艦面設(shè)備可靠性試驗工程實踐

劉楊，胡恩來，胡彥平，陳津虎，宮曉春

（1.海軍駐上海地區(qū)航天系統(tǒng)軍事代表室，上海 201109；2.北京強(qiáng)度環(huán)境研究所，北京 100076）

艦面設(shè)備可靠性試驗工程實踐

劉楊1，胡恩來2，胡彥平2，陳津虎2，宮曉春2

（1.海軍駐上海地區(qū)航天系統(tǒng)軍事代表室，上海 201109；2.北京強(qiáng)度環(huán)境研究所，北京 100076）

目的 開展艦面設(shè)備可靠性試驗工程實踐。方法 在艦面設(shè)備研制階段，策劃提出關(guān)鍵單機(jī)與系統(tǒng)相結(jié)合的可靠性試驗方案。結(jié)果 快速提高艦面設(shè)備的系統(tǒng)可靠性。結(jié)論 近幾年多個型號艦面設(shè)備的可靠性試驗工程實踐，有效促進(jìn)了海軍導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的整體可靠性水平的提高，為其他艦面設(shè)備的可靠性工程提供參考。

艦面設(shè)備；關(guān)鍵單機(jī)；可靠性試驗

隨著海軍裝備作戰(zhàn)需求的不斷提高，不僅導(dǎo)彈的性能和可靠性越來越受到重視，導(dǎo)彈武器系統(tǒng)艦面設(shè)備的可靠性要求也越來越高。艦面設(shè)備的可靠性水平是導(dǎo)彈武器系統(tǒng)任務(wù)成功性的重要環(huán)節(jié)。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)艦船裝備在環(huán)境可靠性方面已經(jīng)做了一定的工作，打下了初步基礎(chǔ)，但離部隊的實際使用要求還有一定的差距。這主要表現(xiàn)在驗收合格交付部隊使用的裝備仍存在一些環(huán)境可靠性問題，嚴(yán)重的甚至影響使用[1]。為解決這些實際問題，進(jìn)一步提高艦面設(shè)備使用可靠性，提高實戰(zhàn)化能力，對于新研型號，在研制階段專門策劃開展了艦面設(shè)備的可靠性試驗，以暴露潛在缺陷進(jìn)而改進(jìn)設(shè)計，最終提高艦面設(shè)備的可靠性。與以往不同的是，本次艦面設(shè)備可靠性使用采用單機(jī)與系統(tǒng)相結(jié)合的方式進(jìn)行，在初樣、試樣階段開展單機(jī)、系統(tǒng)的可靠性增長試驗，暴露故障，改進(jìn)設(shè)計，并對可靠性進(jìn)行摸底。在定型階段開展系統(tǒng)級可靠性鑒定試驗，以多個分系統(tǒng)聯(lián)調(diào)的狀態(tài)開展試驗，保證邊界條件真實，測試覆蓋全面，技術(shù)狀態(tài)準(zhǔn)確。艦面設(shè)備可靠性試驗工程實踐結(jié)果表明，艦面設(shè)備的這種單機(jī)與系統(tǒng)相結(jié)合的可靠性試驗?zāi)芨鎸嵉胤从称淇煽啃运健?/p>

1 艦面設(shè)備可靠性試驗策劃

2010年以前，由于試驗設(shè)備能力的限制，艦面設(shè)備在研制階段，主要是對單機(jī)設(shè)備開展可靠性試驗，對系統(tǒng)級設(shè)備可靠性的回答主要以綜合評估為主。僅僅開展單機(jī)的環(huán)境可靠性試驗還不夠，單機(jī)的環(huán)境可靠性試驗不能考核到產(chǎn)品在系統(tǒng)中的全部工作功能和工作模式，系統(tǒng)工作時有發(fā)生系統(tǒng)性可靠性問題的可能，這種問題往往在單機(jī)工作情況下并不能體現(xiàn)，故還需要對系統(tǒng)整體可靠性進(jìn)行考核。對系統(tǒng)級產(chǎn)品進(jìn)行的可靠性試驗往往規(guī)模較大，但由于其邊界條件、載荷施加、結(jié)構(gòu)響應(yīng)更為真實，試驗過程中所體現(xiàn)出的故障模式也更加真實可信，能夠有效地反應(yīng)產(chǎn)品的實際可靠性水平。隨著試驗箱、振動臺等試驗設(shè)備能力的提升，艦面設(shè)備系統(tǒng)級可靠性試驗的開展已經(jīng)成為可能。并且單機(jī)與系統(tǒng)相結(jié)合的可靠性試驗技術(shù)已經(jīng)在其他產(chǎn)品上得到了成功的應(yīng)用[2]。

