基于應力分析的導彈測試設備可靠性預測方法

張 磊，劉丙杰，肖 凡

（海軍潛艇學院，青島，266199）

0 引 言

由于現(xiàn)代導彈測試設備越來越精密、復雜，設備可靠性必然對測試設備的整體性能產生至關重要的影響，因此對導彈測試設備開展可靠性預測是提高裝備完好性和使用可靠性的有效舉措，對導彈裝備保障以及提升部隊戰(zhàn)斗力有著重要意義?？煽啃灶A測根據(jù)組成系統(tǒng)的元件、組件、分系統(tǒng)的可靠性來推測系統(tǒng)的可靠性，是一個從小到大、由下向上的綜合過程，通過發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)，為裝備維護使用的過程控制提供依據(jù)。文獻[1]針對基于單一神經網(wǎng)絡的軟件可靠性模型預測精度低和可信性差的問題，提出一種基于加權信息熵的算法；文獻[2]通過故障模式分析和概率設計與分析，借助專業(yè)的概率分析軟件，對某雷達電子機箱結構件進行失效概率分析和定量的壽命預測；文獻[3]根據(jù)導彈貯存狀態(tài)下的定期批檢結果，采用“殘差平方和（R2）”最小原則，給出一定服役期內導彈故障率，以某型導彈定期檢測數(shù)據(jù)信息進行壽命預測分析，為導彈延壽可靠性分析提供借鑒；文獻[4]根據(jù)大量試驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，基于應力-強度干涉理論建立了導彈彈射動力裝置殼體結構強度的可靠性模型；文獻[5]針對導彈系統(tǒng)技術復雜、貯存樣本量受限、測試數(shù)據(jù)波動性較大等特點，提出了基于改進GM（1，1）模型的導彈貯存可靠性預測方法；文獻[6]分別從單元和系統(tǒng)2 個層次定量地研究了測試對導彈發(fā)射可靠性預測的影響，找出對導彈發(fā)射可靠性預測結果影響較大的單元；文獻[7]針對導彈貯存可靠性預測存在的非線性、小樣本、非概率問題，提出了一種基于相關向量機的導彈貯存可靠性預測方法；文獻[8]為了更準確預測導彈貯存可靠性，分別基于神經網(wǎng)絡（Back Propagation）和徑向基函數(shù)網(wǎng)絡（Radical Basis Function，RBF）對某型艦艦導彈的貯存可靠性進行了預測。以上文獻對可靠性預測在設備維護使用中的應用進行了說明，本文采用應力分析法對某型導彈測試設備開展故障預測工作。

1 應力分析法的基本原理

應力分析法適用于電子類產品的可靠性預測，適用階段包括詳細設計階段以及產品交付使用后階段。采用應力分析法需要考慮元器件的品種、質量水平、工作應力及環(huán)境應力等因素，而元器件在不同應力條件下其失效率是不同的，通常這些應力主要是電應力和環(huán)境應力。元器件應力分析法較全面地考慮了電、熱和其他氣候、機械環(huán)境應力等因素對元器件失效率的影響。它通過分析設備上各元器件工作時所承受的電、熱應力并了解元器件的質量等級，承受電、熱應力的額定值，工藝結構參數(shù)和應用環(huán)境類別等，利用產品技術手冊所給出的數(shù)值和失效率模型，來計算各元器件的工作失效率，最終根據(jù)產品中元器件數(shù)量將這些故障率相加得出整個產品的可靠性，由此預測設備的可靠性水平。本文利用應力分析法對某型導彈測試設備進行可靠性預測。

元器件應力表達式為

式中pλ 為該元器件失效率（以下失效率單位皆省略10-6/h）；bλ 為基本失效率；Eπ 為環(huán)境應力系數(shù)；Qπ 為質量系數(shù)。

假設系統(tǒng)由M 個元器件串聯(lián)組成，則系統(tǒng)的失效率為

2 各種元器件可靠性預測

導彈測試設備主要用來完成導彈控制系統(tǒng)的供電工作和彈地測試控制、測量信號的變換、綜合及轉換工作、顯示電路工作狀態(tài)、對導彈進行測試，并實施發(fā)射。導彈測試設備的電子元器件主要由各種繼電器、對外連接的接插件、各類按鈕、各類指示燈等組成，因此在運用應力分析法進行設備的可靠性預測時，需要對組成設備的各類元器件分別采用應力分析法進行可靠性預測。

