一種電動(dòng)力魚雷實(shí)航工作可靠度評(píng)估方法

朱文振,王松林,王 昊

(中國(guó)人民解放軍 91388部隊(duì),廣東 湛江,524022)

一種電動(dòng)力魚雷實(shí)航工作可靠度評(píng)估方法

朱文振,王松林,王 昊

(中國(guó)人民解放軍 91388部隊(duì),廣東 湛江,524022)

針對(duì)一次動(dòng)力電池可用于實(shí)航試驗(yàn)子樣數(shù)很少的局限性,單純采用經(jīng)典可靠性評(píng)估方法難以滿足魚雷工作可靠性試驗(yàn)鑒定需求。通過分析電動(dòng)力魚雷可靠性結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)全雷工作可靠性試驗(yàn)方案,提出全雷實(shí)航工作可靠度評(píng)估方法。計(jì)算實(shí)例表明,該方法簡(jiǎn)單實(shí)用,在僅有少量一次動(dòng)力電池的條件下,可準(zhǔn)確做出高置信水平的電動(dòng)力魚雷全雷實(shí)航可靠度評(píng)估。

電動(dòng)力魚雷; 一次動(dòng)力電池; 可靠度評(píng)估

1 魚雷實(shí)航可靠度經(jīng)典評(píng)估方法

1.1 經(jīng)典成敗型可靠性評(píng)估方法

按照實(shí)航可靠度指標(biāo)的定義,隨機(jī)抽取定型批量生產(chǎn)的魚雷樣本,按照實(shí)際作戰(zhàn)使用要求及任務(wù)剖面要求,在實(shí)際使用環(huán)境下進(jìn)行實(shí)航試驗(yàn),統(tǒng)計(jì)實(shí)航總次數(shù)和發(fā)生的責(zé)任故障數(shù),采用經(jīng)典成敗型檢驗(yàn)方法計(jì)算實(shí)航工作可靠度。該方法優(yōu)點(diǎn)是由于采用較大樣本量,實(shí)航試驗(yàn)足夠多,統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確,能夠反映魚雷實(shí)際實(shí)航可靠性; 缺點(diǎn)是需要批生產(chǎn)一次動(dòng)力電池?cái)?shù)量較多,難以滿足設(shè)計(jì)定型考核要求。

1.2 經(jīng)典指數(shù)型可靠性評(píng)估方法

將魚雷實(shí)航可靠度指標(biāo)轉(zhuǎn)換為平均故障間隔時(shí)間(mean time between failure,MTBF)指標(biāo),采用定時(shí)截尾的試驗(yàn)方案,在試驗(yàn)室內(nèi)模擬魚雷現(xiàn)場(chǎng)使用的綜合應(yīng)力環(huán)境,將試驗(yàn)樣件置于其中進(jìn)行試驗(yàn),統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)時(shí)間和發(fā)生的責(zé)任故障數(shù),按照事先確定的試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)方案,計(jì)算魚雷的實(shí)航可靠性指標(biāo)。該方法優(yōu)點(diǎn)是可以充分利用試驗(yàn)室模擬條件進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)環(huán)境條件可以很好受控,不需要較多地占用實(shí)航保障資源; 缺點(diǎn)是試驗(yàn)時(shí)間和試驗(yàn)樣本量較大。

2 全雷實(shí)航工作可靠度試驗(yàn)方法

2.1 總體思路

全雷的實(shí)航工作可靠度試驗(yàn)數(shù)據(jù)來自正浮力操雷、模擬戰(zhàn)雷實(shí)航試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及一次動(dòng)力電池陸上試驗(yàn)數(shù)據(jù)?？梢詫⑷滓暈橛梢淮坞姵囟魏筒倮壮ザ坞姵亍⒉倮锥蔚钠渌糠纸M成的系統(tǒng)進(jìn)行考核,按照金字塔的評(píng)估方法給出可靠性評(píng)估結(jié)論。將全雷分解成一次動(dòng)力電池A與非一次動(dòng)力電池B 這2個(gè)串聯(lián)系統(tǒng)[2-3],其中B由全雷結(jié)構(gòu)、自導(dǎo)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、線導(dǎo)系統(tǒng)、引信系統(tǒng)及電機(jī)系統(tǒng)等組成。如圖1所示。

2.2 非一次動(dòng)力電池實(shí)航試驗(yàn)方法

根據(jù)非動(dòng)力電池實(shí)航工作可靠度規(guī)定值P0、最低可接受值P1、雙方風(fēng)險(xiǎn)α、β等指標(biāo)規(guī)定的條件下,采用經(jīng)典二項(xiàng)分布假設(shè)檢方法[4],可計(jì)算非動(dòng)力電池試驗(yàn)樣本量為

