艦船通用質量特性設計要求淺析

姜華

摘? ? 要：在艦船立項論證、方案設計階段，需根據(jù)艦船主要用途和航行環(huán)境條件貫徹通用質量特性設計要求，提升通用質量特性設計能力，保障艦船交付使用后的功能可靠性和性能指標的先進性。

關鍵詞：艦船;全壽命;通用質量特性;可靠性

中圖分類號：U673.2? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Abstract： According to the main tasks and navigation environment conditions of ships， the design requirements of universal quality characteristics for full life span should be implemented in the stage of demonstration for project approval and technical design， and the developer should continuously improve the design capability of universal quality characteristics， so as to effectively guarantee the functional reliability and advanced performance index of ships after delivery.

Key words： Ship; Full life span; General quality characteristics; Reliability

1? ? 引言

隨著新型艦船裝備高新技術應用不斷增加、技戰(zhàn)術性能不斷增強，艦船的可靠性、維修性、保障性、測試性、安全性、環(huán)境適應性（統(tǒng)稱為通用質量特性）和可用性不斷改善。在新型艦船的研制過程中，通用質量特性已經(jīng)成為與技戰(zhàn)術性能等專用質量特性同等重要的指標。如何切實滿足艦船的可用度和可靠度等要求，在使用中能夠形成和保持有效的戰(zhàn)斗力，是艦船設計迫切需要解決的問題。要進一步提高艦船設計的可靠性質量，關鍵是要樹立以通用質量特性要求為產(chǎn)品設計主要質量目標的設計理念，提升通用質量特性設計能力，降低產(chǎn)品研制風險，從而有效保障艦船交付使用后的功能可靠性和性能指標的先進性。本文對某近海巡邏船方案設計階段通用質量特性的可靠性和維修性設計進行了總結。

2? ? 艦船通用質量特性設計

2.1? ?艦船裝備通用質量特性分析

在以往的艦船設計中，重點關注的是艦船的航速、續(xù)航力、轉彎半徑、排水量等質量特性，我們稱之為專用質量特性;與之相伴的是艦船的可靠性、維修性、保障性、測試性、安全性和環(huán)境適應性等質量特性，我們稱之為通用質量特性。艦船通用質量特性設計水平的高低，直接體現(xiàn)艦船使用功能與性能指標的優(yōu)劣程度。

GJB9001C-2017《質量管理體系》中，要求武器裝備承制單位在策劃和控制過程中依據(jù)GJB450等通用標準的要求，確定產(chǎn)品通用質量特性設計項目，編制通用質量特性工作計劃，結合系統(tǒng)設計目標開展產(chǎn)品通用質量特性設計、分析、驗證等[1]。通用質量特性的設計和管理必須貫穿產(chǎn)品設計的各個階段，每個階段的目標之一就是不斷完善各項通用質量特性指標。

艦船設計階段一般可劃分為：立項論證、方案設計、工程研制、設計定型（鑒定）、生產(chǎn)（工藝）定型五個階段[2]。雖然五個階段的設計范圍和深度不同，但 通用質量特性設計要求在每個階段都是衡準之一。艦船通用質量特性設計就是圍繞艦船用途、系統(tǒng)功能和性能指標、使用環(huán)境條件等提出最優(yōu)性價比的總體設計方案，在產(chǎn)品建造前充分評估系統(tǒng)功能與指標的合理性、使用環(huán)境的適宜性、主要設備組成的必要性等，尤其是通過對標類似艦船邊界約束條件最終確定通用質量特性技術要求。

2.2? 艦船通用質量特性設計要求與驗證標準

艦船通用質量特性設計，主要根據(jù) GJB 450A-2004《裝備可靠性工作通用要求》、GJB368A-1994《裝備維修性通用大綱》、GJB2547-1995《裝備測試性大綱》和GJB 2547A-2012《裝備測試性工作通用要求》、GJB900-1990《系統(tǒng)安全性通用大綱》等設計標準開展，設計結果要在每一個設計階段進行審查、驗證并進行完善。

艦船各項通用質量特性的設計和驗證是相互聯(lián)系和影響的，在艦船產(chǎn)品設計過程中，必須針對通用質量特性設計、管理要求，研制方、承制方、監(jiān)督方需統(tǒng)籌考慮，優(yōu)化資源配置，努力實現(xiàn)產(chǎn)品通用質量特性和專用質量特性設計水平達到總體最優(yōu)化。

