水下爆炸測量設(shè)備可靠性設(shè)計

王明貴 賈志飛

摘 要:水下爆炸測量設(shè)備較高的使用頻率和惡劣復(fù)雜的使用環(huán)境,使系統(tǒng)可靠性設(shè)計技術(shù)的研究顯得十分重要。本文主要論述了系統(tǒng)可靠性設(shè)計的主要方法,探討了水下爆炸測量設(shè)備可靠性設(shè)計技術(shù),同時也對水下爆炸測量設(shè)備可靠性設(shè)計應(yīng)用前景進(jìn)行展望。

關(guān)鍵詞:水下爆炸測量設(shè)備可靠性設(shè)計

中圖分類號:O383+.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:Ａ 文章編號:1674-098X(2012)06(a)-0019-02

隨著艦船抗沖擊試驗[1]在海軍靶場的深入開展,靶場水下爆炸測量設(shè)備日益增多,而面對海上氣候條件變化復(fù)雜和戰(zhàn)雷爆炸作用距離逐步逼近而形成的強(qiáng)烈沖擊和振動這樣十分復(fù)雜的惡劣環(huán)境,測量設(shè)備管用、好使是各項水下爆炸試驗圓滿完成的基本保證。水下爆炸測量設(shè)備的可靠性問題將再一次引起各級管理層和技術(shù)工作人員的高度重視。為此,系統(tǒng)可靠性設(shè)計技術(shù)[2]研究對現(xiàn)役或即將列入專項規(guī)劃的預(yù)研設(shè)備將具有重要的指導(dǎo)作用。

1 系統(tǒng)可靠性設(shè)計技術(shù)綜述

系統(tǒng)可靠性是指在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間間隔內(nèi)系統(tǒng)能正常運行的概率?！耙?guī)定的條件”包括環(huán)境、使用、維修等條件和操作技術(shù)。“規(guī)定的時間”是指可靠性是對一定的時間間隔而言,人們常常要求能在規(guī)定的時間內(nèi)具有一定的可靠性?！罢_運行”是指系統(tǒng)能完成規(guī)定的各項技術(shù)性能。

提高系統(tǒng)可靠性一般有兩類技術(shù)方法,即避錯法和容錯法。

1.1 避錯法

避錯技術(shù)的作用是減少失效的可能性,主要有:

(1)對元器件進(jìn)行老化篩選;

(2)使用可靠的連接組裝技術(shù),嚴(yán)格工藝生產(chǎn)過程中的質(zhì)量控制;

(3)在設(shè)計時對元器件的額定參數(shù)留有足夠余量,即電應(yīng)力、熱應(yīng)力的實際使用值明顯地低于額定值,通常只有額定值的幾分之一;

(4)由于元器件參數(shù)的離散性和負(fù)載變化產(chǎn)生的參數(shù)漂移,要基本節(jié)拍內(nèi)邏輯鏈級數(shù)延時的設(shè)計留有足夠余地;

(5)降低系統(tǒng)內(nèi)部的電磁干擾。如印制電路板中,限制平等走線、重疊走線、分叉走線的長度和數(shù)量;限制接插件上同時同相動作信號線的數(shù)量;采取地線和地平面、電源線和電源平面等隔離技術(shù)以及電源的高、低頻濾波等;

(6)高速信號線采用傳輸線及匹配技術(shù);

(7)屏蔽外界電磁干擾;

(8)做好熱設(shè)計,必要時采取冷卻措施(風(fēng)冷、水冷)降低機(jī)柜的溫度;

(9)采取防震、防沖擊、防鹽霧、防潮等機(jī)械結(jié)構(gòu)措施。

通過上述避錯技術(shù)可使系統(tǒng)能承受一定的工作條件變化,如電源拉偏、頻率拉偏、溫度變化、電磁干擾、機(jī)械震動等。

1.2 容錯法

容錯法主要采用冗余技術(shù)對故障進(jìn)行屏蔽,使系統(tǒng)出現(xiàn)故障時仍能保持正常工作。冗余技術(shù)主要包括硬件冗余、軟件冗余、信息冗余和時間冗余等技術(shù)。

