快速上浮脫險(xiǎn)充氣裝置可靠性分配及預(yù)計(jì)

柳初萌，顧靖華，范 維，劉平小

（海軍軍醫(yī)大學(xué)海軍醫(yī)學(xué)研究所，上海200433）

快速上浮脫險(xiǎn)充氣裝置是潛艇艇員在潛艇失事時(shí)采取快速上浮脫險(xiǎn)的必需裝備[1]，安裝在單人脫險(xiǎn)艙內(nèi)。在實(shí)施快速上浮脫險(xiǎn)時(shí)，艇員著脫險(xiǎn)服進(jìn)入單人脫險(xiǎn)艙，通過脫險(xiǎn)服上的充氣接頭與充氣裝置對(duì)接，為脫險(xiǎn)服儲(chǔ)氣囊供氣，既能保證對(duì)脫險(xiǎn)艇員的正常氣體供應(yīng)，又能防止艇員擠壓傷的產(chǎn)生。因此，充氣裝置的可靠性對(duì)艇員生命安全起著至關(guān)重要的影響。

系統(tǒng)的可靠性建模、分配和預(yù)計(jì)是可靠性工作計(jì)劃中的主要內(nèi)容之一?？煽啃越７峙涞闹饕康氖歉鶕?jù)系統(tǒng)組成和任務(wù)剖面，建立充氣裝置的可靠性模型，在此基礎(chǔ)上，把系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)分配到各功能單元和部件，為系統(tǒng)研制者提供功能單元和部件的可靠性設(shè)計(jì)指標(biāo)[2]，從而為可靠性設(shè)計(jì)和進(jìn)一步預(yù)計(jì)奠定重要基礎(chǔ)?？煽啃灶A(yù)計(jì)的主要目的是預(yù)先估計(jì)產(chǎn)品的可靠性參數(shù)，了解其是否滿足規(guī)定的可靠性指標(biāo)，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在的可靠性方面的問題并及時(shí)修改，確保在資金和時(shí)間等資源限制下達(dá)到要求的指標(biāo)。

1 可靠性建模

充氣裝置依據(jù)功能可劃分為控制器、連接閥和管路三個(gè)功能單元（如圖1所示），根據(jù)各自的功能原理和功能關(guān)系，確定充氣裝置基本可靠性模型為串聯(lián)模型。其中，控制器依據(jù)功能可劃分為補(bǔ)償腔、閥座、閥桿、彈簧、膜片和反饋腔6個(gè)功能部件；連接閥依據(jù)功能可劃分為安全閥、閥體、單向閥、節(jié)流閥和充氣接口5個(gè)功能部件；管路依據(jù)功能可劃分為供氣管路和反饋管路2個(gè)功能部件。

圖1 充氣裝置可靠性框圖

要建立任務(wù)可靠性模型首先需確認(rèn)其任務(wù)剖面，即充氣裝置在完成規(guī)定任務(wù)這段時(shí)間內(nèi)所經(jīng)歷的時(shí)間和環(huán)境時(shí)序描述。充氣裝置的工作流程主要包括：脫險(xiǎn)服充氣接頭與充氣裝置充氣接口連接；控制器反饋腔壓力下降，閥桿移動(dòng)開啟供氣；控制器向連接閥供氣；連接閥為脫險(xiǎn)服儲(chǔ)氣囊供氣；單人脫險(xiǎn)艙快速加壓期間，持續(xù)供氣；單人脫險(xiǎn)艙內(nèi)壓力與外界環(huán)境壓力平衡后，艇員松開充氣接頭，離艇快速上浮至水面；連接閥停止供氣，閥內(nèi)壓力上升，向控制器反饋壓力；控制器反饋腔壓力上升，自動(dòng)關(guān)閉，充氣結(jié)束。根據(jù)充氣裝置的工作流程建立典型任務(wù)剖面。

在充氣裝置執(zhí)行任務(wù)過程中，要求各功能模塊單元和功能部件均能正常工作，從功能和結(jié)構(gòu)角度看，各模塊和部件相對(duì)獨(dú)立，工作時(shí)相互協(xié)作，共同完成規(guī)定的功能，任一模塊或部件故障都將導(dǎo)致任務(wù)失敗，因此，充氣裝置任務(wù)可靠性框圖為串聯(lián)結(jié)構(gòu)，其任務(wù)可靠性模型與基本可靠性模型一致。

2 可靠性分配

充氣裝置可靠性指標(biāo)為系統(tǒng)平均故障間隔時(shí)間MTBF≮24h，可靠性指標(biāo)分配采用加權(quán)分配法，計(jì)算公式為：

式中：MTBF為系統(tǒng)平均故障間隔時(shí)間；MTBFj為第j個(gè)單元平均故障間隔時(shí)間；Kji為第j個(gè)單元第i個(gè)加權(quán)因子；m為加權(quán)因子數(shù)量；n為單元數(shù)量。

