基于多機(jī)理競(jìng)爭(zhēng)退化的導(dǎo)彈貯存可靠性分析

羅湘勇 黃小凱

(北京航空航天大學(xué) 可靠性與系統(tǒng)工程學(xué)院，北京100191)

導(dǎo)彈具有“長(zhǎng)期貯存、一次使用”的特點(diǎn)，在其全壽命周期內(nèi)，絕大部分的時(shí)間是處于貯存或不工作狀態(tài)，因此其貯存可靠性水平成為制約其戰(zhàn)備完好性和應(yīng)急反應(yīng)能力的關(guān)鍵因素［1-2］.

當(dāng)前，導(dǎo)彈貯存可靠性的研究較多地采用了加速貯存試驗(yàn)和自然貯存試驗(yàn)［3-4］.如文獻(xiàn)［5］較全面地歸納了俄羅斯和美國(guó)自然貯存試驗(yàn)為主、加速貯存試驗(yàn)為輔的導(dǎo)彈貯存可靠性研究特點(diǎn);文獻(xiàn)［6-7］分別提出了導(dǎo)彈長(zhǎng)期貯存條件下可靠性負(fù)增長(zhǎng)過(guò)程的可靠度預(yù)測(cè)模型，能快速地得出導(dǎo)彈貯存可靠性隨時(shí)間的變化規(guī)律.工程經(jīng)驗(yàn)表明，導(dǎo)彈貯存可靠性是一個(gè)復(fù)雜、多機(jī)理問(wèn)題，在其貯存過(guò)程中特征參數(shù)具有隨機(jī)性和分散性特點(diǎn)，這些因素的綜合考慮使得當(dāng)前國(guó)內(nèi)外基于單一薄弱環(huán)節(jié)和預(yù)測(cè)模型的導(dǎo)彈貯存可靠性研究方法具有應(yīng)用局限性.

長(zhǎng)期使用表明，遠(yuǎn)程轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、無(wú)線電高度表、雷達(dá)角自動(dòng)裝置、陀螺儀和彈上電源是影響導(dǎo)彈長(zhǎng)期貯存可靠性的關(guān)鍵部件.首先明確導(dǎo)彈貯存剖面，通過(guò)定期檢測(cè)得到10套導(dǎo)彈產(chǎn)品10a內(nèi)各關(guān)鍵部件的特征電壓值，然后采用移動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)偏差方法描述了各個(gè)關(guān)鍵部件特征電壓值的貯存穩(wěn)定性水平，并結(jié)合失效閾值要求得到各關(guān)鍵部件的貯存壽命，其次提煉出10套導(dǎo)彈產(chǎn)品的各關(guān)鍵部件貯存壽命，進(jìn)行分布假設(shè)檢驗(yàn)求得其貯存可靠度模型，最后根據(jù)導(dǎo)彈多機(jī)理競(jìng)爭(zhēng)特點(diǎn)，通過(guò)仿真分析得到導(dǎo)彈貯存可靠性在各個(gè)貯存階段的變化規(guī)律.本文的研究思路和結(jié)論能為長(zhǎng)期貯存條件下貯存類產(chǎn)品的可靠性評(píng)估、維護(hù)方案研究提供技術(shù)支撐.

1 導(dǎo)彈貯存剖面分析

導(dǎo)彈貯存是指除“使用”之外的全部事件，即從裝備交付后，到裝備使用(即導(dǎo)彈發(fā)射飛行)或裝備報(bào)廢之間的整個(gè)過(guò)程，其中主要包括運(yùn)輸裝卸、庫(kù)房貯存和戰(zhàn)備值班3個(gè)階段［8］，典型的導(dǎo)彈貯存剖面如圖1所示.

圖1 典型導(dǎo)彈貯存剖面圖

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)可得，遠(yuǎn)程轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、無(wú)線電高度表、雷達(dá)角自動(dòng)裝置、陀螺儀和彈上電源的特征電壓設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值依次為27，-9.9，1.95，6 V和36 V.在長(zhǎng)期貯存條件下，通過(guò)定期檢測(cè)(檢測(cè)間隔為6個(gè)月)，得到10套導(dǎo)彈上述5個(gè)關(guān)鍵部件在不同時(shí)刻的電壓特征值，從2000年到2010年共20個(gè)數(shù)據(jù).其中1#套導(dǎo)彈的各特征電壓值如表1所示.

