基于應(yīng)力分析的導(dǎo)彈測試設(shè)備可靠性預(yù)測方法

張 磊，劉丙杰，肖 凡

（海軍潛艇學(xué)院，青島，266199）

0 引 言

由于現(xiàn)代導(dǎo)彈測試設(shè)備越來越精密、復(fù)雜，設(shè)備可靠性必然對測試設(shè)備的整體性能產(chǎn)生至關(guān)重要的影響，因此對導(dǎo)彈測試設(shè)備開展可靠性預(yù)測是提高裝備完好性和使用可靠性的有效舉措，對導(dǎo)彈裝備保障以及提升部隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力有著重要意義?？煽啃灶A(yù)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(gè)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(hù)使用的過程控制提供依據(jù)。文獻(xiàn)[1]針對基于單一神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的軟件可靠性模型預(yù)測精度低和可信性差的問題，提出一種基于加權(quán)信息熵的算法；文獻(xiàn)[2]通過故障模式分析和概率設(shè)計(jì)與分析，借助專業(yè)的概率分析軟件，對某雷達(dá)電子機(jī)箱結(jié)構(gòu)件進(jìn)行失效概率分析和定量的壽命預(yù)測；文獻(xiàn)[3]根據(jù)導(dǎo)彈貯存狀態(tài)下的定期批檢結(jié)果，采用“殘差平方和（R2）”最小原則，給出一定服役期內(nèi)導(dǎo)彈故障率，以某型導(dǎo)彈定期檢測數(shù)據(jù)信息進(jìn)行壽命預(yù)測分析，為導(dǎo)彈延壽可靠性分析提供借鑒；文獻(xiàn)[4]根據(jù)大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，基于應(yīng)力-強(qiáng)度干涉理論建立了導(dǎo)彈彈射動(dòng)力裝置殼體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的可靠性模型；文獻(xiàn)[5]針對導(dǎo)彈系統(tǒng)技術(shù)復(fù)雜、貯存樣本量受限、測試數(shù)據(jù)波動(dòng)性較大等特點(diǎn)，提出了基于改進(jìn)GM（1，1）模型的導(dǎo)彈貯存可靠性預(yù)測方法；文獻(xiàn)[6]分別從單元和系統(tǒng)2 個(gè)層次定量地研究了測試對導(dǎo)彈發(fā)射可靠性預(yù)測的影響，找出對導(dǎo)彈發(fā)射可靠性預(yù)測結(jié)果影響較大的單元；文獻(xiàn)[7]針對導(dǎo)彈貯存可靠性預(yù)測存在的非線性、小樣本、非概率問題，提出了一種基于相關(guān)向量機(jī)的導(dǎo)彈貯存可靠性預(yù)測方法；文獻(xiàn)[8]為了更準(zhǔn)確預(yù)測導(dǎo)彈貯存可靠性，分別基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Back Propagation）和徑向基函數(shù)網(wǎng)絡(luò)（Radical Basis Function，RBF）對某型艦艦導(dǎo)彈的貯存可靠性進(jìn)行了預(yù)測。以上文獻(xiàn)對可靠性預(yù)測在設(shè)備維護(hù)使用中的應(yīng)用進(jìn)行了說明，本文采用應(yīng)力分析法對某型導(dǎo)彈測試設(shè)備開展故障預(yù)測工作。

1 應(yīng)力分析法的基本原理

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

元器件應(yīng)力表達(dá)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(yīng)力系數(shù)；Qπ 為質(zhì)量系數(shù)。

假設(shè)系統(tǒng)由M 個(gè)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(yù)測

導(dǎo)彈測試設(shè)備主要用來完成導(dǎo)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(zhuǎn)換工作、顯示電路工作狀態(tài)、對導(dǎo)彈進(jìn)行測試，并實(shí)施發(fā)射。導(dǎo)彈測試設(shè)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(yùn)用應(yīng)力分析法進(jìn)行設(shè)備的可靠性預(yù)測時(shí)，需要對組成設(shè)備的各類元器件分別采用應(yīng)力分析法進(jìn)行可靠性預(yù)測。

2.1 繼電器可靠性預(yù)測

2.1.1 非工作狀態(tài)下失效率模型

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

式中 λNb為產(chǎn)品非工作狀態(tài)基本失效率，（固體繼電器）； πNE為產(chǎn)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(nèi)環(huán)境），為產(chǎn)品非工作狀態(tài)質(zhì)量系數(shù)（以下質(zhì)量系數(shù)都針對A1 級產(chǎn)品）， πNQ=0.3。則單個(gè)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(zhì)量系數(shù)，πQ=0.15； πL為成熟系數(shù)（符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，已穩(wěn)定生產(chǎn)），πL=1；πC2為結(jié)構(gòu)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(yīng)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(yù)測

2.2.1 非工作狀態(tài)下失效率模型

單個(gè)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(gè)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(gè)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(jié)構(gòu)系數(shù)（針孔），Cπ =0.3，則單個(gè)接插件平均失效率為 λP=0.0076。

