艦船動力裝備可靠性指標驗證技術與改進優化

王利偉，謝 寬

應用研究

艦船動力裝備可靠性指標驗證技術與改進優化

王利偉，謝 寬

（91404部隊91分隊，河北秦皇島 066001）

將國產化的艦船動力裝備可靠性考核指標分解，對各指標試驗驗證技術剖析及設計，闡述試驗改進的方向，及具體論述了可靠性改進的試驗圖譜，并提出后續試驗實施要點與需把控的風險點。

固有可用度 可達可用度 平均故障間隔時間

0 引言

艦船動力裝備作為艦船動力系統的核心動力設備，隨著我海軍活動區域的覆蓋，不僅對艦船動力裝備的性能指標提出了更高的要求，而且對艦船動力裝備的可靠性也提出了較高的要求，以確保艦船動力裝備具備高可靠、長壽命等方面的特性，從而滿足日益提升的艦船作訓、作戰使用強度的要求[1]。

圖1 典型艦船動力裝備

1 艦船動力裝備可靠性試驗的現狀

某型燃氣輪機從國外引進時受歷史限制，尚未開展關、重零部件和整機可靠性試驗。隨后開展多個階段國產化研制及同步開展可靠性試驗。以前船用柴油機都是引進的，可靠性試驗都不做的，第二代柴油機的國產化才提出可靠性的要求[2]。

2 動力裝備可靠性指標含義與驗證

可靠性鑒定試驗的目的是驗證被試品的設計是否達到了規定的可靠性要求。所謂動力裝置的可靠性，就是其在設計任務書所規定的條件下，在給定的時間內，動力裝置按預定轉速和運轉性能或技術指標進行正常工作的概率。鑒定階段柴油機和燃氣輪機動力裝備的可靠性指標通常包括六性綜合指標可達可用度、固有可用度、平均故障間隔時間MTBF等動力裝備可靠性指標。

2.1 六性綜合指標

可用度可以通過系統的故障以及維修分布函數進行度量，是可修產品重要的可靠性指標之一。GJB 1909A-2009《裝備可靠性維修性保障性要求論證》中表D.2對艦船裝備RMS可用度基本參數有具體表述[3]。

1）固有可用度

固有可用度Ai是僅與工作時間和修復性維修時間有關的一種綜合性參數，計算公式如下：

MTBF：平均故障間隔時間。是可靠性設計參數；

MTTR：平均修復時間。是維修性設計參數，但受保障系統約束。

艦船固有可用度（Ai）采用的驗證方法為在部隊使用過程中進行評估，性能鑒定時通過對MTBF和MTTR進行試驗數據統計，從而計算評估固有可用度。

2）可達可用度

根據GJB1909A-2009，附錄E《可靠性維修性保障性參數說明》，可達可用度計算公式如下：

其中：A為可達可用度，T為工作的時間，T為修復性維修時間，T為預防性維修時間。

可達可用度（A）與被試品工作時間、修復性維修時間和預防性維修時間相關，參考固有可用度的驗證方法，設計定型時通過對柴油機工作時間、修復性維修時間和預防性維修時間等參數的試驗數據進行統計，從而計算評估可達可用度。

2.2 平均故障間隔時間MTBF

在確定可靠性指標平均故障間隔時間MTBF時，必須考慮經費、進度、技術、資源、國情等背景，在需要與可能之間進行權衡，已處理好指標先進性和可行性之間的關系。

對于可靠性指標MTBF最低可接受值的試驗驗證，必須明確試驗驗證方案和依據的標準、規范，以及有關參數，其主要參數為生產方風險、使用方風險和通過性試驗時間。

試驗時間主要取決于要驗證的可靠性水平和選用的統計試驗方案，統計試驗方案的選擇取決于選定的風險，風險的選擇取決于可提供的經費和時間等資源。但在選擇風險時，應盡可能使訂購方和承制方的風險相同。所以最終優先級由高到低為：經費和時間（最高）→風險→統計試驗方案→試驗時間（最低）。

參考GJB899A規定的定時截尾統計試驗，通常根據試驗經費和試驗時間，來選則試驗方案，試驗方案確定后，主要參數為生產方風險、使用方風險和通過性試驗時間就定下來了[4]。

根據失效機理，采用定時截尾可靠性試驗評估方法，它的壽命服從卡方分布。依據以下公式：

其中：為試驗時間，為故障次數，為置信度。

根據GJB/Z 77-95可靠性增長管理手冊，正樣階段置信度取0.7～0.8，可求出柴油機的MTBF最低可接受值[5]。

3 方法優化

可靠性試驗通常有3個目的，一是暴露產品設計、材料和工藝方面的缺陷；二是提供觀測的可靠性數據，用于評價戰備完好性、任務成功性、維修人力費用和后勤保障費用；三是確定是否達到可靠性的定量要求。針對型號研制可靠性技術和管理上暴露出來的問題，開展相應的可靠性優化與改進。

3.1 從頂層抓起

在強調可靠性工作要從頂層抓起的同時，必須針對建造過程工藝、制造可靠性技術應用的現狀和特點，采取強有力的措施加快推進建造過程工藝、制造可靠性技術的推廣應用工作，抓好材料、工藝、零部件選用等為先期論證方面的工作，挖掘和確定可靠性方面的隱患或薄弱環節，并采取涉及預防改進，有效地消除隱患的各種方法，來要提高產品的固有可靠性。