表1 1#套導(dǎo)彈各關(guān)鍵部件特征電壓值

2 導(dǎo)彈貯存試驗(yàn)數(shù)據(jù)隨機(jī)性分析

將表1中數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線繪圖，得到特征電壓值定期檢測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)際變化軌跡，如圖2所示.

圖2 導(dǎo)彈關(guān)鍵部件定期檢測(cè)數(shù)據(jù)變化軌跡曲線

從圖2中可以看出，在長(zhǎng)期貯存條件下，各關(guān)鍵部件特征電壓值檢測(cè)數(shù)據(jù)隨時(shí)間沒(méi)有明顯的變化趨勢(shì)，表現(xiàn)出隨機(jī)性的變化特點(diǎn).本文結(jié)合信號(hào)處理方法中的移動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差［9］、偏差距離公式［10］等原理，先采用移動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)偏差來(lái)分析各關(guān)鍵部件定期檢測(cè)數(shù)據(jù)的隨機(jī)性，即將各時(shí)刻特征電壓檢測(cè)值與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值做差后，再采用移動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差法分析各個(gè)階段隨機(jī)性波動(dòng)特點(diǎn)，移動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)偏差計(jì)算公式如下:

其中，σij表示第i個(gè)關(guān)鍵部件在第j時(shí)刻的移動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)偏差值;m表示移動(dòng)步長(zhǎng)，取為5，i=1～5依次為表1中所示的遠(yuǎn)程轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、無(wú)線電高度表、雷達(dá)角自動(dòng)裝置、陀螺儀和彈上電源，j=5～20為表1中第1列所示序號(hào);θik表示第i個(gè)關(guān)鍵器件不同貯存時(shí)刻的特征電壓檢測(cè)值;θ-i表示各關(guān)鍵器件的特征電壓值設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值.

表2 1#套導(dǎo)彈關(guān)鍵部件貯存穩(wěn)定性水平

在考慮導(dǎo)彈貯存檢測(cè)數(shù)據(jù)隨機(jī)性的基礎(chǔ)上，再對(duì)表2中的各關(guān)鍵器件特征電壓值的貯存穩(wěn)定性水平進(jìn)行曲線擬合，分別得到遠(yuǎn)程轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、無(wú)線電高度表、雷達(dá)角自動(dòng)裝置、陀螺儀和彈上電源貯存穩(wěn)定性水平隨時(shí)間的變化規(guī)律模型.

遠(yuǎn)程轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)變化模型:

式(2)～式(6)中，y1～y5分別表示各關(guān)鍵器件貯存穩(wěn)定性水平;r表示模型擬合相關(guān)系數(shù).

根據(jù)長(zhǎng)期的歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，工程上一般要求各關(guān)鍵器件貯存穩(wěn)定性水平閾值依次為:3，1，0.2，2.5 和3.6，可得 1#套導(dǎo)彈遠(yuǎn)程轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、無(wú)線電高度表、雷達(dá)角自動(dòng)裝置、陀螺儀和彈上電源的貯存壽命依次為:10.77，9.27，18.6，11.43和9.18 a.

3 導(dǎo)彈貯存壽命分散性分析

根據(jù)上述導(dǎo)彈貯存試驗(yàn)數(shù)據(jù)隨機(jī)性分析思路，依次可得另外9套導(dǎo)彈產(chǎn)品關(guān)鍵器件貯存壽命值，匯總?cè)绫?所示.

表3 10套導(dǎo)彈關(guān)鍵器件貯存壽命值

從表3中可以看出，同一關(guān)鍵器件的貯存壽命值在不同導(dǎo)彈中差異很大，主要原因是導(dǎo)彈在材料加工、生產(chǎn)工藝等制造過(guò)程中帶來(lái)的分散性，以及測(cè)試儀器和測(cè)試過(guò)程的分散性等，各類分散性原因的綜合結(jié)果體現(xiàn)為不同導(dǎo)彈關(guān)鍵器件貯存壽命之間的分散性，可以采用分布檢驗(yàn)來(lái)描述這種分散性程度.

分別對(duì)表3中不同關(guān)鍵器件貯存壽命在10套導(dǎo)彈之間的分散性進(jìn)行分布假設(shè)檢驗(yàn)，得到其服從的壽命分布類型和分布參數(shù)估計(jì)值，且根據(jù)不同分布類型與可靠度計(jì)算公式之間的折算關(guān)系，可得長(zhǎng)期貯存條件下考慮分散性的導(dǎo)彈各關(guān)鍵部件的貯存可靠度計(jì)算公式，如表4中所示.

