艦炮可靠性指標參數的選擇和確定方法

李 翔

(中國船舶重工集團公司第七一三研究所，河南 鄭州 450015)

艦炮可靠性指標參數的選擇和確定方法

李 翔

(中國船舶重工集團公司第七一三研究所，河南 鄭州 450015)

本文介紹我國艦炮可靠性指標的現狀和現有標準體系中對可靠性指標的要求，提出我國艦炮可靠性指標參數的選取建議，結合某型艦炮研究艦炮可靠性指標的確定方法，對我國艦炮可靠性指標參數的選擇和確定具有參考作用。

艦炮；可靠性；技術指標

1 艦炮可靠性指標的現狀

我國于20世紀80年代以前研制的艦炮一般用射擊故障率λ作為可靠性指標。考核時，通常以停射故障次數r與總發射彈數n的比值來計算故障率，即λ=r/n。

從20世紀80年代開始，新型艦炮的可靠性指標采用機械部分平均故障間隔發數MRBF和電氣部分平均故障間隔時間MTBF來表示。根據GJB451A《可靠性維修性保障性術語》和GJB1909A 《裝備可靠性維修性保障性要求論證》中定義，MRBF和MTBF是艦炮這種可修復產品可靠性的一個基本參數，其度量方法是：在規定的條件下和規定的時間內，產品壽命單位的總數與故障總次數之比。HJB53《海軍艦船裝備可靠性維修性參數選擇及指標確定原則》中定義：艦炮平均故障間隔發數MRBF是在規定的時間內和規定的條件下，平均無故障射擊次數。根據GJB的定義，MRBF應該是基本可靠性；而HJB的定義更應該是任務可靠性，和艦炮的射擊故障率λ一致。在2002年之前，相關艦炮研制總要求中對可靠性指標MRBF和MTBF的合同值給出了一個數值，但沒有明確這是規定值還是最低可接受值，通常做法是在艦炮設計試驗之前，由研制主管部門單獨發文明確最低可接受值在試驗大綱中明確可靠性考核評估方案。

直至2013年，在某型艦炮的研制總要求中對MRBF和MTBF才分別給出了規定值和最低可接受值，但是沒有明確任務剖面和故障判別準則，沒有明確驗證方法和何時或何階段應達到該指標要求。

2 現有標準體系中對可靠性指標的要求

2.1 通用要求

在GJB450A《裝備可靠性要求》中規定可靠性定量要求的范圍為：可靠性定量要求通常應包括任務可靠性要求和基本可靠性要求，可靠性定量要求還包括貯存可靠性和耐久性方面的要求。

基本可靠性參數如平均故障間隔時間MTBF等；任務可靠性參數如平均嚴重故障間隔時間MTBCF等；耐久性參數如使用壽命等。

在GJB1909A《裝備可靠性維修性保障性要求論證》中規定：可靠性指標應根據裝備的類型在論證時提出目標值和門限值，在制訂合同和研制總要求時提出規定值和最低可接受值。也可以只提門限值和最低可接受值，同時還應明確：壽命剖面；任務剖面；故障判別準則；驗證方法（如采用試驗驗證或使用驗證，應包括置信水平、接收或拒收判據等）；何時或何階段應達到；其他假設與約束條件。

在GJB1909A《裝備可靠性維修性保障性要求論證》中給出了目標值、門限值、規定值和最低可接受值的定義：

目標值：用戶期望達到的使用指標。

門限值：完成作戰使用任務（即滿足使用要求）裝備所應達到的最低使用指標。

規定值：用戶期望達到的合同指標。

最低可接受值：要求裝備應達到的合同指標，是裝備定型考核或驗證的依據。

在HJB53《海軍艦船裝備可靠性維修性參數選擇及指標確定原則》中規定：訂購方在提出定量要求之前，應對使命做精確定義，進行使命分析，劃分使命階段，明確任務剖面和壽命剖面，對軟、硬件運行功能、故障判據、成功標準給出明確定義，對任務周期數、環境應力和處于各種環境中的時間給出定量數值。

2.2 對艦炮的具體要求

在GJB1909A《裝備可靠性維修性保障性要求論證》中推薦火炮的可靠性參數優先選用平均故障間隔時間MTBF和平均嚴重故障間隔時間MTBCF。平均嚴重故障間隔時間MTBCF對于不同任務剖面可以是平均嚴重故障間隔發射彈數MRBCF等。使用壽命通常用于身管，也可用于自動機或其他有壽命要求的部、組件。

