崔燦麗 ,曲大偉 ,謝承甫 ,姜成坤

(1.中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司 第705 研究所,陜西 西安,710077;2.海裝西安局駐西安地區(qū)第一軍事代表室,陜西 西安,710054)

0 引言

魚雷在使用與維修保障過程中很大一部分工作為有壽件的到期更換,由于魚雷涉及機(jī)械、電子及火工品等眾多類型有壽件的維護(hù)約束(如動(dòng)力系統(tǒng)航程壽命、慣性測(cè)量組合標(biāo)定有效期、火工品和橡膠老化壽命、彈簧疲勞壽命等),如無法科學(xué)、合理確定其壽命參數(shù),將會(huì)使保障工作具有一定盲目性。此外,不合理的拆裝和更換也會(huì)影響魚雷的整體壽命指標(biāo)。因此,根據(jù)魚雷的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),亟需開展有壽件劃分方法及其壽命評(píng)價(jià)方法研究。

為制定合理的維修策略,已有學(xué)者針對(duì)裝備的有壽件劃分及壽命評(píng)估開展了相應(yīng)研究。邵松世等[1]對(duì)正態(tài)型有壽件的備件方案確定開展了研究,采用壽命等效思想,提出一種確定有壽件備件需求量和更換周期的方法,能夠?yàn)橛袎奂Ｕ戏桨傅闹贫ㄌ峁Q策支持,但該方法僅適用于數(shù)據(jù)量充足、壽命特征清晰的產(chǎn)品。易勇華等[2]建立了一種基于正態(tài)近似的指數(shù)型有壽件備件需求預(yù)測(cè)模型,但該模型通過壽命預(yù)測(cè)備件需求量時(shí),存在壽命評(píng)估精度的問題。張峰等[3]應(yīng)用方差分析法進(jìn)行了飛機(jī)有壽件壽命分析,建立了單因素方差分析模型,但該方法僅考慮單因素的影響。文中從魚雷的使用環(huán)境特點(diǎn)出發(fā),以可靠性為中心的維修(reliability centered maintenance,RCM)理論為基本觀點(diǎn),從不同壽命數(shù)據(jù)的情形,針對(duì)魚雷有壽件的確定原則、壽命表征參數(shù)的選取、有壽件的壽命特征分布以及壽命評(píng)估方法等展開研究,為制定科學(xué)合理的魚雷維修保障方案提供技術(shù)支撐。

1 魚雷環(huán)境特點(diǎn)

魚雷是一種能自動(dòng)推進(jìn)并按預(yù)定航向和深度航行,自動(dòng)導(dǎo)向目標(biāo)且在命中目標(biāo)時(shí)能自動(dòng)爆炸的水中兵器,在其整個(gè)壽命周期內(nèi),具有典型的“長(zhǎng)期貯存,一次使用” 特點(diǎn)。全雷在全壽命周期先后經(jīng)歷運(yùn)輸、貯存、轉(zhuǎn)運(yùn)、裝載和實(shí)航等各個(gè)階段,先后處于低溫、高溫、溫度變化、濕熱、低氣壓和鹽霧等氣候環(huán)境,振動(dòng)、沖擊、加速度和顛震等力學(xué)環(huán)境,以及霉菌生物環(huán)境。

魚雷的壽命階段主要包括貯存階段、裝載階段和實(shí)航階段。

1) 貯存階段的主要工作為倉(cāng)庫(kù)貯存、運(yùn)輸裝卸、技術(shù)準(zhǔn)備和日常維護(hù)等。倉(cāng)庫(kù)貯存階段主要經(jīng)歷高溫、低溫、濕熱、鹽霧及霉菌等環(huán)境,且通常倉(cāng)庫(kù)和工房均有溫濕度控制措施,即一般不會(huì)出現(xiàn)外界的極值環(huán)境[4]。運(yùn)輸裝卸階段通常經(jīng)歷高溫、低溫、濕熱、運(yùn)輸(振動(dòng)、沖擊)、過載和太陽(yáng)輻射等環(huán)境。技術(shù)準(zhǔn)備和日常維護(hù)的工作內(nèi)容為戰(zhàn)備轉(zhuǎn)級(jí)和維護(hù)操作,主要經(jīng)歷溫度、濕熱、過載、沖擊、振動(dòng)、鹽霧和霉菌等不同環(huán)境[5]。

