鱼雷有寿件确定及寿命评估方法研究

崔灿丽 ,曲大伟 ,谢承甫 ,姜成坤

(1.中国船舶集团有限公司 第705 研究所,陕西 西安,710077;2.海装西安局驻西安地区第一军事代表室,陕西 西安,710054)

0 引言

鱼雷在使用与维修保障过程中很大一部分工作为有寿件的到期更换,由于鱼雷涉及机械、电子及火工品等众多类型有寿件的维护约束(如动力系统航程寿命、惯性测量组合标定有效期、火工品和橡胶老化寿命、弹簧疲劳寿命等),如无法科学、合理确定其寿命参数,将会使保障工作具有一定盲目性。此外,不合理的拆装和更换也会影响鱼雷的整体寿命指标。因此,根据鱼雷的结构特点,亟需开展有寿件划分方法及其寿命评价方法研究。

为制定合理的维修策略,已有学者针对装备的有寿件划分及寿命评估开展了相应研究。邵松世等[1]对正态型有寿件的备件方案确定开展了研究,采用寿命等效思想,提出一种确定有寿件备件需求量和更换周期的方法,能够为有寿件保障方案的制定提供决策支持,但该方法仅适用于数据量充足、寿命特征清晰的产品。易勇华等[2]建立了一种基于正态近似的指数型有寿件备件需求预测模型,但该模型通过寿命预测备件需求量时,存在寿命评估精度的问题。张峰等[3]应用方差分析法进行了飞机有寿件寿命分析,建立了单因素方差分析模型,但该方法仅考虑单因素的影响。文中从鱼雷的使用环境特点出发,以可靠性为中心的维修(reliability centered maintenance,RCM)理论为基本观点,从不同寿命数据的情形,针对鱼雷有寿件的确定原则、寿命表征参数的选取、有寿件的寿命特征分布以及寿命评估方法等展开研究,为制定科学合理的鱼雷维修保障方案提供技术支撑。

1 鱼雷环境特点

鱼雷是一种能自动推进并按预定航向和深度航行,自动导向目标且在命中目标时能自动爆炸的水中兵器,在其整个寿命周期内,具有典型的“长期贮存,一次使用” 特点。全雷在全寿命周期先后经历运输、贮存、转运、装载和实航等各个阶段,先后处于低温、高温、温度变化、湿热、低气压和盐雾等气候环境,振动、冲击、加速度和颠震等力学环境,以及霉菌生物环境。

鱼雷的寿命阶段主要包括贮存阶段、装载阶段和实航阶段。

1) 贮存阶段的主要工作为仓库贮存、运输装卸、技术准备和日常维护等。仓库贮存阶段主要经历高温、低温、湿热、盐雾及霉菌等环境,且通常仓库和工房均有温湿度控制措施,即一般不会出现外界的极值环境[4]。运输装卸阶段通常经历高温、低温、湿热、运输(振动、冲击)、过载和太阳辐射等环境。技术准备和日常维护的工作内容为战备转级和维护操作,主要经历温度、湿热、过载、冲击、振动、盐雾和霉菌等不同环境[5]。

2) 装载阶段根据装载平台的不同而经历不同的环境类型。鱼雷的装载平台通常包括直升机、固定翼飞机、水面舰艇和火箭助飞平台等。直升机和固定翼飞机的环境因素通常包括振动、加速度、电磁和温度。水面舰艇主要经历包括发射管内的温度、湿度,甲板上电磁、盐雾、霉菌和风雨冰雪,以及冲击、振动、摇摆和倾斜等[6]。火箭助飞平台主要包括分离冲击、气流振动和加速度等环境[7]。

3) 水下实航阶段要经历不同水温、噪声、振动、腐蚀、过载、海水压力及大机动时的恒加速度等不同环境。

2 有寿件确定原则及寿命表征参数选取

2.1 有寿件确定原则

在进行有寿件分析时,建立与保障性分析的联系,利用其RCM 基本观点制定逻辑决断图。通过逻辑决断,确定鱼雷现场可替换模块(line repalceable unit,LRU)或车间可更换模块(shop replaceable unit,SRU)的维修方式,分析可知,定时维修的组、部件可确定为有寿件,并给出寿命指标;确定为视情维修、事后维修的组、部件,原则上可以不定寿命指标,其设计寿命应与鱼雷的服役期限保持一致。

