魚雷動(dòng)力電池實(shí)航可靠度試驗(yàn)與評(píng)估

賀成剛，唐世軒（中國(guó)人民解放軍91388部隊(duì)91分隊(duì)，廣東 湛江524022）

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魚雷動(dòng)力電池實(shí)航可靠度試驗(yàn)與評(píng)估

賀成剛，唐世軒
（中國(guó)人民解放軍91388部隊(duì)91分隊(duì)，廣東 湛江524022）

摘要：本文根據(jù)電池成敗型組部件、壽命型組部件構(gòu)成和工作特點(diǎn)，提出了陸上可靠性試驗(yàn)方法及要求，根據(jù)研制過程技術(shù)狀態(tài)逐步趨穩(wěn)的情況，將可靠性增長(zhǎng)模型和經(jīng)典統(tǒng)計(jì)評(píng)估方法應(yīng)用于科研和定型階段的動(dòng)力電池可靠性評(píng)估，為其可靠度試驗(yàn)與評(píng)估提供了新的思路。

關(guān)鍵詞：魚雷動(dòng)力電池可靠性試驗(yàn)評(píng)估

0　引言

魚雷動(dòng)力電池具有一次性使用、成本高等特點(diǎn)，陸上和實(shí)航性能試驗(yàn)樣本量都很小，不可能滿足其可靠性評(píng)估需求，可靠性試驗(yàn)方法和試驗(yàn)樣本量是需要解決的重大難題。另外，按可靠性要求，魚雷動(dòng)力電池研制過程每一階段都要進(jìn)行可靠性試驗(yàn)和評(píng)估，評(píng)估結(jié)果達(dá)到預(yù)定目標(biāo)后才能轉(zhuǎn)入下一階段，但產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)是變化的，只有到定型階段才相對(duì)固化，不同研制階段的可靠性評(píng)估也是有待解決的難題。

1　實(shí)航可靠度檢驗(yàn)方案

制定可靠性檢驗(yàn)方案，就是確定試驗(yàn)樣本量及允許故障數(shù)，是可靠性試驗(yàn)與評(píng)估前提條件，魚雷及其組部件實(shí)航可靠度可按二項(xiàng)分布或指數(shù)分布制定檢驗(yàn)方案［1，2］。

1）二項(xiàng)分布檢驗(yàn)方案。試驗(yàn)結(jié)果為成功或失敗，屬成敗型二項(xiàng)分布，經(jīng)典統(tǒng)計(jì)二項(xiàng)分布假設(shè)檢驗(yàn)方案確定試驗(yàn)次數(shù)和允許故障數(shù)，其計(jì)算方法為［2，3］：

式中，f為故障數(shù)，nf試驗(yàn)樣本量，R0為實(shí)航可靠度的規(guī)定值，R1為實(shí)航可靠度的最低可接受值，α為研制方風(fēng)險(xiǎn)，β為使用方風(fēng)險(xiǎn)。

2）指數(shù)分布檢驗(yàn)方案。將實(shí)航可靠度指標(biāo)轉(zhuǎn)換為MTBF指標(biāo)，經(jīng)典統(tǒng)計(jì)指數(shù)分布檢驗(yàn)方案確定試驗(yàn)總時(shí)間和允許失效數(shù)，其計(jì)算方法為［2，3］：

式中，T為試驗(yàn)總時(shí)間，MTBF0為MTBF規(guī)定值，MTBF1為MTBF最低可接受值。

3）相關(guān)說明。檢驗(yàn)方案制定應(yīng)遵循雙方風(fēng)險(xiǎn)相當(dāng)?shù)脑瓌t。根據(jù)動(dòng)力電池可靠性指標(biāo)分配情況，試驗(yàn)樣本量很大或試驗(yàn)總時(shí)間很長(zhǎng)，超出實(shí)際承受能力。為了最大限度地減少試驗(yàn)樣本量，只能檢驗(yàn)可靠性最低可接受值，在條件受限情況下可采用允許故障數(shù)為0的最小試驗(yàn)數(shù)或最少試驗(yàn)總時(shí)間方案，研制方風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較大。

