潛艇升降類桅桿可靠性設(shè)計與分析

吳禎禎

(華中光電技術(shù)研究所 武漢光電國家實驗室，湖北武漢 430223)

0 引 言

開展可靠性工作的目的是確保潛艇升降類桅桿達(dá)到規(guī)定的可靠性要求，保持和提高現(xiàn)役裝備的可靠性水平，以滿足系統(tǒng)戰(zhàn)備完好性和任務(wù)成功性，降低對保證資源的要求、減少壽命周期費用。

“保障是設(shè)計出來的”，潛艇的綜合保障資源與六性設(shè)計息息相關(guān)，六性設(shè)計的好壞決定了綜合保障包的好壞[1]。六性中最核心的是“可靠性”，因此，本文從可靠性的設(shè)計與分析入手，建立裝備可靠性模型，進(jìn)行故障模式、影響及危害性分析（FMECA），找出設(shè)計的薄弱環(huán)節(jié)，以便采取適當(dāng)?shù)拇胧┫驕p輕由薄弱環(huán)節(jié)產(chǎn)生的影響，從而提高產(chǎn)品的固有可靠性；確定可靠性的關(guān)鍵件，確定和控制其故障對安全性、戰(zhàn)備完好性、任務(wù)成功性和保障要求有重大影響的產(chǎn)品。

此外，可靠性工作并不是完全獨立的，應(yīng)與維修性、保障性、質(zhì)量管理等相關(guān)的工作相協(xié)調(diào)，并盡可能結(jié)合，減少重復(fù)[2]。

1 設(shè)備定義

1.1 設(shè)備的可靠性模型

潛艇升降類桅桿是搭載潛艇觀通設(shè)備，實現(xiàn)其支撐、定位和升降功能的裝備。主要部件采用并行布置，支撐、升降、導(dǎo)流機構(gòu)一體化，具有結(jié)構(gòu)緊湊、導(dǎo)流減振、尾跡消隱、升降行程大等特點。

某型升降類桅桿的可靠性框圖表示設(shè)備各個組成部分的故障或它們的組合如何導(dǎo)致設(shè)備故障的邏輯關(guān)系，應(yīng)對設(shè)備完成的每一個任務(wù)或獨立的工作模式分別建立可靠性框圖。升降類桅桿的任務(wù)是支撐、定位和升降功能，故設(shè)備的可靠性框圖可用圖1 描述。

設(shè)備的可靠性模型是一個串并聯(lián)混聯(lián)系統(tǒng)，可看作10 個組成單元串聯(lián)構(gòu)成。可靠性框圖中任何一個單元的失效都將造成系統(tǒng)的失效。

圖1 設(shè)備的可靠性框圖Fig.1 Reliability diagram of equipment

1.2 故障判據(jù)、模式及嚴(yán)酷度定義

1）故障判據(jù)

升降類桅桿支撐潛艇觀通設(shè)備的升降，當(dāng)出現(xiàn)以下現(xiàn)象時則認(rèn)為設(shè)備發(fā)生了故障：

①潛浮臺上升/下降操作時設(shè)備無動作；

②升降過程中出現(xiàn)明顯抖動或較大噪聲；

③管路、閥件及附件接頭等處出現(xiàn)泄漏情況。

2）嚴(yán)酷度定義

升降類桅桿嚴(yán)酷度類別定義如表1 所示。

表1 嚴(yán)酷度類別定義Tab.1 Definition of severity

2 故障模式、影響及危害性分析（FMECA）分析

2.1 FMECA 分析流程及方法

故障模式、影響及危害性分析（FMECA）是設(shè)備綜合保障設(shè)計分析工作的重點。通過分析可以發(fā)現(xiàn)設(shè)備在將來使用中所有可能發(fā)生的故障模式，找出設(shè)計中的薄弱環(huán)節(jié)，通過分析故障原因，研究故障對策，以便改進(jìn)設(shè)計或采取適當(dāng)?shù)念A(yù)防、排除等措施以減輕薄弱環(huán)節(jié)產(chǎn)生的影響，從而提高設(shè)備的可靠性[3]。