参照RCM 理论的基本观点,只有具备以下全部条件的产品,才需要执行定时维修策略,即可定为有寿件。具体包括:

1) 设备功能故障会直接影响鱼雷航行或飞行(助飞雷)安全(故障模式、影响及危害性分析(failure mode,effects and criticality analysis,FMECA)中严重影响分析结果为I、II 类或故障后有重大经济损失的III 类);

2) 设备故障模式与日历或工作时间相关,如故障是由于金属材料腐蚀、磨损、疲劳或非金属材料老化、磨损引起的;

3) 设备不能按视情维修的方式进行维修。

借用产品可根据其寿命特征以及适应新型号的特点,制定有寿件的维护保养措施。针对鱼雷新研设备,开展FMECA 和故障树分析(fault tree analysis,FTA),制定其有寿件逻辑决断流程如图1所示。需要说明的是,针对图中不确定寿命指标的设备,若其故障模式与耗损无关,可仅提可靠性指标,如电子设备可靠性指标平均无故障工作时间(mean time between failure,MTBF)。

图1 鱼雷有寿件逻辑决断流程Fig.1 Logic decision process of life-limited parts of torpedoes

2.2 有寿件常用寿命表征参数

鱼雷有寿件常用寿命表征参数主要包括: 首次大修期限、大修间隔期、总寿命、使用寿命(或次数)、贮存寿命及特征寿命等。

2.3 表征参数选取原则

鱼雷有寿件在选取寿命表征参数时,应根据其产品类型、工作特点、失效机理及采取的维修方式确定[8],一般原则如下:

1) 鱼雷壳体应与装备同寿,一般不定为有寿件,其寿命表征参数可为使用寿命;

2) 鱼雷发动机一般选用首次大修期限、大修间隔期、总寿命、主要零部件寿命及贮存期限;

3) 雷上设备采用定时维修的,一般选用首次大修期限、大修间隔期及贮存寿命;不可修复的,选用使用寿命和贮存寿命;使用中采用视情维修或事后维修的且不具有耗损失效特征的,只选用贮存寿命或服役期限;具有耗损失效特征的,选用与鱼雷一致的寿命;故障模式与日历时间无关的设备不应选用日历持续时间;

4) 雷上若涉及弹药和火工品等,可选用贮存寿命;

5) 有寿件可同时给出2 个或2 个以上的寿命指标,用户使用时以先到达者为准。

原则上雷上设备的寿命指标应与装备服役期限、维修方案相互协调。根据以上原则,制定鱼雷有寿件寿命表征参数的确定流程如图2 所示。

图2 鱼雷有寿件寿命表征参数确定流程图Fig.2 Flow chart for determining life characterization parameters of life-limited parts of torpedoes

3 鱼雷有寿件种类及寿命特征

3.1 典型产品寿命分布类型

根据鱼雷组成及结构特点,主要涉及电子、机电、机械、非金属和火工品等多种类型产品,结合鱼雷在寿命周期内承受的各种环境应力及失效机理分析,划分鱼雷有寿件的常用寿命特征分布,如表1 所示,表中分布对照关系仅为近似分布类型,非绝对理想的对应,仅作参考。

表1 典型产品寿命分布类型对照表Table 1 Comparison of life distribution types of typical products

3.2 典型寿命特征模型

根据鱼雷典型产品的寿命特征分布类型[9],选取主要寿命特征分布开展分析,包括指数分布、威布尔分布、正态分布和对数正态分布等。

3.2.1 指数分布

指数分布的概率密度函数为

可靠度函数

则服从指数分布的寿命参数如下。

引进来——让兼职导师走进学校、走进课堂，企业家、创业者、风险投资人、天使投资人、孵化机构、工商管理部门、税务部门等相关部门的负责人如果具有相应的教学能力、乐于创业教育的都可以经过考察聘为固定的兼职教师。他们的授课可以是讲座、专题报告、互动访谈或者与专任教师共同讲授某门课程，形式灵活多样。但这种形式一般师生接触时间较短，不能够形成系统的教学。