在GJBz20250《艦炮和艦炮武器系統的戰術技術指標論證方法》中要求：艦炮可靠性指標通常選為平均故障間隔發數MRBF，艦炮隨動系統的可靠性指標通常選為平均故障間隔時間MTBF以及可靠性試驗置信水平γ、判斷風險α，β。

在HJB53《海軍艦船裝備可靠性維修性參數選擇及指標確定原則》中對艦炮系統提出可靠性參數（剪裁適用于艦炮的基本可靠性和任務可靠性）：在論證報告書中，要有平均故障間隔時間MTBF、平均嚴重故障間隔時間MTBCF、平均壽命、平均故障間隔發數等；在研制任務書和合同規格書中，要有平均故障間隔時間MTBF、平均壽命、任務可靠度、置信水平、風險等。并要求：確定武備系統的可靠性和可用性指標必須有詳細的任務方案和時間性要求，否則無法確定。為滿足每一次任務和執行每一次作戰，可靠度指標不能低于0.95。這是所有現行標準中，唯一對艦炮提出的明確的任務可靠度要求。

GJB4000《艦船通用規范》 “711章 艦炮”中對艦炮機械部分平均故障間隔發數MRBF按口徑大小提出了相應要求：大口徑艦炮不低于300發，中口徑艦炮不低于500發，小口徑艦炮不低于1 000發，但沒有明確這是規定值還是最低可接受值。而在該標準“710章 艦炮及保障系統”中對控制部分平均故障間隔時間MTBF不小于150 h的要求則明確為規定值，但沒有最低可接受值的要求。

在GJB39A《艦炮通用規范》中，對可靠性指標的要求與GJB4000《艦船通用規范》中的要求基本一致，對電氣部分平均故障間隔時間MTBF不小于150 h的要求沒有說明是規定值還是最低可接受值。

由上述各有關標準對艦炮可靠性指標的規定看，要求不具體、不明確、不系統、不一致，所以在論證、設計、試驗驗證各個階段的具體執行過程中無所適從，各型艦炮都不一致，且與一級定委可靠性小組的要求存在差距。

3 艦炮可靠性指標參數的選取建議

根據GJB的要求，武器裝備可靠性參數選擇的基本原則是：充分、必要、可論證、可設計、可驗證。

在多個GJB中都要求可靠性定量指標應包括任務可靠性要求和基本可靠性要求，以前艦炮可靠性定量指標中只有基本可靠性指標MRBF和MTBF，且沒有明確任務剖面和故障判別準則，沒有明確驗證方法和何時或何階段應達到該指標要求。

平均故障間隔發數（時間）MRBF（MTBF）是基本可靠性指標，指艦炮在規定的條件下，規定的時間內，無故障工作的能力。它反映艦炮對維修資源的要求。它與產品所處的環境條件、應力條件、壽命周期有關，也就是與“壽命剖面”確定的條件有關。確定平均故障間隔發數（時間）MRBF（MTBF）時，應統計產品的所有壽命單位和所有的關聯故障。

平均嚴重故障間隔發數（時間）MRBCF（MTBCF）是一個任務可靠性指標，指產品在規定的任務剖面內完成規定功能的能力，也就是與“任務剖面”有關。對艦炮來講，就是在執行規定的任務時，艦炮能夠完成射擊任務的能力，只統計影響射擊的嚴重故障，更能準確地反映艦炮的實際能力。

為完善艦炮可靠性定量指標體系，建議艦炮可靠性指標采用如下參數：

1）任務可靠性參數

平均嚴重故障間隔發數MRBCF，明確規定值和最低可接受值。

2）基本可靠性參數

機械部分平均故障間隔發數MRBF，明確規定值和最低可接受值；

電氣部分平均故障間隔時間MTBF，明確規定值和最低可接受值。

3）耐久性指標

身管壽命或自動機壽命。

4）全炮壽命

明確壽命剖面、任務剖面、故障判別準則和驗證方法。

4 艦炮可靠性指標的確定方法

4.1 確定艦炮任務可靠性目標值

1）明確艦炮任務需求和作戰使用方案；

2）明確艦炮的壽命剖面，描述艦炮壽命周期內所經歷的全部事件和環境時序，是艦炮使用的約束條件，包括任務周期、使用環境特征描述以及各類環境條件的時序和持續時間等。

如某型艦炮的壽命剖面（見圖1），與所裝艦艇的壽命剖面一致。壽命剖面內事件的持續時間（見圖2）。

圖 1 某型艦炮的壽命剖面Fig. 1 The life profile of the naval gun

3）明確艦炮的典型任務剖面，描述艦炮典型任務從開始到結束的全過程，主要包括訓練任務剖面和作戰任務剖面，包括各階段任務的定義及時序關系和持續時間、任務成功的判據準則、各種任務的相對頻度以及任務所涉及的裝備主要系統及其使用強度。