研制過程中先安排開展艦面設(shè)備關(guān)鍵單機(jī)及系統(tǒng)可靠性增長試驗，暴露設(shè)計和制造缺陷，通過設(shè)計更改切實提高可靠性，之后再安排開展艦面設(shè)備關(guān)鍵單機(jī)及系統(tǒng)可靠性鑒定試驗?？煽啃栽鲩L試驗也可采用預(yù)鑒定的試驗方案。海軍某艦面設(shè)備按照策劃先后開展關(guān)鍵單機(jī)可靠性試驗以及系統(tǒng)可靠性試驗后，其可靠性水平得到顯著提高，在后續(xù)的飛行試驗和部隊使用中均有所體現(xiàn)。

2 可靠性試驗方案

開展可靠性試驗[3—4]需要先確定試驗采取的方案，再根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、研制要求和實際使用狀態(tài)制定出適合艦面設(shè)備的試驗剖面，然后按照試驗剖面施加各種環(huán)境應(yīng)力并依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方案完成可靠性試驗。

2.1 試驗方案

1）可靠性增長試驗方案[5—7]。對于電子設(shè)備，其可靠性服從指數(shù)分布，一般采用指數(shù)分布零故障定時截尾試驗方案。試驗時間按式（1）和式（2）計算。

式中：RL為可靠性置信下限；t為任務(wù)時間；MTBFL為平均無故障工作時間；T為總試驗時間；n為樣本數(shù)；β為使用方風(fēng)險。

對于復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品，其可靠性服從威布爾分布，一般采用威布爾分布零故障定時截尾試驗方案。試驗時間為：

式中：t為任務(wù)時間；γ為置信度；RL為可靠性置信下限；n為樣本量；m為形狀參數(shù)。

對于電子產(chǎn)品和機(jī)電一體產(chǎn)品，當(dāng)增長模型未知時，其總試驗時間的確定，通常采用指數(shù)分布的無模型定時截尾方案，如式（1）、（2）所示。

2）對于可靠性鑒定試驗或者采用預(yù)鑒定的試驗方案的可靠性增長試驗，試驗時間按照 GJB 899A—2009中的相應(yīng)方案執(zhí)行。

3）對于試驗時間很長的可靠性試驗，由于研制周期和研制經(jīng)費(fèi)的限制，可靠性試驗很難按照通常的方案（不加速）進(jìn)行。這種情況下，一般先根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、文獻(xiàn)[8—9]和工程經(jīng)驗制定加速試驗方案，然后按照加速試驗方案開展可靠性試驗。

2.2 試驗剖面制定

由于各個設(shè)備的研制要求和實際使用狀態(tài)的環(huán)境條件不盡相同，有些環(huán)境條件甚至與標(biāo)準(zhǔn)中的試驗剖面條件相沖突。因此艦面設(shè)備可靠性試驗剖面[10]的制定不能簡單地直接引用標(biāo)準(zhǔn)條件，要結(jié)合艦面設(shè)備的研制要求和實際使用狀態(tài)的環(huán)境條件對相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行適當(dāng)?shù)募舨茫@得更加符合艦面設(shè)備的試驗剖面?？煽啃栽囼炂拭嬉话悴捎盟木C合環(huán)境條件，包括溫度、濕度、振動和電應(yīng)力，有效試驗時間通常是綜合環(huán)境應(yīng)力試驗時間。對于溫度、濕度、電應(yīng)力，其對艦面設(shè)備的影響相對較小，一般是結(jié)合研制要求和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)確定。對于振動應(yīng)力，不同的標(biāo)準(zhǔn)對振動的規(guī)定不一致，應(yīng)根據(jù)研制要求和實際海域相關(guān)海況的實測數(shù)據(jù)確定采用的標(biāo)準(zhǔn)，見表1。對于鑒定試驗或增長代鑒定試驗，一般選用GJB 899A—2009。對于實際測量的振動數(shù)據(jù)，海況較好時，其振動量級很小，且炮擊時的艦船振動與無炮擊時的振動量級相差較大；海況不好時，艦船的振動較大，且還受到海浪的沖擊作用。有條件時應(yīng)根據(jù)多種不同海況的實測數(shù)據(jù)包絡(luò)制定艦船振動的試驗條件。若實測數(shù)據(jù)中有較大的沖擊響應(yīng)，剖面中應(yīng)考慮加入艦船沖擊。