2) 裝載階段根據(jù)裝載平臺(tái)的不同而經(jīng)歷不同的環(huán)境類型。魚雷的裝載平臺(tái)通常包括直升機(jī)、固定翼飛機(jī)、水面艦艇和火箭助飛平臺(tái)等。直升機(jī)和固定翼飛機(jī)的環(huán)境因素通常包括振動(dòng)、加速度、電磁和溫度。水面艦艇主要經(jīng)歷包括發(fā)射管內(nèi)的溫度、濕度,甲板上電磁、鹽霧、霉菌和風(fēng)雨冰雪,以及沖擊、振動(dòng)、搖擺和傾斜等[6]?；鸺w平臺(tái)主要包括分離沖擊、氣流振動(dòng)和加速度等環(huán)境[7]。

3) 水下實(shí)航階段要經(jīng)歷不同水溫、噪聲、振動(dòng)、腐蝕、過載、海水壓力及大機(jī)動(dòng)時(shí)的恒加速度等不同環(huán)境。

2 有壽件確定原則及壽命表征參數(shù)選取

2.1 有壽件確定原則

在進(jìn)行有壽件分析時(shí),建立與保障性分析的聯(lián)系,利用其RCM 基本觀點(diǎn)制定邏輯決斷圖。通過邏輯決斷,確定魚雷現(xiàn)場(chǎng)可替換模塊(line repalceable unit,LRU)或車間可更換模塊(shop replaceable unit,SRU)的維修方式,分析可知,定時(shí)維修的組、部件可確定為有壽件,并給出壽命指標(biāo);確定為視情維修、事后維修的組、部件,原則上可以不定壽命指標(biāo),其設(shè)計(jì)壽命應(yīng)與魚雷的服役期限保持一致。

參照RCM 理論的基本觀點(diǎn),只有具備以下全部條件的產(chǎn)品,才需要執(zhí)行定時(shí)維修策略,即可定為有壽件。具體包括:

1) 設(shè)備功能故障會(huì)直接影響魚雷航行或飛行(助飛雷)安全(故障模式、影響及危害性分析(failure mode,effects and criticality analysis,FMECA)中嚴(yán)重影響分析結(jié)果為I、II 類或故障后有重大經(jīng)濟(jì)損失的III 類);

2) 設(shè)備故障模式與日歷或工作時(shí)間相關(guān),如故障是由于金屬材料腐蝕、磨損、疲勞或非金屬材料老化、磨損引起的;

3) 設(shè)備不能按視情維修的方式進(jìn)行維修。

借用產(chǎn)品可根據(jù)其壽命特征以及適應(yīng)新型號(hào)的特點(diǎn),制定有壽件的維護(hù)保養(yǎng)措施。針對(duì)魚雷新研設(shè)備,開展FMECA 和故障樹分析(fault tree analysis,FTA),制定其有壽件邏輯決斷流程如圖1所示。需要說明的是,針對(duì)圖中不確定壽命指標(biāo)的設(shè)備,若其故障模式與耗損無關(guān),可僅提可靠性指標(biāo),如電子設(shè)備可靠性指標(biāo)平均無故障工作時(shí)間(mean time between failure,MTBF)。

圖1 魚雷有壽件邏輯決斷流程Fig.1 Logic decision process of life-limited parts of torpedoes

2.2 有壽件常用壽命表征參數(shù)

魚雷有壽件常用壽命表征參數(shù)主要包括: 首次大修期限、大修間隔期、總壽命、使用壽命(或次數(shù))、貯存壽命及特征壽命等。

2.3 表征參數(shù)選取原則

魚雷有壽件在選取壽命表征參數(shù)時(shí),應(yīng)根據(jù)其產(chǎn)品類型、工作特點(diǎn)、失效機(jī)理及采取的維修方式確定[8],一般原則如下:

1) 魚雷殼體應(yīng)與裝備同壽,一般不定為有壽件,其壽命表征參數(shù)可為使用壽命;

2) 魚雷發(fā)動(dòng)機(jī)一般選用首次大修期限、大修間隔期、總壽命、主要零部件壽命及貯存期限;

3) 雷上設(shè)備采用定時(shí)維修的,一般選用首次大修期限、大修間隔期及貯存壽命;不可修復(fù)的,選用使用壽命和貯存壽命;使用中采用視情維修或事后維修的且不具有耗損失效特征的,只選用貯存壽命或服役期限;具有耗損失效特征的,選用與魚雷一致的壽命;故障模式與日歷時(shí)間無關(guān)的設(shè)備不應(yīng)選用日歷持續(xù)時(shí)間;

4) 雷上若涉及彈藥和火工品等,可選用貯存壽命;

5) 有壽件可同時(shí)給出2 個(gè)或2 個(gè)以上的壽命指標(biāo),用戶使用時(shí)以先到達(dá)者為準(zhǔn)。

原則上雷上設(shè)備的壽命指標(biāo)應(yīng)與裝備服役期限、維修方案相互協(xié)調(diào)。根據(jù)以上原則,制定魚雷有壽件壽命表征參數(shù)的確定流程如圖2 所示。