2.3 開關(guān)可靠性預(yù)測

2.3.1 非工作狀態(tài)下失效率模型

單個(gè)開關(guān)非工作狀態(tài)下失效率模型為

式中 λNb=0.033（觸點(diǎn)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(guān)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(diǎn)負(fù)載系數(shù)（阻性，πL=0.5），πL=1.48；πCYC為開關(guān)速率系數(shù)， πCYC=1.0。則有： λP=0.1083。

2.4 指示燈可靠性預(yù)測

2.4.1 非工作狀態(tài)下失效率模型

參考國軍標(biāo)GJB/Z-108A-2006《電子設(shè)備非工作狀態(tài)可靠性預(yù)計(jì)》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(chǎn)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(dǎo)彈測試設(shè)備可靠性預(yù)測

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

采用應(yīng)力分析法，根據(jù)上面各種元器件可靠性預(yù)測數(shù)據(jù)，最終統(tǒng)計(jì)得到的該導(dǎo)彈測控臺(tái)元件失效率如表1 所示。

表1 某導(dǎo)彈測控臺(tái)元件失效率統(tǒng)計(jì) 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(yīng)該重點(diǎn)維護(hù)；電連接器的失效率最低，可適當(dāng)減少維護(hù)。

由表1 可知，該導(dǎo)彈測控臺(tái)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(dāng)該導(dǎo)彈測控臺(tái)累計(jì)工作至1264 h 后，可靠性下降至0.7，此時(shí)需要對測控臺(tái)的指示燈、繼電器進(jìn)行重點(diǎn)維護(hù)；累計(jì)工作至2458 h 后，可靠性下降至0.5，此時(shí)需要對測控臺(tái)進(jìn)行全面維護(hù)。

圖1 某導(dǎo)彈測控臺(tái)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(dǎo)彈測控臺(tái)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(tái)存貯時(shí)間達(dá)到27 437 h（3.13 年）后，可靠性下降至0.7；存貯時(shí)間達(dá)到53 320 h（6.1 年）后，可靠性下降至0.5，此時(shí)也需要對測控臺(tái)進(jìn)行全面維護(hù)。

某部該型測控臺(tái)從入役至2018 年，在2014 年底前主要根據(jù)以往故障維修經(jīng)驗(yàn)采取維護(hù)保養(yǎng)措施，管理方式相對粗放，自2015 年引入可靠性預(yù)測及失效曲線開始科學(xué)細(xì)化設(shè)備管理工作，使測控臺(tái)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(wù)量，合理制定開機(jī)使用時(shí)間，減少空轉(zhuǎn)、頻繁啟停機(jī)次數(shù)；對設(shè)備的耗材使用登記造冊并且按月統(tǒng)計(jì)，以節(jié)約成本消耗；根據(jù)元器件可靠性預(yù)測及失效曲線，結(jié)合以往維修情況，合理預(yù)判元器件先后故障失效時(shí)間，提前精準(zhǔn)購置備件力主自主維修，減少不合理備件儲(chǔ)備，降低廠家臨時(shí)派人維修次數(shù)及費(fèi)用，最終降低維修支出和故障停機(jī)時(shí)間，提高設(shè)備使用效率。比較2014～2016 年3 年的設(shè)備維護(hù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出：到2014 年該設(shè)備已經(jīng)經(jīng)過多年使用，引發(fā)故障多是由于元器件損壞，造成設(shè)備開機(jī)時(shí)間少。而未能在維修當(dāng)天修好的原因是：a）有些元器件故障疊加使得設(shè)備故障加劇，需要廠家技術(shù)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(yù)測及失效曲線，提前合理購置并且替換相應(yīng)元器件，設(shè)備故障發(fā)生率逐年下降，維修支出也得以降低。測控臺(tái)使用維護(hù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表2 所示。

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

4 結(jié) 論

導(dǎo)彈測試設(shè)備是導(dǎo)彈武器系統(tǒng)中的重要組成部分，為提高測試設(shè)備的完好性、降低維護(hù)成本，需要對導(dǎo)彈測試設(shè)備進(jìn)行可靠性預(yù)測。為了取得較為合理的可靠性預(yù)測結(jié)果，本文采用了應(yīng)力分析法，對組成測試設(shè)備的各類元器件分別進(jìn)行了可靠性預(yù)測研究，并且以某型導(dǎo)彈測試控制臺(tái)為例，統(tǒng)計(jì)出該測控臺(tái)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(tái)的可靠性模型，為提高該測控臺(tái)的維護(hù)使用提供了有力依據(jù)。結(jié)果表明，本文采用應(yīng)力分析法進(jìn)行導(dǎo)彈測試設(shè)備的可靠性預(yù)測，不但能夠較好地實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈測試設(shè)備的故障預(yù)測與健康管理，還可以廣泛應(yīng)用到其他電子類設(shè)備的維護(hù)保障中。