2　動(dòng)力電池可靠性評(píng)估信息源

目前動(dòng)力電池性能試驗(yàn)包括：1）陸上放電試驗(yàn)；2）陸上功率匹配試驗(yàn)；3）安全性試驗(yàn)；4）電磁兼容性試驗(yàn)；5）實(shí)航試驗(yàn)。陸上和實(shí)航性能試驗(yàn)已進(jìn)行多次，方法基本成熟，這些試驗(yàn)對(duì)電池而言都是一次性的，不可重復(fù)試驗(yàn)，總的試驗(yàn)樣本量受到限制。按照可靠性檢驗(yàn)方案所確定的試驗(yàn)樣本量都很大，遠(yuǎn)超出實(shí)航試驗(yàn)樣本量，因此，如何挖掘可用于可靠性評(píng)估的信息源，擴(kuò)大信息量，是可靠性評(píng)估的關(guān)鍵，宜將陸上和實(shí)航性能試驗(yàn)結(jié)果都納入實(shí)航可靠性評(píng)估。

即使陸上和實(shí)航性能試驗(yàn)全部納入可靠性評(píng)估，樣本量也不滿足評(píng)估要求，必須進(jìn)行陸上可靠性試驗(yàn)，并且為減少試驗(yàn)成本，還必須是可重復(fù)性試驗(yàn)。陸上可靠性試驗(yàn)，還沒有比較成熟的方法可借鑒，需要結(jié)合其自身結(jié)構(gòu)組成和工作特點(diǎn)，進(jìn)行研究和探索，下面給出陸上可靠性試驗(yàn)的基本思路和總體要求。

3　動(dòng)力電池陸上可靠性試驗(yàn)

3.1動(dòng)力電池組成及可靠性分布類型

以某型動(dòng)力電池為例，說明其組成和可靠性分布類型。

1）動(dòng)力電池組成。某型電池主要由電池本體、輔助系統(tǒng)、電池段殼體、儀表用電源、雷上電纜及對(duì)接插座等組成；電池本體主要包括正極、負(fù)極、電液框、端板和引流體等；輔助系統(tǒng)主要包括熱電池、電爆管、電液循環(huán)泵-電機(jī)、激活閥、溫控裝置、氣液分離器、段控制器和安全防護(hù)裝置等；儀表用電源包括電源插頭、DC/DC變換器等。

2）分布類型。DC/DC變換器和段控制器均為可連續(xù)工作壽命型部件，電機(jī)和泵是具有一定壽命的可間歇工作的機(jī)電產(chǎn)品；各種閥門為重復(fù)性使用的部件，其主要工作模式為開啟或關(guān)閉，是典型的成敗型工作方式；熱電池和電爆管等一次性工作的部件，其工作特點(diǎn)類似于火工品；電池本體構(gòu)造為整體式，且成本較高，一次性使用，是成敗型。

依據(jù)動(dòng)力電池的工作特點(diǎn)，按其分布類型包括3種：可持續(xù)工作的壽命型部件；可重復(fù)性使用的成敗型部件；一次性工作的成敗型部件。按其分布類型，可開展相應(yīng)的陸上可靠性試驗(yàn)。

3.2陸上可靠性試驗(yàn)方法及要求

動(dòng)力電池陸上可靠性試驗(yàn)相對(duì)比較復(fù)雜，本文僅從宏觀上提出基本的思路、方法和要求。

1）總體要求。動(dòng)力電池陸上試驗(yàn)或?qū)嵑皆囼?yàn)，只要電解液與電池本體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)放電，則電池就是1次性的，若陸上可靠性試驗(yàn)每次都放電，試驗(yàn)費(fèi)用與實(shí)航一樣，因成本問題，不可能進(jìn)行大樣本量試驗(yàn)，陸上可靠性試驗(yàn)的目的就是彌補(bǔ)樣本量不足的問題，因此，陸上可靠性試驗(yàn)要考慮重復(fù)性或持續(xù)性，不能每次都放電。