圖2 魚雷有壽件壽命表征參數(shù)確定流程圖Fig.2 Flow chart for determining life characterization parameters of life-limited parts of torpedoes

3 魚雷有壽件種類及壽命特征

3.1 典型產(chǎn)品壽命分布類型

根據(jù)魚雷組成及結(jié)構(gòu)特點(diǎn),主要涉及電子、機(jī)電、機(jī)械、非金屬和火工品等多種類型產(chǎn)品,結(jié)合魚雷在壽命周期內(nèi)承受的各種環(huán)境應(yīng)力及失效機(jī)理分析,劃分魚雷有壽件的常用壽命特征分布,如表1 所示,表中分布對(duì)照關(guān)系僅為近似分布類型,非絕對(duì)理想的對(duì)應(yīng),僅作參考。

表1 典型產(chǎn)品壽命分布類型對(duì)照表Table 1 Comparison of life distribution types of typical products

3.2 典型壽命特征模型

根據(jù)魚雷典型產(chǎn)品的壽命特征分布類型[9],選取主要壽命特征分布開展分析,包括指數(shù)分布、威布爾分布、正態(tài)分布和對(duì)數(shù)正態(tài)分布等。

3.2.1 指數(shù)分布

指數(shù)分布的概率密度函數(shù)為

可靠度函數(shù)

則服從指數(shù)分布的壽命參數(shù)如下。

引進(jìn)來——讓兼職導(dǎo)師走進(jìn)學(xué)校、走進(jìn)課堂，企業(yè)家、創(chuàng)業(yè)者、風(fēng)險(xiǎn)投資人、天使投資人、孵化機(jī)構(gòu)、工商管理部門、稅務(wù)部門等相關(guān)部門的負(fù)責(zé)人如果具有相應(yīng)的教學(xué)能力、樂于創(chuàng)業(yè)教育的都可以經(jīng)過考察聘為固定的兼職教師。他們的授課可以是講座、專題報(bào)告、互動(dòng)訪談或者與專任教師共同講授某門課程，形式靈活多樣。但這種形式一般師生接觸時(shí)間較短，不能夠形成系統(tǒng)的教學(xué)。

特征壽命

中位壽命

可靠壽命

式中,R和λ分別為規(guī)定壽命的可靠度和失效率。

針對(duì)雷上服從指數(shù)分布的產(chǎn)品,鑒于其失效率為定值,且指數(shù)分布具有“無記憶性”,即服從指數(shù)分布的產(chǎn)品在工作一段時(shí)間后,重新開始工作,和新產(chǎn)品類同。因此,服從指數(shù)分布的產(chǎn)品一般提可靠性指標(biāo),如MTBF,也可以稱為“特征壽命”。

3.2.2 威布爾分布

威布爾分布的概率密度函數(shù)

式中:m為形狀參數(shù);t0為尺度參數(shù);γ為位置參數(shù)。

當(dāng)t0用 ηm代替時(shí),η稱為特征壽命或真尺度參數(shù)。則可靠度函數(shù)為

當(dāng)γ=0,稱其為兩參數(shù)威布爾分布。

威布爾分布的平均壽命為

中位壽命

特征壽命

可靠壽命

使用壽命

針對(duì)雷上服從威布爾分布的設(shè)備,可使用規(guī)定失效率或可靠度的壽命作為使用壽命或貯存壽命等指標(biāo)[10]。

3.2.3 正態(tài)分布

正態(tài)分布的概率密度函數(shù)為[2]

式中,μ和 σ分別為位置參數(shù)和尺度參數(shù)。

可靠度函數(shù)

失效率函數(shù)

則可靠壽命為

式中,zp為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布分位點(diǎn)值。

中位壽命

針對(duì)雷上服從正態(tài)分布的設(shè)備,其壽命指標(biāo)可用指定可靠度的可靠壽命來表示。

3.2.4 對(duì)數(shù)正態(tài)分布

對(duì)數(shù)正態(tài)分布的概率密度函數(shù)為

可靠度函數(shù)

故障率函數(shù)為

或(自然對(duì)數(shù))

式中,φ為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布概率密度的函數(shù)值。

平均壽命和方差為

或 (自然對(duì)數(shù))

式中,σ′是對(duì)數(shù)正態(tài)分布的標(biāo)準(zhǔn)差。

則可靠壽命

式中,zp是標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的分位點(diǎn)值。

對(duì)數(shù)正態(tài)分布可用于魚雷機(jī)械零件的疲勞壽命分析,在實(shí)際使用時(shí),其使用壽命可用規(guī)定可靠度的可靠壽命表示。