表4 導(dǎo)彈貯存試驗(yàn)數(shù)據(jù)分散性分析

4 導(dǎo)彈貯存可靠性分析

假設(shè)導(dǎo)彈各機(jī)理之間相互獨(dú)立，且在長(zhǎng)期貯存條件下各機(jī)理隨時(shí)間發(fā)生變化，從而導(dǎo)彈產(chǎn)品的貯存可靠性水平是在機(jī)理獨(dú)立變化條件下，不同退化模式間相互競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果，即在貯存可靠性的分析評(píng)價(jià)過(guò)程中，產(chǎn)品的可靠性水平是由最易退化關(guān)鍵部件的可靠度決定的［11］.根據(jù)多機(jī)理競(jìng)爭(zhēng)退化特點(diǎn)，得到導(dǎo)彈貯存壽命的不同考慮情況和在不同壽命考慮情況下導(dǎo)彈可靠性的多機(jī)理競(jìng)爭(zhēng)特點(diǎn).

根據(jù)表4中導(dǎo)彈各關(guān)鍵部件貯存可靠度模型分析結(jié)果，通過(guò)matlab仿真長(zhǎng)期貯存條件下各關(guān)鍵部件可靠度變化規(guī)律，得到基于多機(jī)理競(jìng)爭(zhēng)退化的導(dǎo)彈貯存可靠性分析結(jié)果如圖3所示.

圖3 多機(jī)理競(jìng)爭(zhēng)退化下導(dǎo)彈貯存可靠度

結(jié)合表3和圖3可知，在考慮多機(jī)理獨(dú)立退化的條件下，導(dǎo)彈的貯存可靠度退化規(guī)律是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，具體表現(xiàn)如下:

1)在最悲觀期望值下，導(dǎo)彈貯存壽命是由隨機(jī)性和分散性綜合影響下，所有關(guān)鍵部件中的最小壽命值決定的，結(jié)合表3中數(shù)據(jù)有即導(dǎo)彈貯存壽命主要是由3#導(dǎo)彈的無(wú)線電高度表的貯存壽命決定，根據(jù)圖3可得在8.67 a內(nèi)導(dǎo)彈可靠度也主要由無(wú)線電高度表的可靠度決定，且可靠度呈現(xiàn)指數(shù)分布退化規(guī)律.

2)在最樂(lè)觀期望值下，導(dǎo)彈貯存壽命是由隨機(jī)性和分散性綜合影響下，所有最大壽命值部件中的最小值決定的，結(jié)合表3中數(shù)據(jù)有即導(dǎo)彈貯存壽命主要是由10#導(dǎo)彈的彈上電源的貯存壽命決定，根據(jù)圖3可得在11.28a內(nèi)導(dǎo)彈可靠度分兩階段考慮，在0～10內(nèi)由無(wú)線電高度表的可靠度決定，呈現(xiàn)指數(shù)分布退化規(guī)律，在10～11.28 a內(nèi)由彈上電源的可靠度決定，呈現(xiàn)正態(tài)分布退化規(guī)律.

3)在其他期望值下，導(dǎo)彈貯存壽命處于最悲觀期望值和最樂(lè)觀期望值之間，即為8.67～11.28 a，根據(jù)圖3可得在這段時(shí)間內(nèi)導(dǎo)彈的貯存可靠度均小0.5，需要進(jìn)行維護(hù)標(biāo)定方案.

5 結(jié)論

對(duì)長(zhǎng)期貯存條件下10套導(dǎo)彈產(chǎn)品各關(guān)鍵部件的特征電壓值進(jìn)行隨機(jī)性和分散性分析，通過(guò)仿真分析得到了導(dǎo)彈貯存壽命和貯存可靠度之間的權(quán)衡關(guān)系，本文的主要?jiǎng)?chuàng)新如下:

1)采用移動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)偏差方法分析了導(dǎo)彈各關(guān)鍵部件穩(wěn)定性水平的變化規(guī)律，解決了長(zhǎng)期貯存條件下，導(dǎo)彈各特征電壓值隨機(jī)性變化特征難分析的缺陷.