3? ? 某船方案設計階段可靠性和可維修性設計

我院新近設計的一艘近海巡邏船，主要用途是在我國沿海地區(qū)執(zhí)行巡邏警戒等任務。如何開展好以可靠性為設計質量目標的質量管理工作、高質量完成該型艦船的設計任務，對我院具有十分重要的意義。必須從《質量保證大綱》開始，貫徹相關通用質量特性標準和規(guī)范要求，認真進行工作策劃，確定設計輸出文件與過程支撐文件（包括論證評估報告、模擬仿真試驗、水池模型試驗等），分階段開展通用質量特性設計與驗證工作。按照GJB450A等標準工作項目，明確該船方案設計階段通用質量特性設計工作主要以可靠性、維修性等通用質量特性為主，具體工作則根據(jù)設計深度不同而貫穿整個設計各個階段。根據(jù)GJB5530-2006《艦船設計圖樣和技術文件審查規(guī)定》和實際需要，確定方案設計基本內容。

3.1? 艦船可靠性設計目標

固有可用度0.85總體任務可靠度0.70;任務可靠度（最低0.65）。其中：

動力系統(tǒng)任務可靠度>0.85，固有可用度>0.90;

電力系統(tǒng)任務可靠度>0.90，固有可用度>0.92;

通信系統(tǒng)任務可靠度>0.92，固有可用度>0.95;

導航系統(tǒng)任務可靠度>0.92，固有可用度>0.95;

專用系統(tǒng)任務可靠度>0.90，固有可用度>0.92;

操控系統(tǒng)任務可靠度>0.90，固有可用度>0.92;

錨泊系統(tǒng)任務可靠度>0.92，固有可用度>0.95。

3.2? 艦船可靠性模型

艦船功能劃分為三個等級：系統(tǒng)級（L1）;子系統(tǒng)級（L2）;設備級（L3）。分別建立可靠性基本模型和任務模型：

3.2.1基本模型

基本模型是用以評估產(chǎn)品及其組成設備故障引起的維修及保障條件的模型。系統(tǒng)中任一設備發(fā)生故障后都需要維修或更換，所以也可把它當做測算使用成本的一種模型。基本模型是一個全串聯(lián)模型，即使存在冗余單元也都可以按串聯(lián)方式處理。

基本模型主要由：船舶裝置、推進系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、通信導航系統(tǒng)等組成，如圖1所示。

各主要子系統(tǒng)級、設備級基本模型，如圖2～6所示。

3.2.2任務模型

任務模型是用以評估產(chǎn)品在執(zhí)行任務過程中完成規(guī)定功能的程度，描述完成任務過程中產(chǎn)品各設備模塊的預定作用，用以評估任務實現(xiàn)有效性的一種模型。

任務模型組成，如圖7所示。

各主要子系統(tǒng)級、設備級任務模型，如圖8～12所示。

3.3? 艦船可靠性數(shù)學模型

艦船可靠性模型主要分為：串聯(lián)模型和并聯(lián)模型兩大類。

3.3.1串聯(lián)模型

串聯(lián)系統(tǒng)各分系統(tǒng)的可靠性服從指數(shù)分布，其可靠性數(shù)學模型如下：

式中：Rs為系統(tǒng)可靠度;Ri為第i個分系統(tǒng)可靠度;λs為系統(tǒng)失效率;λi為第i個分系統(tǒng)失效率;n為分系統(tǒng)數(shù);t為系統(tǒng)工作時間;MTBFs為系統(tǒng)平均故障間隔時間。

3.3.2并聯(lián)模型

設并聯(lián)系統(tǒng)各分系統(tǒng)相同，且可靠性服從指數(shù)分布，其可靠性數(shù)學模型如下：

式中：Rs（t）為系統(tǒng)可靠度;λs（t）為系統(tǒng)失效率;λ為分系統(tǒng)失效率;n為分系統(tǒng)數(shù);t為系統(tǒng)工作時間;MTBFs為系統(tǒng)平均故障間隔時間。

3.4? 艦船可靠性與維修性分配方法

3.4.1可靠性分配方法

設系統(tǒng)的可靠性指標為λs，分配給每個單元的故障率λi可表示為：

式中，i=1，2， …，n為單元數(shù);ci為第i個單元的評分系數(shù)。ωi為第i個單元的評分數(shù);ω為系統(tǒng)的評分數(shù)。rij為第i個單元第j個因素的評分數(shù);j=1為復雜度：組成與結構最復雜的評10分，最簡單的評1分;j=2為技術水平：技術和工藝水平最低的評10分，最高的評1分;j=3為工作時間：壽命周期內工作時間最長的評10分，最短的評1分;j=4為環(huán)境條件：所處環(huán)境條件最差的評10分，最好的評1分。