2）分類試驗(yàn)。針對(duì)電池段的可持續(xù)工作的壽命型部件、可重復(fù)性使用的成敗型部件、一次性工作的成敗型部件分類進(jìn)行試驗(yàn)。

3）可持續(xù)工作的壽命型部件試驗(yàn)?？紤]到工程實(shí)際情況和試驗(yàn)手段的可實(shí)現(xiàn)性，組部件齊全的電池段在專用的試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行，外部供電運(yùn)轉(zhuǎn)，用水代替堿液進(jìn)行循環(huán)，成敗型部件處于正常狀態(tài)，不工作。按照連續(xù)工作的壽命型產(chǎn)品的可靠性要求對(duì)其MTBF指標(biāo)進(jìn)行考核，試驗(yàn)總時(shí)間滿足檢驗(yàn)方案要求。

4）可重復(fù)性使用的成敗型部件試驗(yàn)。各種閥門隨全段試驗(yàn)時(shí)，人工控制其處于開啟或關(guān)閉，處于不工作狀態(tài)。全段試驗(yàn)后需對(duì)其單獨(dú)試驗(yàn)，采用使用頻率加速的方式對(duì)其指標(biāo)進(jìn)行考核，通過模擬方式使其開啟，開啟次數(shù)滿足檢驗(yàn)方案的要求。

5）一次性工作的成敗型部件試驗(yàn)。熱電池和電爆管，是采購(gòu)貨架產(chǎn)品，其可靠性的數(shù)據(jù)可以采用廠家提供的可靠性數(shù)據(jù)。電池本體構(gòu)造為整體式，且成本較高，一次性使用，隨全段試驗(yàn)時(shí)不激活，試驗(yàn)結(jié)束后進(jìn)行一次放電試驗(yàn)，以考核整個(gè)一次電池的功能。

6）電池段殼體試驗(yàn)。由于殼體隨全雷進(jìn)行海水浸泡試驗(yàn)、出廠耐壓試驗(yàn)、全雷耐壓試驗(yàn)等考核，且其是典型的無運(yùn)動(dòng)部件機(jī)械結(jié)構(gòu)件，認(rèn)為其滿足分配的可靠度指標(biāo)要求，不再進(jìn)行專門的可靠性試驗(yàn)。

7）電應(yīng)力施加。交/直流輸入電壓的額定值和上下限均應(yīng)與實(shí)航工作狀態(tài)相同，上下限通電時(shí)間各占通電總時(shí)間的25%［1，4］。

8）振動(dòng)應(yīng)力施加。振動(dòng)應(yīng)力應(yīng)與實(shí)航相同，采用正弦振動(dòng)、對(duì)數(shù)掃描，最大振幅為0.28mm、10/s2，頻率為10～150～10Hz，掃描速率不大于每分鐘一倍頻程，上下掃描一次的時(shí)間應(yīng)等于魚雷完成一個(gè)任務(wù)剖面的等效工作時(shí)間［1，4］。

9）熱應(yīng)力施加。0°C、25°C、40°C分別占實(shí)航工作狀態(tài)時(shí)間的1/4、1/2、1/4［1，4］。

10）濕度應(yīng)力施加。由于魚雷實(shí)航處于密封狀態(tài)，陸上試驗(yàn)時(shí)，濕度為自然環(huán)境條件。

4　實(shí)航可靠度評(píng)估

4.1可靠性增長(zhǎng)階段評(píng)估

動(dòng)力電池陸上放電試驗(yàn)、陸上功率匹配試驗(yàn)、安全性試驗(yàn)、電磁兼容性試驗(yàn)、實(shí)航試驗(yàn)、陸上可靠性試驗(yàn)等均納入可靠性評(píng)估，試驗(yàn)結(jié)果均轉(zhuǎn)為成敗型信息，設(shè)成敗型可靠性數(shù)據(jù)為