特征寿命

中位寿命

可靠寿命

式中,R和λ分别为规定寿命的可靠度和失效率。

针对雷上服从指数分布的产品,鉴于其失效率为定值,且指数分布具有“无记忆性”,即服从指数分布的产品在工作一段时间后,重新开始工作,和新产品类同。因此,服从指数分布的产品一般提可靠性指标,如MTBF,也可以称为“特征寿命”。

3.2.2 威布尔分布

威布尔分布的概率密度函数

式中:m为形状参数;t0为尺度参数;γ为位置参数。

当t0用 ηm代替时,η称为特征寿命或真尺度参数。则可靠度函数为

当γ=0,称其为两参数威布尔分布。

威布尔分布的平均寿命为

中位寿命

特征寿命

可靠寿命

使用寿命

针对雷上服从威布尔分布的设备,可使用规定失效率或可靠度的寿命作为使用寿命或贮存寿命等指标[10]。

3.2.3 正态分布

正态分布的概率密度函数为[2]

式中,µ和 σ分别为位置参数和尺度参数。

可靠度函数

失效率函数

则可靠寿命为

式中,zp为标准正态分布分位点值。

中位寿命

针对雷上服从正态分布的设备,其寿命指标可用指定可靠度的可靠寿命来表示。

3.2.4 对数正态分布

对数正态分布的概率密度函数为

可靠度函数

故障率函数为

或(自然对数)

式中,φ为标准正态分布概率密度的函数值。

平均寿命和方差为

或 (自然对数)

式中,σ′是对数正态分布的标准差。

则可靠寿命

式中,zp是标准正态分布的分位点值。

对数正态分布可用于鱼雷机械零件的疲劳寿命分析,在实际使用时,其使用寿命可用规定可靠度的可靠寿命表示。

4 有寿件寿命评估方法

4.1 寿命评估流程

鱼雷有寿件的寿命评估流程如图3 所示。

图3 鱼雷有寿件寿命评估流程图Fig.3 Life assessment flow chart of life-limited parts of torpedoes

4.2 寿命评估方法

目前常用的寿命评估方法一般包括实验室使用寿命试验、现场信息法、最短寿命零部件法和工程分析方法,适用情况见表2。

表2 寿命试验与评估方法适用情况Table 2 Application of life test and evaluation methods

4.2.1 实验室使用寿命试验

实验室寿命试验是模拟实际使用状态的试验,可验证有寿件的首次大修期限或使用寿命指标。实验室寿命试验可参考航空机载产品的做法,取产品首次大修期限的1～1.5 倍作为试验时间,也可根据有寿件的使用特点确定,样品数量一般不应少于2 台(套)。试验结束后,根据试验数据量确定采取的数据处理方法。

1) 理论计算

在数据充足的情况下,可采用理论计算,确定寿命特征参数,具体方法详见3.2 节。

2) 工程经验法

在数据不足的情况下,可采用工程经验法。若某有寿件寿命试验到每台受试产品试验时间T截止时,全部产品均未发生关联故障,则产品的首次大修期限或使用寿命为

式中,经验修正系数K≈1.5,或采用理论修正系数(具体数值由承制方和使用方应承担的风险及样品的多少确定,见表3),具体理论计算结果可从可靠性工程手册中获取。

表3 理论修正系数(R=0.9)Table 3 Theoretical correction coefficient(R=0.9)