3.2 從設計抓起

目前動力裝備試驗的樣本量并沒有達到，偶然性非常大，建議可靠性鑒定試驗樣本量最低為2臺；目前選用試驗方案為試驗周期最短的試驗方案，使用方風險相對很高，投入可見不足，選擇決策風險較小的統計方案，需要較長的總試驗時間(臺時數)，但接收不合格產品及拒收合格產品的概率也較小，對于可靠性指標MTBF最低可接受值的試驗驗證，參考GJB899A規定的定時截尾統計試驗，選則試驗方案時，使用方風險β=20%，建議通過性試驗時間T為MTBF的4.3～29.9倍為宜，也就是最少要為MTBF門限值指標的4.3倍。

3.3 從試驗方法優化抓起

1）燃氣輪機圖譜設計

針對低工況的惡劣工作環境，低工況圖譜依據GJB730B-2017《艦船燃氣輪機通用規范》進行編制；針對燃氣輪機可靠性改進加減速的要求和能力，基于GJB730B-2017《艦船燃氣輪機通用規范》和研制總要求的基礎上，對一個完整的8小時循環圖譜分試驗初、中、后三階段進行加減速性能圖譜編制[6]。

圖1 新設計燃氣輪機循環圖譜

綜上所述進行鑒定譜圖的設計目的主要為：一是把低工況的功率降低為原值，增大考核實際難度；二是增大將變工況考核段的加速時間降低為原來的二分之一，目的在于進一步提高艦船的機動能力，三是由原來的循環圖譜截尾進行變工況機動性試驗改為，循環前中后進行三組變工況試驗，加大了考核的難度，可進一步提高機動能力的耐久性。

2）柴油機圖譜設計

圍繞海上軍事斗爭準備、遂行戰備、護航等任務，某型柴油機的使用工況變化更加劇烈、使用強度更大、使用環境更加苛刻，為了檢驗實戰化可靠性使用要求，本試驗在循環圖譜中增加快速升工況和降工況試驗。具體如下：

圖2 柴油機鑒定試驗單個循環圖譜

4 可靠性試驗的啟示

4.1 若可靠性實作試驗已完成考核目標，是否仍進行評估

目前，就可靠性MTBF的門限值和目標值實作試驗已完成來看，已完成量化指標值，從考核層面來看已完成任務，從第三方進行考核的角度不建議進行評估。應裝備的研制合同的相關要求，還需要進行評估考核，但從評估的角度來說可以評估出一個值，這個評估值會與實作有所區別。

4.2 循環超時后發生故障

試驗若按照計劃已經完成，由于陪試設備在可靠性試驗中發生問題，說不清楚，針對此問題延長循環圖譜試驗或開展一些補充試驗，可靠性循環雖已完成試驗但又發生責任故障，將綜合前期與后期試驗數據開展評審工作。

4.3 試驗左移能否實施

可靠性鑒定和增長試驗是可靠性工作項目中投資最大的項目，在經費上往往令承制方難以接受，但提高產品的可靠性水平是產品承制方的責任，驗證和確認產品的可靠性達到的水平則是產品承制方和使用方共同關心的問題。那么可靠性增長試驗能否替代可靠性鑒定試驗，試驗向左移。

可靠性增長試驗可否替代可靠性鑒定試驗必須解決四個方面的問題，即試驗目的、所用樣件的技術狀態，所暴露故障的真實性、試驗結果的可信性。這種替代是有條件的，可靠性增長試驗必須首先滿足樣件的技術狀態，對試驗的監控程度，故障判據的制定，試驗的環境條件等必要條件，才能考慮替代可靠性鑒定試驗。

4.4 決策風險的選擇

選擇決策風險較小的統計方案，需要較長的總試驗時間(臺時數)，但接收不合格產品及拒收合格產品的概率也較小，就要需要試驗周期和試驗經費的支持，如果試驗周期緊或經費不支持，那么倒退回來開展試驗風險就高。

[1] 肖丁，趙金超，曲豪彥，張勇明. 艦用燃氣輪機總體設計方案評估研究[J].船舶工程，2011, 2：37-40.

[2] 杜文軍. 燃氣輪機在船舶動力裝置中的應用[J]. 船舶物資與市場, 2019(11): 34-35.

[3] GJB1909A. 裝備可靠性維修性保障性要求論證[S].北京：總裝備部軍標出版發行部，2009.

[4] GJB 899A. 可靠性鑒定和驗收試驗[S]. 北京：總裝備部軍標出版發行部，2009.

[5] GJB/Z 77.可靠性增長管理手冊[S]. 北京：總裝備部軍標出版發行部，1995.

[6] GJB 730B. 艦船燃氣輪機通用規范[S]. 北京：總裝備部軍標出版發行部，2017.

Reliability index verification technique and improvement optimization of warship power equipment

Wang Liwei, Xie Kuan

(No.91404 Unit of PLA, Qinhuangdao 066001, Hebei, China)

U664.1

A

1003-4862（2023）12-0001-03

2023-07-21

王利偉（1981-），男，高級工程師。研究方向：機電一體化。E-mail：17504562@qq.com