圖1 全雷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 System structure of whole torpedo

2.3 一次動(dòng)力電池陸上試驗(yàn)方法

根據(jù)一次電池中的工作特點(diǎn),可將其分為一次性工作的成敗型部件和可持續(xù)工作的壽命型部件兩部分,其中熱電池、電爆管、激活閥、電池堆等屬于一次性工作成敗型部件,段控制器、儀表用電源、電機(jī)、氣液分離器、電液循環(huán)泵等都屬于可持續(xù)工作壽命型部件[5-6]。

1) 壽命型部件試驗(yàn)

一次動(dòng)力電池實(shí)航時(shí)典型工作方式有全高速航程工作或混速制航程工作方式,最長(zhǎng)工作時(shí)間為t小時(shí),根據(jù)一次動(dòng)力電池最低可接受值的可靠性指標(biāo),將其轉(zhuǎn)換為MTBF最低可接受值為

假設(shè)使用方風(fēng)險(xiǎn)β為20%,若采用GJB899A的方案20,則一次動(dòng)力電池壽命型部件工作試驗(yàn)時(shí)間如表1。

表1 壽命件定時(shí)截尾試驗(yàn)方案Table 1 Time terminated test plan of life component

2) 成敗型部件試驗(yàn)

各種閥門(激活閥、密封閥、電爆閥)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,由于各單次動(dòng)作的部件在一個(gè)實(shí)航剖面內(nèi)僅動(dòng)作一次,可將其試驗(yàn)時(shí)間轉(zhuǎn)換為試驗(yàn)次數(shù)。

3 全雷實(shí)航工作可靠度評(píng)估方法

3.1 指數(shù)型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為成敗型數(shù)據(jù)方法

當(dāng)Z=0時(shí),f=0,n=η。

3.2 成敗型串聯(lián)單元評(píng)估方法

1) 當(dāng)不存在無故障單元時(shí),假設(shè)si和ni分別為第i個(gè)單元試驗(yàn)的成功次數(shù)和試驗(yàn)次數(shù),n′和s′分別為由單元試驗(yàn)數(shù)據(jù)折合等效成系統(tǒng)試驗(yàn)的試驗(yàn)次數(shù)和成功次數(shù),可采用修正極大似然法(modified maximum likelihood,MML)[7-8],得到折合關(guān)系為

若系統(tǒng)本身也有試驗(yàn),且試驗(yàn)數(shù)據(jù)為(s0,n0),則得到全雷試驗(yàn)數(shù)據(jù)為

用不完全Beta分布與F分布的關(guān)系表示為

2) 當(dāng)ni或si數(shù)量太少且(即無失效)時(shí),式(4)不適用,利用序貫壓縮法(sequential reduction,SR)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一次壓縮[9]。設(shè)系統(tǒng)由m個(gè)成敗型單元串聯(lián)而成,第i個(gè)單元的試驗(yàn)數(shù)據(jù)為按由大到小順序排序:

其中有j個(gè)單元無失效,即成功次數(shù)等于試驗(yàn)次數(shù),并假設(shè)無失效單元中試驗(yàn)次數(shù)最少的單元試驗(yàn)數(shù)據(jù)為,舍去其余的失效單元,在有失效單元中找出試驗(yàn)次數(shù)小的單元,設(shè)為

3.3 全雷實(shí)航工作可靠度評(píng)估方法

按照指數(shù)型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為成敗型數(shù)據(jù)方法,將壽命型、成敗型陸上試驗(yàn)數(shù)據(jù)折合成一次動(dòng)力電池陸上試驗(yàn)數(shù)據(jù)。根據(jù)電動(dòng)力魚雷全雷串聯(lián)結(jié)構(gòu),綜合利用一次電池陸上試驗(yàn)數(shù)據(jù)、剔除二次動(dòng)力電池的操雷實(shí)航試驗(yàn)數(shù)據(jù)和模擬戰(zhàn)雷實(shí)航試驗(yàn)數(shù)據(jù),按照單元試驗(yàn)數(shù)據(jù)折合成全雷試驗(yàn)數(shù)據(jù)方法,可計(jì)算全雷實(shí)航工作可靠度。電動(dòng)力魚雷全雷實(shí)航可靠性評(píng)估流程見圖2。

圖2 全雷實(shí)航工作可靠度評(píng)估方法流程圖Fig. 2 Flow chart of working reliability assessment method for whole torpedo in sea trial

