正的蒙特卡洛仿真抽样算法对该型舰炮液压系统的可靠性进行分析。

2 某型舰炮液压系统可靠性故障树分析

某型舰炮的液压系统作为一个复杂系统，用于为整个舰炮提供液压动力并完成全炮除方向与高低随动之外的全部动作与功能，实现炮弹传输直至发射的全过程，并且具有引信测合、安全保护等项功能。

该炮液压系统可靠性取决于各子系统的可靠性及各子系统之间的相互关系，而各子系统的可靠性又由组成它们的所有零部件的可靠性所决定，故以某型舰炮液压系统的功能及液压控制范围为子系统划分依据基础，划分出五个分系统：分系统一，为全炮提供液压动力；分系统二，驱动储弹部分及扬弹系统运转，向炮塔输送炮弹；分系统三，驱动供弹系统有选择性的将炮弹运送至发射系统；分系统四，驱动发射系统和引信测合机，完成炮弹发射和引信转角设定；分系统五，向炮架供油并完成将来自于液压中心的压力油经过滤、减压、稳压后向其他分系统供油。

经统计，该型舰炮液压系统共包括5个液压马达（电液伺服马达3个、步进控制液压马达1个、齿轮液压马达1个），31个液压油缸、液压锁、58个液压控制阀，2个液压泵，27个液压辅件，组成了液压系统最小割集库。综合上述分析建立某型舰炮液压系统故障树模型如图1所示。

图1 某型舰炮液压系统故障树

故障树建模过程作如下假设：

1）各最小割集故障和失效率相互独立；

2）各最小割集的状态只有两种：正常、故障；

3）人为因素或外界干扰对系统可靠性的影响忽略不计。

3 某型舰炮液压系统可靠性蒙特卡洛仿真分析

某型舰炮液压系统共5个分系统，58个最小割集，用P表示液压系统，Si表示第i个分系统，Sij表示第i个分系统中第j个最小割集。已知每个最小割集的失效分布函数Fij(t)(t=1，2…n)，用φ(xt)表示液压系统故障树结构函数。Fij(t)(t=1，2…n)和φ(xt)取值为1时，表示失效事件发生；取值为0时，表示失效事件未发生。

运用蒙特卡洛方法，对每个最小割集进行抽样，取得第i个分系统第j个最小割集失效的时间抽样值为ti=F-1ij(η)。由于只要有一个最小割集失效事件发生，该炮液压系统失效事件就会发生，故以Q代表液压系统失效事件发生，有Q=min(T1，T2…T58)，其中Tn表示第n个最小割集发生失效时间的时间。重复计算该炮液压系统失效事件发生Q的值m次，将Qm的值与给定的标准时间值tm进行比较，如果液压系统失效事件在给定标准时间值tm内发生说明系统失效，累计tm时间内失效次数Nm，则在给定标准时间值tm内该炮液压系统失效的概率为

为了使仿真分析获取的数据信息能够完整的体现舰炮液压系统可靠性特性，这里采用一种通过指数函数拟合右尾部样本的方式，扩大样本取值范围，进而增加仿真可信度。

选择S0ij(0

在基准样本之后利用经验修正分布函数对样本抽样过程进行修正，并确保修正前后经验分布均值与样本均值一致，经验修正分布函数为

经迭代计算后得到样本均值为

系统失效率为

系统的平均寿命为

4 可靠性仿真及技术改进

采用基于经验函数修正的蒙特卡洛仿真方法，在计算机上用Matlab语言编写程序，对该炮液压系统可靠性进行仿真。取抽样次数m=100000，时间间隔为200h。仿真流程如图2所示，仿真结果如图3所示。

图2 仿真流程图

图3 抽样仿真结果

由抽样结果可见，在设定的抽样次数内仿真结果趋于稳定，满足精度要求。液压系统各最小割集可靠性指标如表1所示。

表1 系统最小割集可靠性指标

该炮液压系统失效率总计为1321.48×10-6次数/h，平均无故障工作时间MTBF为756.72h，满足该炮MTBF为400h的可靠性指标要求。

针对上述对该炮液压系统各元器件可靠性研究及数据分析，这里提出了几点提高工作可靠性的措施及技术改进方案：

1）对液压系统电器元器件进行老化筛选，及时更换；

2）因压力反馈在系统中作用较小，故进行了设计改进取消部分压力传感器；

3）重新设计液压软管的长度，消除其预应力，以适应安装要求；

4）针对电磁阀切换不可靠的情况，设计改进部分常开电磁阀；

5）针对伺服马达时常发生停车超限、过载等故障，经改进设计采取适量增大伺服阀遮盖量并完善应急制动阀的加工、调试试验质量控制程序；

6）加强采购产品质量控制，选用优质产品，加强进货检验；

7）加强系统装配、循环清洗、调试试验过程控制，排除因装配错误、循环清洗不到位、调试不当等引起的早起故障；

8）杜绝液压零件在装配时的外界污染物的侵入；

9）加强设计过程控制，提高设计质量，从而提高系统可靠性。

5 结语

可靠性分析是目前舰炮武器装备研究的一项重要内容。本文根据某型舰炮液压系统的实际功能划分及基本组成情况分析最小割集库并构建故障树，运用基于经验函数修正的蒙特卡洛仿真抽样算法对系统可靠性进行分析。通过仿真结果可知液压系统失效率总计为1321.48×10-6次数/h，平均无故障工作时间MTBF为756.72h，满足该炮液压系统可靠性指标要求。作为液压系统最小割集的液压缸和液压辅件失效率偏高，属于液压系统可靠性的薄弱环节。据此，文中提出了提高某型舰炮液压系统工作可靠性的措施及相应的技术改进方案。