2)采用分布假設(shè)檢驗(yàn)方法求得導(dǎo)彈各關(guān)鍵部件貯存壽命的分布規(guī)律，并據(jù)此計(jì)算了可靠度模型，解決了各關(guān)鍵器件貯存壽命在分散性影響下難評(píng)估的問(wèn)題.

3)給了隨機(jī)性和分散性影響下，導(dǎo)彈貯存壽命在不同情況下可靠性分析結(jié)果，并對(duì)不同期望水平下的導(dǎo)彈貯存壽命和可靠度之間的權(quán)衡進(jìn)行了分析.

本文思路和結(jié)論對(duì)分析具有隨機(jī)性、分散性、多競(jìng)爭(zhēng)退化特點(diǎn)的導(dǎo)彈貯存壽命分析具有重要意義.

References)

［1］ Marotta S A，Kudiya A，Ooi T K，et al.Predicting reliability of tactical missiles using health monitoring data and probabilistic engineering analyses［C］//Proceedings of the 1 International Forum on Integrated System Health Engineering and Management in Aerospace.United States:Society for Experimental Mechanics Inc，2005:7-10

［2］ Chen Haijian，Li bo，Gu Junyuan.Research on missile storage reliability forecasting based on neural network［C］//2012 Sixth InternationaalConference on NaturalComputation (ICNC 2010).United States:IEEE Computer Society，2010:549-553

［3］ AD-A158843.Impact of non-operating periods on equipment reliability［R］.F30602-83-C-0056，1977

［4］王春暉，李忠東，張生鵬.航空導(dǎo)彈貯存期壽命分析［J］.裝備環(huán)境工程，2011，8(4):68-72 Wang Chunhui，Li Zhongdong，Zhang Shengpeng.Storage life analysis of aircraft missile［J］.Equipment Environment Engineering，2011，8(4):68-72(in Chinese)

［5］高曉敏，吳奎憲，古忠云.導(dǎo)彈及彈藥貯存壽命預(yù)估方法研究概述［J］.中國(guó)材料科技與設(shè)備，2009(1):14-19 Gao Xiaomin，Wu Kuixian，Gu Zhongyun.Summary of prediction methods applied to storage life of missiles and ammunitions［J］.Chinese Matertial Science Technology ＆ Equipment，2009(1):14-19(in Chinese)

［6］孫亮，徐廷學(xué)，代瑩.基于定期檢測(cè)的導(dǎo)彈貯存可靠性預(yù)測(cè)模型［J］.戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈技術(shù)，2004(4):16-19 Sun Liang，Xu Tingxue，Dai Ying.Models of storage reliability prediction based on periodical test for missiles［J］.Tactical Missile Technology，2004(4):16-19(in Chinese)

［7］吳進(jìn)煌，戴邵武，徐勝紅.基于可靠度預(yù)測(cè)模型的導(dǎo)彈貯存壽命分析方法［J］.2005，20(4):477-479 Wu Jinhuang，Dai Shaowu，Xu Shenghong.Analysis method of missile storage life based on forecasting model of storage reliability［J］.Journal of Naval Aeronautical Engineering Institute，2005，20(4):477-479(in Chinese)

［8］胡東，謝勁松，呂為民.PHM技術(shù)在導(dǎo)彈武器系統(tǒng)中的應(yīng)用前景探討［J］.導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù)，2010(4):24-30 Hu Dong，Xie Jinsong，Lü Weimin.The application prospect of PHM in missile weapon sysem［J］.Missiles and Space Vehicles，2010(4):24-30(in Chinese)

［9］ Pavlenko Y F，Ogar V I，Kolbasin A I，et al.A mobile standard of frequency deviation unit in frequency modulation signals［C］//Precision Electromagnetic Measurements.Digest，1996 Conferece on.Braunschweig:IEEE.1996:285-286

［10］ Shibuya N，Umeda K.Self-localization of a mobile robot using compressed image data of average and standard deviation［C］//The 18thInternational Conference on Pattern Recognition(ICPR’06).United States:Institute of Electrical and Electronics Engineers Ins，2006，4:614-617

［11］呂萌，蔡金燕，張志斌.多退化模式下的電子裝備可靠性建模［J］.火力與指揮控制，2009，34(10):164-170 Lü Meng，Cai Jinyan，Zhang Zhibin.Electronic equipments reliability modeling research under multi-degradation mode［J］.Fire Control＆ Command Control，2009，34(10):164-170(in Chinese)