4 算例

假設(shè)一型電動(dòng)力魚雷一次電池實(shí)航可靠度規(guī)定值為0.998 32、最低可接受值為0.995 14,全雷實(shí)航工作可靠度規(guī)定值為 0.90,最低可接受值為0.8,置信度為0.8。

1) 一次動(dòng)力電池陸上試驗(yàn)數(shù)據(jù)。假設(shè)一次動(dòng)力電池工作任務(wù)時(shí)間為1 h,根據(jù)其可靠性指標(biāo)要求,由式(2)可得,MTBF最低可接受值為205.3 h,參照表 1中的試驗(yàn)方案,確定一次動(dòng)力電池各壽命型部件無故障累計(jì)工作試驗(yàn)時(shí)間為331 h,各成敗型部件無故障試驗(yàn) 331次。由式(3),將指數(shù)型試驗(yàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為成敗型數(shù)據(jù)為(331,331),則一次動(dòng)力電池陸上試驗(yàn)數(shù)據(jù)為(331,331)。

2) 將模擬戰(zhàn)雷實(shí)航試驗(yàn)數(shù)據(jù)等效于單元試驗(yàn)數(shù)據(jù)。假設(shè)配一次電池模擬戰(zhàn)雷實(shí)航試驗(yàn)4條次,成功 3條次,其中一次電池段未出現(xiàn)失效。則配模擬戰(zhàn)雷實(shí)航試驗(yàn)數(shù)據(jù)(3,4)等效為 A單元試驗(yàn)數(shù)據(jù)(4,4),B單元試驗(yàn)數(shù)據(jù)(3,4)。

3) 折合成單元試驗(yàn)數(shù)據(jù)。將步驟1)、2)折合為單元試驗(yàn)數(shù)據(jù),得A單元試驗(yàn)數(shù)據(jù)(335,335),B單元試驗(yàn)數(shù)據(jù)(3,4)。

4) 利用SR法對(duì)折合后獲得的單元試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮。將步驟(3)中無失效 A單元數(shù)據(jù)(335,335)、失效B單元數(shù)據(jù)(3,4),由式(8),按SR法進(jìn)行一次壓縮,綜合得到單元數(shù)據(jù)為

5) 用MML法將壓縮后獲得的數(shù)據(jù)折合成全雷級(jí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。將步驟 4)中的單元試驗(yàn)數(shù)據(jù),由式(4),按MML法將壓縮后獲得試驗(yàn)數(shù)據(jù)為

假設(shè)配二次電池段操雷實(shí)航試驗(yàn) 47條次,成功 42條次(剔除二次電池故障外)。利用式 5),得到全雷級(jí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)為

6) 計(jì)算全雷可靠度置信下限

5 結(jié)束語

在魚雷型號(hào)研制工程中,受制于可用于實(shí)航試驗(yàn)的一次動(dòng)力電池子樣數(shù)很少的客觀條件,單純采用經(jīng)典可靠性評(píng)估方法難以滿足魚雷工作可靠性試驗(yàn)鑒定需求。通過建立電動(dòng)力魚雷全雷可靠性串聯(lián)結(jié)構(gòu),提出全雷實(shí)航工作可靠度試驗(yàn)方法,僅在保障少量一次動(dòng)力電池實(shí)航試驗(yàn)的條件下,綜合利用一次動(dòng)力電池陸上試驗(yàn)、二次電池操雷實(shí)航試驗(yàn)和模擬戰(zhàn)雷實(shí)航試驗(yàn)等數(shù)據(jù),能夠完成高置信水平的電動(dòng)力魚雷實(shí)航工作可靠度試驗(yàn)鑒定任務(wù),可節(jié)省電動(dòng)力魚雷的研制經(jīng)費(fèi),縮短試驗(yàn)周期。

[1] 賀成剛,唐世軒,范劍. 魚雷配一次電池試驗(yàn)有關(guān)指標(biāo)評(píng)定方法及樣本量確定[J]. 艦電技術(shù),2007,27(1):61-64.He Cheng-gang,Tang Shi-xuan,Fan Jian. Assessment of Test Launching of Torpedo Driven by One—shot Battery and Definition of the Sample Quantity[J]. Marine Electric& Electronic Technology,2007,27(1): 61-64.

[2] 孟慶玉,周徐昌. 魚雷可靠性工程基礎(chǔ)[M]. 武漢:海軍工程學(xué)院,1989.

[3] 賀成剛,葉豪杰,張迪. 一種改進(jìn)的魚雷實(shí)航工作可靠度評(píng)定方法[J]. 魚雷技術(shù),2011,19(6): 411-414.He Cheng-gang,Ye Hao-jie,Zhang Di. An Improve Method for Evaluating Torpedoe′s Working Reliabitity in Sea Trial[J]. Torpedo Technology,2011,19(6): 411-414.