3.4.2維修性分配方法

采用故障率分配法對維修性進行分配，其分配原則是單元的故障率越高，分配的維修時間就越短;反之則長。具體步驟如下：

（1）確定第i種單元的數(shù)量Qi;

（2）確定單個單元的故障率λss;

（3）確定第i種單元的總故障率λi，即第i種單元的數(shù)量Qi與其單個單元故障率λss的乘積，即λi=Qiλss;

（4）確定每個單元的故障率對總故障率影響的百分數(shù)，即確定每個單元的故障率加權因子Wi：

（5）計算各單元的平均修復時間：

式中：MTTR為系統(tǒng)的平均修復時間;MTTRi為第i種單元的平均修復時間。

3.5? 艦船可靠性與維修性指標分配

艦船固有可用度為0.85，固有可靠度表達式為：

式中：A為系統(tǒng)的固有可用度;MTBF為系統(tǒng)的平均故障間隔時間;MTTR為系統(tǒng)的平均修復時間。

根據(jù)以往類似艦船設備的維修時間情況，將MTTR定為2小時，則系統(tǒng)的平均故障間隔時間為：

由此可確定艦船的可靠性與維修性指標分別為：MTBF=11.4（h）、MTTR=2（h）。

艦船系統(tǒng)的可靠性與維修性指標分配，如表2所示。

3.6? 結論

針對該船的可靠性與維修性工作要求，首先建立了艦船可靠性模型和相應的可靠性、維修性分配方法，在此基礎上將可靠性指標與維修性指標分配到各系統(tǒng)、子系統(tǒng)和設備。艦船可靠性與維修性指標分配結果，可作為首船研制的設計依據(jù)。

4? ?經(jīng)驗與體會

在艦船型號研制過程中，不斷細化和修正通用質量特性設計內容，可有效促進質量可靠性，增強和改善技戰(zhàn)術能力。通用質量特性設計及其規(guī)范化、標準化工作的持續(xù)改進，將是艦船型號研制工作不變的主題和目標。結合自身的工作體會和經(jīng)驗，提出下列建議以供同行參考。

（1）頂層策劃，自上而下推進

質量特性工作涉及可靠性、維修性、保障性等具體專業(yè)技術，不只是總體設計技術單位和總裝建造單位要負責落實相關工作，還涉及眾多的配套單位。因此，頂層領導要重視通用質量特性設計工作，確保足夠的資源投入，項目人員要全面覆蓋各個專業(yè)領域，從而確保通用質量特性設計標準貫徹落實到位。

（2）轉變設計理念，開展人員培訓

通用質量特性設計人員要轉變設計理念和質量意識，不能只關注專用質量特性指標，而要從立項論證工作開始就關注通用質量特性設計要求的落實，將通用質量特性工作要求融入艦船型號研制的全過程。

（3）開放合作，打造設計標準

通用質量特性設計工作涉及多個學科領域，而艦船設計人員的能力與經(jīng)驗更多側重于各自的專業(yè)，在通用質量特性設計的專業(yè)深度和廣度上都存在不足。因此需要在實際工作中引入專業(yè)的管理機構進行輔導，對選定的項目進行策劃，使工作成果成為其他項目的工作標準。

（4）及時總結，提升設計能力

通用質量特性設計水平的提高，需要通過多個項目的設計總結才能逐步完成，甚至需要通過關鍵技術攻關才能實現(xiàn)。通用質量特性設計能否達到要求，還必須通過多種試驗方法來進行驗證。

通用質量特性設計人員要提高站位，站在全單位的角度，結合項目質量管理體系要求，梳理好通用質量特性設計工作流程，建立通用質量特性設計規(guī)范標準，提升通用質量特性設計工作的軟硬件平臺，形成一些具體案例，不斷提升通用質量特性設計水平。

5? ?結束語

由于經(jīng)驗和項目設計輸入等條件的限制，本文僅根據(jù)對相關標準的理解進行某船品開展通用質量特性分析，許多通用質量特性設計內容、標準還有待進一步理解、驗證和改進。期望與同行一道在今后的艦船研制工作中，以通用質量特性設計為產(chǎn)品主要設計質量目標，在產(chǎn)品質量管理體系中解決新產(chǎn)品開發(fā)過程中的設計質量、技術狀態(tài)控制等實際問題，切實提升艦船設計和項目管理質量水平。

參考文獻

[1] GJB9001C-2017質量管理體系要求[S].

[2]羅新華，高俊峰.裝備研制過程質量監(jiān)督[M]. 國防工業(yè)出版社，2013.