2.1 繼電器可靠性預測

2.1.1 非工作狀態(tài)下失效率模型

根據(jù)國軍標GJB/Z-108A-2006《電子設備非工作狀態(tài)可靠性預計》，繼電器非工作失效率模型為

式中 λNb為產品非工作狀態(tài)基本失效率，（固體繼電器）； πNE為產品非工作狀態(tài)環(huán)境系數(shù)（以下環(huán)境系數(shù)都針對潛艇內環(huán)境），為產品非工作狀態(tài)質量系數(shù)（以下質量系數(shù)都針對A1 級產品）， πNQ=0.3。則單個繼電器的失效率 λNP=0.0315。

2.1.2 工作狀態(tài)下失效率模型

繼電器工作狀態(tài)失效率模型如下：

式中λb為工作狀態(tài)基本失效率， λb=0.225； πE為工作狀態(tài)環(huán)境系數(shù)， πE=6.3； πQ為工作狀態(tài)質量系數(shù)，πQ=0.15； πL為成熟系數(shù)（符合相關標準，已穩(wěn)定生產），πL=1；πC2為結構系數(shù)，πC2=N(1.1)N?1=2.2，其中：N 為平均輸出電路數(shù)，N=2； πP為封裝系數(shù)（氣密性封裝）， πP=0.4； πS為電應力系數(shù)， πS=πSIπSV，其中：πSI為輸出電流系數(shù)， πSI=1.0； πSV為瞬態(tài)電壓系數(shù)，πSV=1.0。則有： λP=0.1871。

2.2 接插件可靠性預測

2.2.1 非工作狀態(tài)下失效率模型

單個接插件非工作狀態(tài)下失效率模型為

式中λNb=0.001（圓形連接器）； πNE=2.5； πNQ=0.3。則 λNP=0.0075。

2.2.2 工作狀態(tài)下失效率模型

單個接插件工作狀態(tài)下失效率模型為

式中 λb=0.009； πE=2.5； πQ=0.2；Pπ 為接觸件系數(shù)（30 個接觸件）， πP=5.6； πK為插拔系數(shù)（插拔頻率≤0.05）， πK=1.0； πC為插孔結構系數(shù)（針孔），Cπ =0.3，則單個接插件平均失效率為 λP=0.0076。

2.3 開關可靠性預測

2.3.1 非工作狀態(tài)下失效率模型

單個開關非工作狀態(tài)下失效率模型為

式中 λNb=0.033（觸點電壓≥50 mv）； πNE=4.0； πNQ=0.35。則 λNP=0.0462。

2.3.2 工作狀態(tài)下失效率模型

開關工作狀態(tài)下失效率模型如下：

式中 λb1=0.001（按鈕），λb2=0.06（單刀雙擲）； πE=4.0；πQ=0.3；πL為觸點負載系數(shù)（阻性，πL=0.5），πL=1.48；πCYC為開關速率系數(shù)， πCYC=1.0。則有： λP=0.1083。

2.4 指示燈可靠性預測

2.4.1 非工作狀態(tài)下失效率模型

參考國軍標GJB/Z-108A-2006《電子設備非工作狀態(tài)可靠性預計》提供的數(shù)據(jù)，可知氖指示燈的失效率NPλ =0.168。

2.4.2 工作狀態(tài)下失效率模型

指示燈工作狀態(tài)下失效率模型如下：

式中λb（氖燈）=0.26； πE=2.5； πU為利用率系數(shù)（A1產品）， πU=1.0； πV為額定電壓系數(shù)（額定電壓24 V），Vπ =7.6。則有： λP=4.94。