[4] 武小悅. 裝備試驗(yàn)與評(píng)價(jià)[M]. 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社,2008.

[5] 蔡年生. 現(xiàn)代魚雷動(dòng)力電池技術(shù)[J]. 艦船科學(xué)技術(shù),2003,25(1): 59-62.Cai Nian-sheng. The Modern Battery Technology for Torpedoes Propulsion[J]. Ship Tcience and Technology,2003,25(1): 59-62.

[6] 黃瑞霞,朱新功,王敏. UUV用鋁氧電池[J]. 電源技術(shù),2009,33(5): 430-433.Huang Rui-xia,Zhu Xin-gong,Wang Min. Al-O2Battery for UUV[J]. Chinese Journal of Power Sources,2009.33(5): 430-433.

[7] 楊仁. 基于Bayes理論改進(jìn)的系統(tǒng)可靠性綜合MML法[J]. 四川兵工學(xué)報(bào),2015,36(9): 158-161.Yang Ren. Improved MML Method of System Reliability Synthesis Based on Bayesian Theory[J]. Journal of Sichuan Ordnance,2015. 36(9): 158-161.

[8] 周源泉,翁朝曦. 可靠性評(píng)定[M]. 北京: 科學(xué)出版社,1991.

[9] 宋保維. 魚雷系統(tǒng)可靠性理論與方法[M]. 西安: 西北工業(yè)大學(xué)出版社,2015.

A Working Reliability Assessment Method for Electric Power Torpedo in Sea Trial

ZHU Wen-zhen,WANG Song-lin,WANG Hao
(91388thUnit,The People′s Liberation Army of China,Zhanjiang 524022,China)

Assessing working reliability of an electric power torpedo only by conventional reliability assessment method is not satisfactory because of the limitation that the primary power battery samples for sea trial are insufficient. This paper analyzes the reliability structure of an electric power torpedo,designs a test scheme of whole torpedo working reliability,and proposes a working reliability an assessment method for whole torpedo in sea trial. Practical example shows that this method is simple and applicable to make accurate working reliability assessment of an electric power torpedo at high confidence level.

electric power torpedo; primary power battery; reliability assessment

TJ631.2; TB114.37

A

2096-3920(2017)03-0293-04

朱文振,王松林,王昊. 一種電動(dòng)力魚雷實(shí)航工作可靠度評(píng)估方法[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報(bào),2017,25(3): 293-296.

10.11993/j.issn.2096-3920.2017.03.014

0 引言

2016-11-20;

2016-12-21.

朱文振(1975-),男,高級(jí)工程師,主要研究方向?yàn)轸~雷試驗(yàn)技術(shù).

(責(zé)任編輯: 許 妍)

實(shí)航工作可靠度是魚雷可靠性的一項(xiàng)重要指標(biāo),也是可靠性鑒定試驗(yàn)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。實(shí)航工作可靠度指標(biāo)要求是針對(duì)全雷提出的,受研制費(fèi)用、周期的限制,電動(dòng)力魚雷通常采用少量模擬戰(zhàn)雷與絕大部分正浮力操雷相結(jié)合方式進(jìn)行實(shí)航試驗(yàn)。電動(dòng)力魚雷模擬戰(zhàn)雷與正浮力操雷的差別主要體現(xiàn)在動(dòng)力電池,模擬戰(zhàn)雷配置一次動(dòng)力電池,正浮力操雷配置二次動(dòng)力電池。一次動(dòng)力電池具有一次使用、造價(jià)昂貴、工作不可逆等特點(diǎn),其試驗(yàn)次數(shù)非常有限,甚至僅有少量幾次試驗(yàn),全雷級(jí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的不足導(dǎo)致工作可靠性評(píng)估結(jié)果置信下限偏低,不能準(zhǔn)確反映電動(dòng)力魚雷固有可靠性的水平[1]。在電動(dòng)力魚雷型號(hào)研制工程中,構(gòu)成全雷的分系統(tǒng)或組部件通常都有較多的試驗(yàn)數(shù)據(jù),而系統(tǒng)的可靠性水平往往取決于分系統(tǒng)和組部件的可靠性水平,在配置一次動(dòng)力電池模擬戰(zhàn)雷的樣本數(shù)量較少的條件下,若能夠充分利用一次動(dòng)力電池陸上試驗(yàn)、二次電池操雷實(shí)航試驗(yàn)和模擬戰(zhàn)雷實(shí)航試驗(yàn)等數(shù)據(jù),就能夠做出高置信水平的全雷實(shí)航工作可靠度評(píng)估。