對于可靠性增長試驗，試驗剖面一般可根據(jù)研制要求規(guī)定的環(huán)境條件或者任務(wù)剖面內(nèi)的實際環(huán)境條件制定，環(huán)境剖面也相對簡單。圖1所示的可靠性增長試驗剖面包括低溫貯存、低溫工作、高溫貯存、高溫工作四個溫度段，四個溫度段的環(huán)境條件均來自研制要求。對于可靠性鑒定試驗[11—12]或者采用預(yù)鑒定方案的可靠性增長試驗，試驗剖面一般是在 GJB 899A—2009中艦面設(shè)備的試驗剖面[13]基礎(chǔ)上，結(jié)合研制要求的相關(guān)條件規(guī)定或充分的實測數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)募舨?。可靠性鑒定試驗典型剖面如圖2所示。

表1 艦船振動條件

圖1 可靠性增長試驗剖面

圖2 可靠性鑒定試驗剖面

3 可靠性試驗

采用關(guān)鍵單機(jī)與系統(tǒng)相結(jié)合的思路，對艦面設(shè)備開展關(guān)鍵單機(jī)及系統(tǒng)的可靠性試驗[14—15]，首先通過分析選取艦面設(shè)備各分系統(tǒng)的關(guān)鍵單機(jī)或新研單機(jī)開展單機(jī)級可靠性試驗，之后再以分系統(tǒng)的形式開展系統(tǒng)級可靠性試驗。

先通過關(guān)鍵單機(jī)可靠性試驗暴露單機(jī)設(shè)備潛在缺陷進(jìn)而改進(jìn)設(shè)計，提高關(guān)鍵單機(jī)的可靠性，從而達(dá)到提高艦面設(shè)備系統(tǒng)可靠性的目的。再通過系統(tǒng)及可靠性試驗暴露系統(tǒng)潛在缺陷進(jìn)而改進(jìn)設(shè)計，最終提高艦面設(shè)備的系統(tǒng)可靠性。

艦面設(shè)備關(guān)鍵單機(jī)可靠性試驗狀態(tài)如圖3所示，系統(tǒng)可靠性試驗狀態(tài)如圖4所示。

圖3 艦面設(shè)備單機(jī)可靠性試驗

圖4 艦面設(shè)備系統(tǒng)可靠性試驗

在某艦面設(shè)備型號研制過程中進(jìn)行的可靠性增長試驗過程中，某分系統(tǒng)先后出現(xiàn)了近5個故障。通過改進(jìn)設(shè)計，大幅提高了系統(tǒng)可靠性。在隨后的可靠性鑒定試驗中，該艦面設(shè)備未出現(xiàn)故障，順利的通過了可靠性鑒定試驗。

4 結(jié)語

海軍艦面設(shè)備的可靠性試驗工程實踐是一個不斷進(jìn)步的過程，不斷采用先進(jìn)的可靠性試驗技術(shù)和方案，可不斷提高艦面設(shè)備的可靠性和實戰(zhàn)化水平。經(jīng)過近幾年多個型號艦面設(shè)備的可靠性工程實踐，結(jié)果表明，開展關(guān)鍵單機(jī)與系統(tǒng)相結(jié)合的可靠性試驗，能較好地實現(xiàn)艦面設(shè)備系統(tǒng)可靠性的快速增長。然而，艦面設(shè)備當(dāng)前的可靠性試驗條件均來自于標(biāo)準(zhǔn)，有些條件可能過于嚴(yán)酷，后續(xù)應(yīng)充分收集或者采集實測數(shù)據(jù)，進(jìn)而包絡(luò)出更加真實的試驗條件，最終更真實地評估艦面設(shè)備的可靠性。