3 某導彈測試設備可靠性預測

以某型導彈測試設備中的核心設備測試控制臺為例，該測控臺主要包括56 個各型繼電器（6JPXM 型繼電器26 個，JPC-023M 型繼電器28 個，4JGXM-3型2 個）、18 個對外連接的接插件、44 個各類按鈕、54 個各類指示燈等元器件。

采用應力分析法，根據(jù)上面各種元器件可靠性預測數(shù)據(jù)，最終統(tǒng)計得到的該導彈測控臺元件失效率如表1 所示。

表1 某導彈測控臺元件失效率統(tǒng)計 Tab.1 Statistics on the Inefficiency of Components of A Missile Test Control Station

從表1 可以看出，指示燈的失效率最高，應該重點維護；電連接器的失效率最低，可適當減少維護。

由表1 可知，該導彈測控臺的可靠性模型為

其工作失效率曲線如圖1 所示。從圖1 可以看出，當該導彈測控臺累計工作至1264 h 后，可靠性下降至0.7，此時需要對測控臺的指示燈、繼電器進行重點維護；累計工作至2458 h 后，可靠性下降至0.5，此時需要對測控臺進行全面維護。

圖1 某導彈測控臺工作失效率曲線 Fig.1 Working-inefficiency Curve of A Missile Test Control Station

非工作狀態(tài)下失效率如圖2 所示。

圖2 某導彈測控臺非工作失效率曲線 Fig.2 Nonworking-inefficiency Curve of A Missile Test Control Station

從圖2 可以看出，測控臺存貯時間達到27 437 h（3.13 年）后，可靠性下降至0.7；存貯時間達到53 320 h（6.1 年）后，可靠性下降至0.5，此時也需要對測控臺進行全面維護。

某部該型測控臺從入役至2018 年，在2014 年底前主要根據(jù)以往故障維修經驗采取維護保養(yǎng)措施，管理方式相對粗放，自2015 年引入可靠性預測及失效曲線開始科學細化設備管理工作，使測控臺使用、貯存、保養(yǎng)、維修過程系統(tǒng)化、規(guī)范化。根據(jù)測試任務量，合理制定開機使用時間，減少空轉、頻繁啟停機次數(shù)；對設備的耗材使用登記造冊并且按月統(tǒng)計，以節(jié)約成本消耗；根據(jù)元器件可靠性預測及失效曲線，結合以往維修情況，合理預判元器件先后故障失效時間，提前精準購置備件力主自主維修，減少不合理備件儲備，降低廠家臨時派人維修次數(shù)及費用，最終降低維修支出和故障停機時間，提高設備使用效率。比較2014～2016 年3 年的設備維護統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以看出：到2014 年該設備已經經過多年使用，引發(fā)故障多是由于元器件損壞，造成設備開機時間少。而未能在維修當天修好的原因是：a）有些元器件故障疊加使得設備故障加劇，需要廠家技術人員上門維修；b）損壞元器件沒有備件替換，等待采買。2015 年后，由于逐步引入可靠性預測及失效曲線，提前合理購置并且替換相應元器件，設備故障發(fā)生率逐年下降，維修支出也得以降低。測控臺使用維護數(shù)據(jù)統(tǒng)計如表2 所示。

表2 測控臺使用維護數(shù)據(jù)統(tǒng)計 Tab.2 Statistics on the Maintenance of A Missile Test Control Station

4 結 論

導彈測試設備是導彈武器系統(tǒng)中的重要組成部分，為提高測試設備的完好性、降低維護成本，需要對導彈測試設備進行可靠性預測。為了取得較為合理的可靠性預測結果，本文采用了應力分析法，對組成測試設備的各類元器件分別進行了可靠性預測研究，并且以某型導彈測試控制臺為例，統(tǒng)計出該測控臺工作狀態(tài)下和非工作狀態(tài)下的失效率，并且得出該測控臺的可靠性模型，為提高該測控臺的維護使用提供了有力依據(jù)。結果表明，本文采用應力分析法進行導彈測試設備的可靠性預測，不但能夠較好地實現(xiàn)導彈測試設備的故障預測與健康管理，還可以廣泛應用到其他電子類設備的維護保障中。