FMECA 是由故障模式及影響分析（FMEA）和危害性分析（CA）組成。CA 是對FMEA 的補充和擴展，只有先進(jìn)行F M E A，才能進(jìn)行C A。一般FMECA 按圖2 步驟開展分析。

圖2 FMECA 分析流程圖Fig.2 Analysis flow chart of FMECA

FMEA 主要有2 種分析方法即硬件法和功能法。

硬件法是從構(gòu)成設(shè)備的各部分故障出發(fā)，分析故障原因，按設(shè)備組成自下而上地判斷故障對不同層次部件的影響，確定故障嚴(yán)酷度，進(jìn)而判斷系統(tǒng)、設(shè)備硬件設(shè)計上是否存在缺陷。該分析過程是從最低層次零部件或者設(shè)備開始，逐步向上迭代，直至最上層整個設(shè)備層次。

功能法則是自上而下的分析方法，根據(jù)設(shè)備的功能描述和故障判據(jù)等要求，確定其所有可能的功能故障模式，對每個功能故障模式進(jìn)行分析。

本文采取硬件法進(jìn)行分析。根據(jù)故障判據(jù)，對設(shè)備進(jìn)行故障模式及影響分析（FMEA）。

2.2 危害性分析（CA）

1）定性分析

故障模式概率等級給出了發(fā)生故障的可能程度的定性度量。推薦采用的故障模式概率等級劃分見表2。定性分析可用作可靠性關(guān)鍵件分析依據(jù)。

表2 故障模式概率等級Tab.2 Probability level of failure mode

危害性矩陣是在某個特定嚴(yán)酷度級別下，對每個故障模式危害程度或產(chǎn)品危害度的結(jié)果進(jìn)行比較。危害性矩陣圖的橫坐標(biāo)為嚴(yán)酷度的等級，危害性矩陣圖的縱坐標(biāo)為產(chǎn)品危害度或故障模式危害度或故障模式發(fā)生概率等級，如表3 所示。

表3 危害性矩陣及風(fēng)險指數(shù)Tab.3 Hazard matrix and risk index

關(guān)鍵件是具有關(guān)鍵特性的產(chǎn)品。關(guān)鍵特性是指如有故障可能危及人身安全、導(dǎo)致武器系統(tǒng)或完成所要求使命的主要系統(tǒng)故障的特性。重要件是具有重要特性的產(chǎn)品。重要特性是指該特性雖不是關(guān)鍵特性，但如有故障，可能導(dǎo)致最終產(chǎn)品不能完成所要求使命的特性[4]。

可靠性關(guān)鍵件和重要件的劃分方法可以按照風(fēng)險指數(shù)進(jìn)行，并給予對應(yīng)的MEC 等級（任務(wù)重要性等級）。

表4 可靠性關(guān)鍵件和重要件的劃分表格Tab.4 Classification of reliability critical parts and important parts

2）定量分析

故障模式危害度可根據(jù)下面公式進(jìn)行計算：

其中：Cm為故障模式危害度；β 為故障模式影響概率；α 為故障模式頻數(shù)比，所分析對象所有的故障模式頻數(shù)比之和應(yīng)為1；λp為故障發(fā)生的概率，一般填寫MTBF 的倒數(shù)；t 為適用任務(wù)階段的持續(xù)時間，通常以小時數(shù)或工作循環(huán)次數(shù)表示。