如果受试产品寿命试验到t0截止时,有γ个关联故障发生,则该有寿件的首次大修期间或使用寿命为

式中:ti为第i个受试产品发生关联故障的时间;n为被试产品数量;经验修正系数K0=1.5,或查阅相关数据手册使用理论修正系数。

如果受试产品试验到tn截止时,全部被试产品先后发生关联故障,则该有寿件的首次大修期限或使用寿命

式中,经验修正系数K1>1.5,或查阅相关数据手册使用理论修正系数。

4.2.2 现场信息法

现场信息法是利用有寿件在现场使用下所获得的信息来确定产品寿命的方法。该方法主要适用于存在删失数据的情况[11],数据处理方法采用残存比率法。

1) 不同时间区间的故障数

将鱼雷受试组件按固定时间间隔进行划分,统计每个时间段的故障数,则不同时间段的故障数为

式中:rti为某产品的第i个时间点发生的故障数;rti-1为某产品的第i-1个时间点发生的故障数。

2) 不同时间区间的删除数

鱼雷受试组件不同时间区间的删除数为

式中:kti为某产品的第i个时间点发生的删除数;kti-1为某产品的第i-1个时间点发生的删除数。

3) 继续使用数量

产品在ti时刻继续使用的数量为

式中,n为投入的产品数量。

4) 残存比率

产品在ti-1-ti内的残存比率为

5) 可靠度

产品在ti时刻的可靠度为

6) 寿命评估步骤

a) 按照残存比率计算,得出现场信息和计算结果;

b) 求出ti和R(ti)并画出产品的可靠度曲线;

c) 根据规定的可靠度,从可靠寿命曲线求得有寿件的可靠寿命。

4.2.3 最短寿命零部件法

最短寿命零部件法是通过找出待验证或给定寿命产品中寿命最短又能决定产品寿命的零部件,按4.2.1 节方法对该零部件进行试验,根据该零部件试验结果给定整个有寿件的寿命。

4.2.4 工程分析方法(相似产品法)相似产品法是将评估对象同已通过验证或实际使用结果证明满足寿命要求的相似产品,从结构、功能、制造工艺、采用的原材料及使用环境条件等方面进行全面对比分析,根据相似产品的寿命验证结果做出有寿件的寿命水平结论。

5 评估案例

文中案例采用“现场信息法”进行叙述。

5.1 历史寿命数据收集

若现场统计某在役鱼雷设备A 的贮存情况,其寿命表征参数为贮存寿命,统计数量共180 个,求该设备A 可靠度为0.93 时对应的贮存寿命。

1) 统计数据计算

表4为某在役鱼雷设备A 现场统计数据,将表中现场信息按4.2.2 节计算,生成表5。

表4 鱼雷设备现场统计数据Table 4 On-site statistical data of torpedo equipment

表5 残存比率计算表Table 5 Residual ratio calculation

2) 可靠性曲线

根据表5 中的数据,利用MINITAB 软件采用二次曲线进行拟合,得到贮存时间t的可靠性曲线见图4。

图4 贮存时间可靠性曲线Fig.4 Reliability curve of storage time

3) 可靠寿命

从图4 可以看出,设备A 的贮存寿命(贮存可靠度0.93)为5.5 a,因此,大修周期可初步确定为5 a一次。

6 结束语

文中以鱼雷的环境分析为切入点,以新研设备的有寿件划分及评定为着力点,为制定科学合理的鱼雷维修保障方案提供设计信息。文中主要探讨了以下内容:

1) 结合保障性分析,利用RCM 理论,制定了鱼雷有寿件逻辑决断流程,并为装备有寿件的寿命表征参数提供了选取原则;

2) 通过分析鱼雷典型产品的寿命类型,给出了典型寿命特征分布函数及寿命参数模型;

3) 给出了鱼雷的寿命评估流程、常用的理论评估方法及工程经验法,并以某典型鱼雷A为例,介绍了现场信息法的应用,为其他有寿件的评估提供了思路。

鱼雷有寿件是从概率的角度进行分析评价,文中给出了多种评估方法作为选择,实验室使用寿命试验方法中采用了经验系数,系数的选择对评估结果存在一定误差,后续应进一步从双方风险的角度开展系数的选取以减少误差。