如某型艦炮的典型作戰任務剖面為：

①典型作戰任務剖面內的事件及時序

圖 2 壽命剖面內事件的持續時間Fig. 2 The duration of events in a life profile

作戰任務剖面包括準備階段、作戰階段和結束階段。剖面內的事件及時序見圖3。

②典型作戰任務剖面內各事件持續時間

總時間＜4 h。其中，供彈系統先裝32發常規彈藥，首發彈停在1號位。射擊時間由射擊方式決定。按最大射速射擊時，連射1 min后停射1 min，射完32發常規彈所需時間≥2.5 min；準備階段所需的人工動作＜20 min；結束階段所需的人工動作＜20 min；其余時間為待命時間。

③故障判別準則

按GJB451A的規定，故障定義如下：產品不能執行規定功能的狀態。因預防性維修或其他計劃性活動或缺乏外部資源造成不能執行規定功能的情況除外。

如某型艦炮故障判別準則為：在執行各類任務時，凡不能完成任務或主要性能指標不能滿足規定要求或影響功能發揮引起維修的，均記為故障。其中造成停射的故障為嚴重故障。例如：提前關閂；揚彈不到位等。

4）確定艦炮任務可靠度：根據典型任務剖面和任務成功準則，參考相似裝備，論證給出艦炮任務可靠度定量要求。

按照HJB53《海軍艦船裝備可靠性維修性參數選擇及指標確定原則》，對艦載武備系統，為滿足每一次任務和執行每一次作戰，可靠度指標不能低于0.95。這是所有現行標準中，唯一對艦炮提出的明確的任務可靠度要求。另外，根據部隊當前對艦炮的使用要求越來越高、使用頻度越來越大、實戰化要求越來越嚴等現狀，可以初步確定艦炮的任務可靠度Rm為 0.95。

5）根據任務可靠度要求，計算艦炮MRBCF的目標值。

對艦炮來說，執行典型作戰任務時可靠完成射擊任務最為重要，不能發生引起停射的嚴重故障。因此，艦炮平均嚴重故障間隔發數（時間）可由下式確定：

由此可計算出某型艦炮在執行一次典型任務時，保證任務可靠度為0.95，完成發射32發彈不出現停射故障的平均嚴重故障間隔發數MRBCF需大于等于624發，平均嚴重故障間隔時間MTBCF需大于等于39 h。

對其他典型任務也可進行類似分析，綜合考慮可確定該型艦炮平均嚴重故障間隔發數MRBCF的目標值為650發，平均嚴重故障間隔時間MTBCF需大于等于40 h。

圖 3 某型艦炮典型作戰任務剖面內的事件及時序Fig. 3 Event sequence in a typical combat mission profile of a naval gun

4.2 確定艦炮基本可靠性目標值

根據確定的艦炮MRBCF的目標值，從以下方面協調確定MRBF的目標值：

1）可參考相似艦炮的MRBF值，根據艦炮與國內外相似裝備的對比，以及新裝備對舊裝備（原型裝備）的技術繼承程度，在相似艦炮MRBF值的基礎上進行權衡；

2）考慮艦炮的復雜程度，如為了提高艦炮的任務可靠性，采用了冗余設計、增加了艦炮零部件數量，這些措施會降低艦炮的基本可靠性。

可由下式確定MRBF值：

其中：K1為嚴重故障系數；K2為復雜系數；K3為成熟度系數。

通過統計，某型艦炮試驗時發生的嚴重故障占全部故障的60%左右，因此可取K1=0.6。

某型艦炮設計時，考慮兼容發射多種彈藥、左右通道互為備份，結構復雜，全炮零件達6萬余個，因此可取K2=0.8。

某型艦炮發射系統參考了國外某型艦炮的設計，供彈系統、電氣系統為新研結構，可取K3=0.8。

因此，初步確定該型艦炮的MRBF目標值為：

同時，參考GJB39A《艦炮通用規范》和GJB4000《艦船通用規范》中關于大口徑艦炮平均故障間隔發數應不低于300發的要求，確定該型艦炮的MRBF目標值為300發。