4 有壽件壽命評(píng)估方法

4.1 壽命評(píng)估流程

魚雷有壽件的壽命評(píng)估流程如圖3 所示。

圖3 魚雷有壽件壽命評(píng)估流程圖Fig.3 Life assessment flow chart of life-limited parts of torpedoes

4.2 壽命評(píng)估方法

目前常用的壽命評(píng)估方法一般包括實(shí)驗(yàn)室使用壽命試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)信息法、最短壽命零部件法和工程分析方法,適用情況見表2。

表2 壽命試驗(yàn)與評(píng)估方法適用情況Table 2 Application of life test and evaluation methods

4.2.1 實(shí)驗(yàn)室使用壽命試驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)室壽命試驗(yàn)是模擬實(shí)際使用狀態(tài)的試驗(yàn),可驗(yàn)證有壽件的首次大修期限或使用壽命指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)室壽命試驗(yàn)可參考航空機(jī)載產(chǎn)品的做法,取產(chǎn)品首次大修期限的1～1.5 倍作為試驗(yàn)時(shí)間,也可根據(jù)有壽件的使用特點(diǎn)確定,樣品數(shù)量一般不應(yīng)少于2 臺(tái)(套)。試驗(yàn)結(jié)束后,根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)量確定采取的數(shù)據(jù)處理方法。

1) 理論計(jì)算

在數(shù)據(jù)充足的情況下,可采用理論計(jì)算,確定壽命特征參數(shù),具體方法詳見3.2 節(jié)。

2) 工程經(jīng)驗(yàn)法

在數(shù)據(jù)不足的情況下,可采用工程經(jīng)驗(yàn)法。若某有壽件壽命試驗(yàn)到每臺(tái)受試產(chǎn)品試驗(yàn)時(shí)間T截止時(shí),全部產(chǎn)品均未發(fā)生關(guān)聯(lián)故障,則產(chǎn)品的首次大修期限或使用壽命為

式中,經(jīng)驗(yàn)修正系數(shù)K≈1.5,或采用理論修正系數(shù)(具體數(shù)值由承制方和使用方應(yīng)承擔(dān)的風(fēng)險(xiǎn)及樣品的多少確定,見表3),具體理論計(jì)算結(jié)果可從可靠性工程手冊(cè)中獲取。

表3 理論修正系數(shù)(R=0.9)Table 3 Theoretical correction coefficient(R=0.9)

如果受試產(chǎn)品壽命試驗(yàn)到t0截止時(shí),有γ個(gè)關(guān)聯(lián)故障發(fā)生,則該有壽件的首次大修期間或使用壽命為

式中:ti為第i個(gè)受試產(chǎn)品發(fā)生關(guān)聯(lián)故障的時(shí)間;n為被試產(chǎn)品數(shù)量;經(jīng)驗(yàn)修正系數(shù)K0=1.5,或查閱相關(guān)數(shù)據(jù)手冊(cè)使用理論修正系數(shù)。

如果受試產(chǎn)品試驗(yàn)到tn截止時(shí),全部被試產(chǎn)品先后發(fā)生關(guān)聯(lián)故障,則該有壽件的首次大修期限或使用壽命

式中,經(jīng)驗(yàn)修正系數(shù)K1>1.5,或查閱相關(guān)數(shù)據(jù)手冊(cè)使用理論修正系數(shù)。

4.2.2 現(xiàn)場(chǎng)信息法

現(xiàn)場(chǎng)信息法是利用有壽件在現(xiàn)場(chǎng)使用下所獲得的信息來確定產(chǎn)品壽命的方法。該方法主要適用于存在刪失數(shù)據(jù)的情況[11],數(shù)據(jù)處理方法采用殘存比率法。

1) 不同時(shí)間區(qū)間的故障數(shù)

將魚雷受試組件按固定時(shí)間間隔進(jìn)行劃分,統(tǒng)計(jì)每個(gè)時(shí)間段的故障數(shù),則不同時(shí)間段的故障數(shù)為

式中:rti為某產(chǎn)品的第i個(gè)時(shí)間點(diǎn)發(fā)生的故障數(shù);rti-1為某產(chǎn)品的第i-1個(gè)時(shí)間點(diǎn)發(fā)生的故障數(shù)。

2) 不同時(shí)間區(qū)間的刪除數(shù)

魚雷受試組件不同時(shí)間區(qū)間的刪除數(shù)為

式中:kti為某產(chǎn)品的第i個(gè)時(shí)間點(diǎn)發(fā)生的刪除數(shù);kti-1為某產(chǎn)品的第i-1個(gè)時(shí)間點(diǎn)發(fā)生的刪除數(shù)。