加權(quán)因子包括環(huán)境因子、維修因子、元件質(zhì)量因子、標(biāo)準(zhǔn)化因子、重要性因子和復(fù)雜因子。打分時(shí)具體采用如下原則：處于惡劣環(huán)境的單元或部件，環(huán)境因子取低些；易維修的單元或部件，維修因子取低些；單元或部件中如采用較多可靠性水平低的元器件時(shí)，元器件質(zhì)量因子取低些；采用非標(biāo)件或不成熟零部件多的單元或部件，標(biāo)準(zhǔn)化因子取低些；重要的單元或部件，重要性因子取高些；復(fù)雜的單元或部件，復(fù)雜因子取低些。

根據(jù)所選用的加權(quán)分配法，對(duì)各加權(quán)因子等設(shè)計(jì)特性進(jìn)行打分，這些因子由系統(tǒng)總師及各分系統(tǒng)設(shè)計(jì)師等多位專家打分后獲得。打分結(jié)果如表1所示。

表1 充氣裝置各模型單元可靠性指標(biāo)分配表

將上述表中結(jié)果代入式（1），經(jīng)計(jì)算得到分配結(jié)果如表2所示。

表2 充氣裝置各模型單元可靠性指標(biāo)分配結(jié)果

各功能單元部件的可靠性指標(biāo)分配方法與上述內(nèi)容相一致，可計(jì)算得到各部件分配到的MTBF指標(biāo)。

3 可靠性預(yù)計(jì)

充氣裝置可靠性預(yù)計(jì)采用故障率預(yù)計(jì)法。該方法主要用于非電子產(chǎn)品的可靠性預(yù)計(jì)，其原理與電子元器件的應(yīng)力分析法基本相似，都是對(duì)基本故障率的修正，以獲得產(chǎn)品的實(shí)際故障率。故障率預(yù)計(jì)法的基本原理是根據(jù)單元模塊的基本故障率，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際使用環(huán)境等條件，對(duì)基本故障率進(jìn)行修正，得出單元模塊的工作故障率。其預(yù)計(jì)模型見式（2）：

式中：λ 為工作故障率（h）；λb為基本故障率（h）；K為環(huán)境因子，由工程經(jīng)驗(yàn)確定，參考GJB/Z 299B-98電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè)中各環(huán)境系數(shù)；D為降額因子，由工程經(jīng)驗(yàn)確定。

根據(jù)預(yù)計(jì)的各單元故障率，計(jì)算系統(tǒng)故障率，并預(yù)計(jì)系統(tǒng)的MTBF.串聯(lián)系統(tǒng)的故障率和MTBF計(jì)算模型可用式（3）和式（4）表示。

式中：λs為系統(tǒng)故障率（h）；λi為各單元的故障率（h）；MTBFS為系統(tǒng)平均故障間隔時(shí)間（h）。

其中，充氣裝置各單元模塊的基本故障率可由可靠性分配得到。

充氣裝置在艇內(nèi)海水環(huán)境使用，需考慮高低溫、振動(dòng)、海水腐蝕、鹽霧等環(huán)境條件。參照GJB/Z 299B-98給出的環(huán)境分類，充氣裝置所屬的環(huán)境惡劣情況屬于艦載普通艙內(nèi)與艙外之間，接近于惡劣地面固定條件，但要承受偶然強(qiáng)烈的振動(dòng)和沖擊。按此環(huán)境分類，對(duì)應(yīng)環(huán)境系數(shù)為10.因充氣裝置各單元工作時(shí)為一整體，且安裝與艙內(nèi)同一位置，故各單元所屬環(huán)境情況視為相同，取環(huán)境因子K值為10.

設(shè)備各零部件一直工作在額定應(yīng)力值下，其性能退化速率較快，降額使用有利于延緩和減小性能退化。設(shè)備在低于額定值情況下工作，可降低零部件失效率，同時(shí)，降額也使設(shè)計(jì)具有一定安全余量，提高系統(tǒng)可靠性。故應(yīng)根據(jù)各單元的實(shí)際工作狀態(tài)，確定各單元降額因子D，具體分配和工作故障率計(jì)算結(jié)果見表3.

表3 充氣裝置各單元模塊工作故障率

根據(jù)表3的結(jié)果，可計(jì)算出充氣裝置的MTBF為：

根據(jù)選定的方法預(yù)計(jì)結(jié)果，表明充氣裝置MTBF為43.73 h大于24 h，滿足系統(tǒng)可靠性指標(biāo)的定量要求。

4 結(jié)束語

機(jī)械產(chǎn)品的可靠性工作必須從定性的設(shè)計(jì)、分析入手，發(fā)現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)，從而改進(jìn)設(shè)計(jì)，使定性分析起到影響設(shè)計(jì)、提高可靠性的作用[3]。通過可靠性分配，將可靠性目標(biāo)分配到系統(tǒng)的各單元，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)分解；通過可靠性預(yù)計(jì)，預(yù)計(jì)不同設(shè)計(jì)方案能否達(dá)到預(yù)期的可靠性目標(biāo)，為設(shè)計(jì)決策提供依據(jù)?？煽啃怨ぷ骺蔀闃?biāo)準(zhǔn)化工作、設(shè)計(jì)分析以及維修計(jì)劃的制訂提供依據(jù)，也可通過詳細(xì)的可靠性預(yù)計(jì)，發(fā)現(xiàn)分系統(tǒng)、單元、元器件的薄弱環(huán)節(jié)和易出故障的問題，以便采取有效的補(bǔ)救措施，提高系統(tǒng)的可靠性。