產(chǎn)品的危害度是這一嚴(yán)酷度類別下各故障模式危害度的綜合。可根據(jù)下面公式進(jìn)行計算：

其中：Cr為產(chǎn)品危害度；j 為某產(chǎn)品能夠產(chǎn)生的屬于某一特定危害度類別的故障模式的總數(shù)。

表6 是某型升降類桅桿的CA 定量計算表。

可以看出，液壓升降機、控制盒和集線盒的故障模式危害度比較高。

3 可靠性設(shè)計

某型升降類桅桿的主要功能是為某型觀通設(shè)備提供支撐升降和方位基準(zhǔn)。從表7 可以看到，光電桅桿升降裝置沒有災(zāi)難性故障。

表5 可靠性關(guān)鍵重要產(chǎn)品清單Tab.5 Reliability critical important product list

表6 某型升降類桅桿CA 定量表Tab.6 CA quantitative table of a certain type of lifting mast

根據(jù)可靠性重要產(chǎn)品清單，設(shè)備可靠性關(guān)鍵件和重要件有鋼絲繩機構(gòu)、液壓升降機、控制盒和集線盒。針對可靠性關(guān)鍵件和重要件可能發(fā)生的故障模式，可以從設(shè)計和日常維護(hù)保養(yǎng)中進(jìn)行消除或減輕。

為保證鋼絲繩機構(gòu)受力均勻，通過平衡機構(gòu)對鋼絲繩拉力進(jìn)行調(diào)節(jié)，可有效防止其中某根鋼絲繩受力過大而加劇磨損。如圖3 所示，平衡機構(gòu)長螺母兩端分別為左、右螺紋，通過調(diào)節(jié)長螺母兩端的旋合長度，使平衡塊和平衡支架盡量處于水平位置，可保證四根鋼絲繩張力基本一致，避免鋼絲繩張力不均勻?qū)е履p加劇。此外，定期對鋼絲繩進(jìn)行潤滑，可延長使用壽命。

液壓升降機和集線盒，均為艙外部件，受海水壓力、浸泡、腐蝕，其風(fēng)險為密封圈失效導(dǎo)致泄漏。液壓升降機的密封要滿足耐壓和動密封要求，因此，在設(shè)計時考慮到活塞桿工作時需往復(fù)運動，因此采取活塞桿密封圈、活塞導(dǎo)向帶和O 型密封圈聯(lián)合作用，可有效避免動密封容易失效的隱患。在出廠前，對液壓升降機進(jìn)行內(nèi)壓、外壓試驗，驗證液壓升降機耐壓、密封的性能。對集線盒進(jìn)行外壓試驗，驗證集線盒耐壓、密封的性能。

表7 某型升降類桅桿FMEA 表Tab.7 Attached list FMEA table of a certain type of lifting mast

圖3 鋼絲繩平衡機構(gòu)Fig.3 Wire rope balancing mechanism

此外，在設(shè)備服役期間，定期對液壓升降機密封性進(jìn)行檢測，定期更換集線盒水密插座和密封圈，旨在通過預(yù)防性維修，消除薄弱環(huán)節(jié)帶來的隱患。

控制盒控制設(shè)備的升降動作，是設(shè)備的“大腦”。其故障風(fēng)險為電子元器件老化導(dǎo)致控制盒失去邏輯控制。因此，需準(zhǔn)備電子元器件及電路板的備件以便更換。同時，在電氣設(shè)計時，采取位移傳感器和到位開關(guān)兩種控制模式并聯(lián)設(shè)計，當(dāng)默認(rèn)模式發(fā)生故障時，可切換至備用模式來控制升降。最壞的情況，當(dāng)控制盒無法進(jìn)行電控時，在集成閥組上預(yù)留了手柄，可通過操縱集成閥組手動升降設(shè)備。

4 結(jié) 語

通過對設(shè)備進(jìn)行FMECA 分析，明確了設(shè)備可靠性的關(guān)鍵件和重要件，針對這些關(guān)鍵件和重要件進(jìn)行可靠性設(shè)計。對可能發(fā)生的故障模式，通過預(yù)防性維修（日常維護(hù)、保養(yǎng)、定期更換）等來消除隱患，保持和提高設(shè)備的可靠性水平。

同時，F(xiàn)MECA 分析也初步確定了設(shè)備的維修任務(wù)，為潛艇的綜合保障工作奠定了基礎(chǔ)。