[1] 楊萬均, 肖敏, 張燕, 等. 艦面電子設(shè)備機(jī)柜防護(hù)失效分析與對策研究[J]. 裝備環(huán)境工程, 2012, 9(6): 83—87.

[2] 朱曦全. 單機(jī)和系統(tǒng)級航天產(chǎn)品綜合環(huán)境可靠性試驗技術(shù)的工程應(yīng)用[J]. 導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù), 2007(4): 32—36.

[3] 祝耀昌. 可靠性試驗及其發(fā)展綜述[J]. 航空標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量, 2005, 24(5): 32—35.

[4] 趙瑩雪, 劉暉. 裝備研制(改造)中加強(qiáng)環(huán)境試驗與可靠性試驗[J]. 裝備環(huán)境工程, 2014, 10(2): 75—78.

[5] 胡彥平, 張正平, 李海波, 等. 航天產(chǎn)品可靠性增長試驗指南應(yīng)用探討[J]. 強(qiáng)度與環(huán)境, 2011, 38(2): 44—48.

[6] GJB 1407—1992, 可靠性增長試驗[S].

[7] QJ 3127—2000, 航天產(chǎn)品可靠性增長試驗指南[S].

[8] 寧建法, 李文釗. 彈上電子產(chǎn)品起飛前工作時間折算研究[J]. 強(qiáng)度與環(huán)境, 2010, 37(3): 41—44.

[9] 李海波, 張正平, 胡彥平. 加速壽命試驗方法及其在航天產(chǎn)品中的應(yīng)用[J]. 強(qiáng)度與環(huán)境. 2007, 34(1): 2—10.

[10] 楊喜存, 單軍勇. 從某正樣機(jī)的鑒定試驗談可靠性試驗設(shè)計[J]. 裝備環(huán)境工程, 2015, 12(1): 93—96.

[11] 王春暉, 邱述斌. 可靠性鑒定試驗受試樣品的軟硬件聯(lián)合測試技術(shù)[J]. 裝備環(huán)境工程, 2014, 11(2): 64—68.

[12] GJB 899A—2009, 可靠性鑒定與驗收試驗[S].

[13] 蔡健平, 張萌, 趙婉. 艦載導(dǎo)彈武器全壽命期環(huán)境剖面確定方法[J]. 裝備環(huán)境工程, 2014, 11(5): 92—96.

[14] GJB 150A—2009 , 軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法[S].

[15] 陳永祥, 李憲珊. 基于AMSAA模型評估不可修復(fù)的威布爾分布產(chǎn)品可靠性[J]. 強(qiáng)度與環(huán)境, 2013, 40(2): 51—55.

Engineering Practice on Reliability Test of Ship-deck Equipment

LIU Yang1,HU En-lai2,HU Yan-ping2,CHEN Jin-hu2,GONG Xiao-chun2
（1.Military Representatives Office of Navy in Shanghai Aerospace System, Shanghai 201109, China; 2. Beijing Institute of Structure and Environment Engineering, Beijing 100076, China）

Objective To carry out practices on reliability test of ship-deck equipments. Methods A reliability test program combined with key equipment and system was proposed during the development phase of ship-deck equipments. Results The system reliability of ship-deck equipment was improved rapidly. Conclusion Engineering practices on reliability test of multi-projects ship-deck equipment in recent years effectively enhances the integral reliability of navy missile weapon systems, and provides references for reliability engineering of other ship-deck equipment.

ship-deck equipment; key equipment; reliability test

10.7643/ issn.1672-9242.2017.01.020

TJ07

A

1672-9242(2017)01-0087-04

2016-07-17；

2016-08-25

劉楊（1984—）男，工程師，研究方向為導(dǎo)彈武器系統(tǒng).