一種電動力魚雷實航工作可靠度評估方法

朱文振,王松林,王 昊

(中國人民解放軍 91388部隊,廣東 湛江,524022)

一種電動力魚雷實航工作可靠度評估方法

朱文振,王松林,王 昊

(中國人民解放軍 91388部隊,廣東 湛江,524022)

針對一次動力電池可用于實航試驗子樣數很少的局限性,單純采用經典可靠性評估方法難以滿足魚雷工作可靠性試驗鑒定需求。通過分析電動力魚雷可靠性結構,設計全雷工作可靠性試驗方案,提出全雷實航工作可靠度評估方法。計算實例表明,該方法簡單實用,在僅有少量一次動力電池的條件下,可準確做出高置信水平的電動力魚雷全雷實航可靠度評估。

電動力魚雷; 一次動力電池; 可靠度評估

1 魚雷實航可靠度經典評估方法

1.1 經典成敗型可靠性評估方法

按照實航可靠度指標的定義,隨機抽取定型批量生產的魚雷樣本,按照實際作戰使用要求及任務剖面要求,在實際使用環境下進行實航試驗,統計實航總次數和發生的責任故障數,采用經典成敗型檢驗方法計算實航工作可靠度。該方法優點是由于采用較大樣本量,實航試驗足夠多,統計數據準確,能夠反映魚雷實際實航可靠性; 缺點是需要批生產一次動力電池數量較多,難以滿足設計定型考核要求。

1.2 經典指數型可靠性評估方法

將魚雷實航可靠度指標轉換為平均故障間隔時間(mean time between failure,MTBF)指標,采用定時截尾的試驗方案,在試驗室內模擬魚雷現場使用的綜合應力環境,將試驗樣件置于其中進行試驗,統計試驗時間和發生的責任故障數,按照事先確定的試驗統計方案,計算魚雷的實航可靠性指標。該方法優點是可以充分利用試驗室模擬條件進行試驗,試驗環境條件可以很好受控,不需要較多地占用實航保障資源; 缺點是試驗時間和試驗樣本量較大。

2 全雷實航工作可靠度試驗方法

2.1 總體思路

全雷的實航工作可靠度試驗數據來自正浮力操雷、模擬戰雷實航試驗數據以及一次動力電池陸上試驗數據。可以將全雷視為由一次電池段和操雷除去二次電池、操雷段的其他部分組成的系統進行考核,按照金字塔的評估方法給出可靠性評估結論。將全雷分解成一次動力電池A與非一次動力電池B 這2個串聯系統[2-3],其中B由全雷結構、自導系統、控制系統、線導系統、引信系統及電機系統等組成。如圖1所示。

2.2 非一次動力電池實航試驗方法

根據非動力電池實航工作可靠度規定值P0、最低可接受值P1、雙方風險α、β等指標規定的條件下,采用經典二項分布假設檢方法[4],可計算非動力電池試驗樣本量為

圖1 全雷系統結構圖Fig. 1 System structure of whole torpedo

2.3 一次動力電池陸上試驗方法

根據一次電池中的工作特點,可將其分為一次性工作的成敗型部件和可持續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、氣液分離器、電液循環泵等都屬于可持續工作壽命型部件[5-6]。

1) 壽命型部件試驗

一次動力電池實航時典型工作方式有全高速航程工作或混速制航程工作方式,最長工作時間為t小時,根據一次動力電池最低可接受值的可靠性指標,將其轉換為MTBF最低可接受值為

假設使用方風險β為20%,若采用GJB899A的方案20,則一次動力電池壽命型部件工作試驗時間如表1。

表1 壽命件定時截尾試驗方案Table 1 Time terminated test plan of life component

2) 成敗型部件試驗

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閉,是典型的成敗型工作方式,由于各單次動作的部件在一個實航剖面內僅動作一次,可將其試驗時間轉換為試驗次數。

3 全雷實航工作可靠度評估方法

3.1 指數型數據轉換為成敗型數據方法

當Z=0時,f=0,n=η。

3.2 成敗型串聯單元評估方法

1) 當不存在無故障單元時,假設si和ni分別為第i個單元試驗的成功次數和試驗次數,n′和s′分別為由單元試驗數據折合等效成系統試驗的試驗次數和成功次數,可采用修正極大似然法(modified maximum likelihood,MML)[7-8],得到折合關系為

若系統本身也有試驗,且試驗數據為(s0,n0),則得到全雷試驗數據為

用不完全Beta分布與F分布的關系表示為

2) 當ni或si數量太少且(即無失效)時,式(4)不適用,利用序貫壓縮法(sequential reduction,SR)對數據進行一次壓縮[9]。設系統由m個成敗型單元串聯而成,第i個單元的試驗數據為按由大到小順序排序:

其中有j個單元無失效,即成功次數等于試驗次數,并假設無失效單元中試驗次數最少的單元試驗數據為,舍去其余的失效單元,在有失效單元中找出試驗次數小的單元,設為

3.3 全雷實航工作可靠度評估方法

按照指數型數據轉換為成敗型數據方法,將壽命型、成敗型陸上試驗數據折合成一次動力電池陸上試驗數據。根據電動力魚雷全雷串聯結構,綜合利用一次電池陸上試驗數據、剔除二次動力電池的操雷實航試驗數據和模擬戰雷實航試驗數據,按照單元試驗數據折合成全雷試驗數據方法,可計算全雷實航工作可靠度。電動力魚雷全雷實航可靠性評估流程見圖2。

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

4 算例

假設一型電動力魚雷一次電池實航可靠度規定值為0.998 32、最低可接受值為0.995 14,全雷實航工作可靠度規定值為 0.90,最低可接受值為0.8,置信度為0.8。

1) 一次動力電池陸上試驗數據。假設一次動力電池工作任務時間為1 h,根據其可靠性指標要求,由式(2)可得,MTBF最低可接受值為205.3 h,參照表 1中的試驗方案,確定一次動力電池各壽命型部件無故障累計工作試驗時間為331 h,各成敗型部件無故障試驗 331次。由式(3),將指數型試驗數據轉換為成敗型數據為(331,331),則一次動力電池陸上試驗數據為(331,331)。

2) 將模擬戰雷實航試驗數據等效于單元試驗數據。假設配一次電池模擬戰雷實航試驗4條次,成功 3條次,其中一次電池段未出現失效。則配模擬戰雷實航試驗數據(3,4)等效為 A單元試驗數據(4,4),B單元試驗數據(3,4)。

3) 折合成單元試驗數據。將步驟1)、2)折合為單元試驗數據,得A單元試驗數據(335,335),B單元試驗數據(3,4)。

4) 利用SR法對折合后獲得的單元試驗數據進行壓縮。將步驟(3)中無失效 A單元數據(335,335)、失效B單元數據(3,4),由式(8),按SR法進行一次壓縮,綜合得到單元數據為

5) 用MML法將壓縮后獲得的數據折合成全雷級試驗數據。將步驟 4)中的單元試驗數據,由式(4),按MML法將壓縮后獲得試驗數據為

假設配二次電池段操雷實航試驗 47條次,成功 42條次(剔除二次電池故障外)。利用式 5),得到全雷級試驗數據為

6) 計算全雷可靠度置信下限

5 結束語

在魚雷型號研制工程中,受制于可用于實航試驗的一次動力電池子樣數很少的客觀條件,單純采用經典可靠性評估方法難以滿足魚雷工作可靠性試驗鑒定需求。通過建立電動力魚雷全雷可靠性串聯結構,提出全雷實航工作可靠度試驗方法,僅在保障少量一次動力電池實航試驗的條件下,綜合利用一次動力電池陸上試驗、二次電池操雷實航試驗和模擬戰雷實航試驗等數據,能夠完成高置信水平的電動力魚雷實航工作可靠度試驗鑒定任務,可節省電動力魚雷的研制經費,縮短試驗周期。

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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. 一種電動力魚雷實航工作可靠度評估方法[J]. 水下無人系統學報,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,高級工程師,主要研究方向為魚雷試驗技術.

(責任編輯: 許 妍)

實航工作可靠度是魚雷可靠性的一項重要指標,也是可靠性鑒定試驗的一項重要內容。實航工作可靠度指標要求是針對全雷提出的,受研制費用、周期的限制,電動力魚雷通常采用少量模擬戰雷與絕大部分正浮力操雷相結合方式進行實航試驗。電動力魚雷模擬戰雷與正浮力操雷的差別主要體現在動力電池,模擬戰雷配置一次動力電池,正浮力操雷配置二次動力電池。一次動力電池具有一次使用、造價昂貴、工作不可逆等特點,其試驗次數非常有限,甚至僅有少量幾次試驗,全雷級試驗數據的不足導致工作可靠性評估結果置信下限偏低,不能準確反映電動力魚雷固有可靠性的水平[1]。在電動力魚雷型號研制工程中,構成全雷的分系統或組部件通常都有較多的試驗數據,而系統的可靠性水平往往取決于分系統和組部件的可靠性水平,在配置一次動力電池模擬戰雷的樣本數量較少的條件下,若能夠充分利用一次動力電池陸上試驗、二次電池操雷實航試驗和模擬戰雷實航試驗等數據,就能夠做出高置信水平的全雷實航工作可靠度評估。