式中，ni為發(fā)生第i（i=1，2…，f）次關(guān)聯(lián)故障的累積試驗(yàn)次數(shù)。

按照文獻(xiàn)［5］進(jìn)行可靠性增長(zhǎng)趨勢(shì)檢驗(yàn)和AMSAA模型擬合度檢驗(yàn)，通過檢驗(yàn)則按AMSAA模型對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行可靠性評(píng)估。

用下式進(jìn)行模型參數(shù)a，b估計(jì)［5］。

成功截尾時(shí)為

失敗截尾時(shí)為

魚雷動(dòng)力電池可靠度點(diǎn)估計(jì)和置信度為γ的置信下限分別為［5］

成功截尾時(shí)

失敗截尾時(shí)

對(duì)于上述可靠度的置信下限，文獻(xiàn)［5］給出了ρ的系數(shù)表。

若未通過AMSAA模型擬合檢驗(yàn)，則不能用離散型AMSAA模型擬合增長(zhǎng)數(shù)據(jù)。若經(jīng)過檢驗(yàn)判定其可靠性不具有增長(zhǎng)趨勢(shì)，則可用典型可靠性評(píng)估可靠度。

4.2技術(shù)狀態(tài)穩(wěn)定階段可靠性評(píng)估

隨著產(chǎn)品問題不斷解決，其技術(shù)狀態(tài)逐漸趨于穩(wěn)定和固化，如定型試驗(yàn)階段或定型后使用階段，在此階段采用經(jīng)典統(tǒng)計(jì)可靠性評(píng)估方法。

設(shè)動(dòng)力電池成敗型的可靠性試驗(yàn)數(shù)據(jù)形式為（nf，f），其中nf為累積總試驗(yàn)次數(shù)，f為試驗(yàn)nf次時(shí)發(fā)生的關(guān)聯(lián)失效次數(shù)，則可靠度點(diǎn)估計(jì)為：

在給定置信水平為γ時(shí)，可靠度置信下限RL滿足下式

當(dāng)f=0時(shí)，有

5　結(jié)束語

本文結(jié)合電池組成及性能特點(diǎn)，在可靠性檢驗(yàn)方案、可靠性評(píng)估信息源、陸上可靠性試驗(yàn)、可靠性評(píng)估等方面提出了相應(yīng)的方法，對(duì)解決魚雷一次動(dòng)力電池可靠性試驗(yàn)與評(píng)估的難點(diǎn)問題具有一定的借鑒作用，特別是陸上可靠性試驗(yàn)的總體思路、方法和要求，對(duì)解決電池可靠性試驗(yàn)樣本量問題具有重要意義。但動(dòng)力電池也有不同的類型，組成及工作原理也不相同，每型電池試驗(yàn)方法需要進(jìn)行具體研究，另外，陸上試驗(yàn)與實(shí)航試驗(yàn)的等效性還有差別，有待逐步改進(jìn)完善。

參考文獻(xiàn)：

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［5］GJB/z77-1995，可靠性增長(zhǎng)管理手冊(cè).

Reliability Test and Estimation for Voyage Working of Torpedo’s High Power Battery

He Chenggang，Tang Shixuan
（91388thUnit，The People`s Liberation Army of China，Zhanjing524022，Guangdong，China）

Abstract：According to the composition and operating characteristic of success-fail type and life type of the torpedo’s high power battery，land reliability test method and requirement is put forward.With situation of technical status becomes more and more stable during developing process，reliability growth model and classical statistic evaluation method are applied in power battery reliability evaluation on stage of research and final test，a new consideration is supplied to its reliability test and evaluation.

Keywords:torpedo； high power battery； reliability； test； estimation

中圖分類號(hào)：TM91

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-4862（2016）06-0048-03

收稿日期：2016-03-10

作者簡(jiǎn)介：賀成剛（1965-），男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向：魚雷試驗(yàn)總體技術(shù)。