3) 繼續(xù)使用數(shù)量

產(chǎn)品在ti時(shí)刻繼續(xù)使用的數(shù)量為

式中,n為投入的產(chǎn)品數(shù)量。

4) 殘存比率

產(chǎn)品在ti-1-ti內(nèi)的殘存比率為

5) 可靠度

產(chǎn)品在ti時(shí)刻的可靠度為

6) 壽命評(píng)估步驟

a) 按照殘存比率計(jì)算,得出現(xiàn)場(chǎng)信息和計(jì)算結(jié)果;

b) 求出ti和R(ti)并畫出產(chǎn)品的可靠度曲線;

c) 根據(jù)規(guī)定的可靠度,從可靠壽命曲線求得有壽件的可靠壽命。

4.2.3 最短壽命零部件法

最短壽命零部件法是通過找出待驗(yàn)證或給定壽命產(chǎn)品中壽命最短又能決定產(chǎn)品壽命的零部件,按4.2.1 節(jié)方法對(duì)該零部件進(jìn)行試驗(yàn),根據(jù)該零部件試驗(yàn)結(jié)果給定整個(gè)有壽件的壽命。

4.2.4 工程分析方法(相似產(chǎn)品法)相似產(chǎn)品法是將評(píng)估對(duì)象同已通過驗(yàn)證或?qū)嶋H使用結(jié)果證明滿足壽命要求的相似產(chǎn)品,從結(jié)構(gòu)、功能、制造工藝、采用的原材料及使用環(huán)境條件等方面進(jìn)行全面對(duì)比分析,根據(jù)相似產(chǎn)品的壽命驗(yàn)證結(jié)果做出有壽件的壽命水平結(jié)論。

5 評(píng)估案例

文中案例采用“現(xiàn)場(chǎng)信息法”進(jìn)行敘述。

5.1 歷史壽命數(shù)據(jù)收集

若現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)某在役魚雷設(shè)備A 的貯存情況,其壽命表征參數(shù)為貯存壽命,統(tǒng)計(jì)數(shù)量共180 個(gè),求該設(shè)備A 可靠度為0.93 時(shí)對(duì)應(yīng)的貯存壽命。

1) 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)計(jì)算

表4為某在役魚雷設(shè)備A 現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),將表中現(xiàn)場(chǎng)信息按4.2.2 節(jié)計(jì)算,生成表5。

表4 魚雷設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)Table 4 On-site statistical data of torpedo equipment

表5 殘存比率計(jì)算表Table 5 Residual ratio calculation

2) 可靠性曲線

根據(jù)表5 中的數(shù)據(jù),利用MINITAB 軟件采用二次曲線進(jìn)行擬合,得到貯存時(shí)間t的可靠性曲線見圖4。

圖4 貯存時(shí)間可靠性曲線Fig.4 Reliability curve of storage time

3) 可靠壽命

從圖4 可以看出,設(shè)備A 的貯存壽命(貯存可靠度0.93)為5.5 a,因此,大修周期可初步確定為5 a一次。

6 結(jié)束語(yǔ)

文中以魚雷的環(huán)境分析為切入點(diǎn),以新研設(shè)備的有壽件劃分及評(píng)定為著力點(diǎn),為制定科學(xué)合理的魚雷維修保障方案提供設(shè)計(jì)信息。文中主要探討了以下內(nèi)容:

1) 結(jié)合保障性分析,利用RCM 理論,制定了魚雷有壽件邏輯決斷流程,并為裝備有壽件的壽命表征參數(shù)提供了選取原則;

2) 通過分析魚雷典型產(chǎn)品的壽命類型,給出了典型壽命特征分布函數(shù)及壽命參數(shù)模型;

3) 給出了魚雷的壽命評(píng)估流程、常用的理論評(píng)估方法及工程經(jīng)驗(yàn)法,并以某典型魚雷A為例,介紹了現(xiàn)場(chǎng)信息法的應(yīng)用,為其他有壽件的評(píng)估提供了思路。

魚雷有壽件是從概率的角度進(jìn)行分析評(píng)價(jià),文中給出了多種評(píng)估方法作為選擇,實(shí)驗(yàn)室使用壽命試驗(yàn)方法中采用了經(jīng)驗(yàn)系數(shù),系數(shù)的選擇對(duì)評(píng)估結(jié)果存在一定誤差,后續(xù)應(yīng)進(jìn)一步從雙方風(fēng)險(xiǎn)的角度開展系數(shù)的選取以減少誤差。