4.3 根據艦炮可靠性目標值確定門限值

根據確定的艦炮可靠性目標值，考慮艦炮可靠性可能的增長潛力，可利用如基于Duane模型等方法確定門限值，以確保門限值通過未來的增長過程能最終達到目標值。

基于Duane模型的門限值確定方法包括如下步驟：

1）確定新研艦炮成熟期

假設某型艦炮先期有13門炮服役，每門炮累計射擊500發彈時，艦炮進入成熟期，即到成熟期時，累計發射彈數為6 500發。

2）給出影響艦炮可靠性增長的各種因素

艦炮可靠性增長率的影響因素包括復雜程度、進度要求、技術水平、研制經費投入、部隊使用頻度、FRACAS（故障報告、分析和糾正措施系統）運行有效性等6個因素。

3）計算各因素對于可靠性增長的權重系數（可用簡單評分法與層次分析法2種方法）

假如采用層次分析法計算出各影響因素的權重為：

4）影響因素的綜合評判和增長率計算

假如采用模糊綜合判斷法進行計算，得出評判矩陣R、評語集V，則可計算出增長率：

5）利用Duane模型公式得到門限值

式中：MRBFL，MRBCFL為可靠性門限值，MRBFm，MRBCFm為可靠性目標值，R0為設計定型前進行的部隊試驗彈數（假設為180發），R為艦炮設計定型結束到成熟期的累計使用彈數（6 500發），m為可靠性增長率（0.189 7）。則有：

4.4 根據艦炮可靠性目標值/門限值確定規定值/最低可接受值

將艦炮可靠性目標值/門限值轉換為規定值/最低可接受值，作為合同參數指標，按照GJB1909A的規定，轉換時應有以數據位基礎的轉換系數，必要時也應建立轉換模型。

確定轉換系數時應考慮因素包括：

1）艦炮的復雜程度；2）艦炮技術成熟度；3）國內技術發展水平；4）經費承受能力；5）研制周期。

目前，也沒有成熟的轉換方法，一般按經驗進行。可將目標值/門限值按轉換系數為1轉換為規定值/最低可接受值。

5 結 語

本文以相關標準為依據，分析了艦炮可靠性指標參數的選擇和指標確定方法，并以某型艦炮為例進行具體分析和計算。但在分析過程中存在以下問題：

1）由于對艦炮的作戰使用研究不夠，特別是缺少詳細的任務方案和時間性要求，對于艦炮的任務剖面描述不夠精確。

2）對于艦炮任務可靠度確定的合理性需要認真分析。

3）新研艦炮成熟期的預計缺乏依據，仍需深入研究。

4）上述分析中，一些數據為假設數據，只是為了說明方法。

[1]GJB451A《可靠性維修性保障性術語》

[2]GJB1909A《裝備可靠性維修性保障性要求論證》

[3]HJB53《海軍艦船裝備可靠性維修性參數選擇及指標確定原則》

[4]GJBz20250《艦炮和艦炮武器系統的戰術技術指標論證方法》

[5]GJB4000《艦船通用規范》

[6]GJB39A《艦炮通用規范》

[7]王自立. 可靠性維修性保障性要求論證[M]. 北京: 國防工業出版社, 2011.

[8]龔慶祥. 型號可靠性工程手冊[M]. 北京: 國防工業出版社,2007.

The option and determination methods for the parameters of the naval gun reliability indexes

LI Xiang
(The 713 Research Institute of CSIC, Zhengzhou 450015, China)

The status of naval gun reliability indexes in our country and the requirements for the indexes of the current standard system are introduced and the suggestions for option of the naval gun reliability parameters are put forward. Furthermore, the determination methods for the indexes are studied by taking certain type of naval gun as an example, providing reference for option and determination of the naval gun reliability indexes in our country.

naval gun；reliability；technical index

TJ302

A

1672-7649(2017)11-0178-05

10.3404/j.issn.1672-7649.2017.11.034

2017-10-17

李翔(1966-)，男，研究員，主要從事艦炮總體技術研究。