硬件冗余技術(shù)包含故障診斷、故障屏蔽和動態(tài)冗余技術(shù)。故障診斷是檢測系統(tǒng)故障的發(fā)生及其確切位置,它是實現(xiàn)故障屏蔽和動態(tài)冗余的先決條件。故障屏蔽是一種靜態(tài)硬件冗余技術(shù),它通過冗余資源來隔離或校正故障的影響,如雙工冗余、模塊表決冗余、海明碼糾單錯等。屏蔽技術(shù)只是容忍一定程度的故障,當(dāng)冗余資源耗盡后,再發(fā)生故障系統(tǒng)就會產(chǎn)生錯誤的結(jié)果。

動態(tài)冗余是綜合性的容錯技術(shù),已廣泛用于容錯計算機(jī)系統(tǒng)中,其基本思想是:在發(fā)生故障時,通過系統(tǒng)內(nèi)部的自動重組來切除故障部件,并以備用部件替換故障部件。實現(xiàn)動態(tài)冗余,要求系統(tǒng)具有模塊化結(jié)構(gòu)和故障檢測、定位功能。用檢測到的故障信號激活故障處理程序,自動將故障部件處理的任務(wù)轉(zhuǎn)移到完好的部件或備用部件,并啟動系統(tǒng)運行或性能降級運行。故障部件可以聯(lián)機(jī)維修或脫機(jī)維修(使用活線拔插技術(shù)),修復(fù)后再加入系統(tǒng),不中斷系統(tǒng)運行。

時間冗余又稱“復(fù)執(zhí)”,通過重復(fù)執(zhí)行發(fā)生故障的操作,使由于某種不明原因而引起的瞬時偶發(fā)性故障不再出現(xiàn)。復(fù)執(zhí)有硬件復(fù)執(zhí)和軟件復(fù)執(zhí)兩種。硬件復(fù)執(zhí)由增設(shè)的控制電路在出現(xiàn)故障后,延遲若干時間,重復(fù)執(zhí)行發(fā)生故障的操作,如此時偶發(fā)性故障業(yè)已消失,則復(fù)執(zhí)結(jié)果可獲成功。延遲的時間長短和一次故障需要復(fù)執(zhí)的次數(shù)可根據(jù)經(jīng)驗設(shè)定。軟件復(fù)執(zhí)可在單條指令、一段程序或整個作業(yè)等三個層次上進(jìn)行。復(fù)執(zhí)方案根據(jù)瞬時偶發(fā)性故障的多少、程序的檢查點設(shè)置、復(fù)執(zhí)所付出的代價以及復(fù)執(zhí)的成功率等來決定。

除了采用上述的避錯和容錯技術(shù)方法外,還應(yīng)對系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分配和可靠性預(yù)測[3]。

可靠性分配是根據(jù)用戶對系統(tǒng)可靠性指標(biāo)的要求,對各分系統(tǒng)設(shè)備等各部分提出相應(yīng)的可靠性指標(biāo),并逐級分配到集成電路元器件、接插件、印刷電路板、生產(chǎn)工藝質(zhì)量等項目上。在實際設(shè)計中,一般要提出多個方案進(jìn)行比較調(diào)整以求得合理的結(jié)果。

2 水下爆炸測量設(shè)備可靠性設(shè)計

回顧水下爆炸測量設(shè)備多年來的研制、使用、維修等情況,避錯技術(shù)側(cè)重于設(shè)備的具體制作、維修、改造等過程。容錯技術(shù)側(cè)重于設(shè)備預(yù)研方案制定。對預(yù)研設(shè)備、堪用設(shè)備、在修設(shè)備的可靠性設(shè)計不盡相同。

2.1 預(yù)研設(shè)備的可靠性設(shè)計

預(yù)研設(shè)備通常分外研和自研。對外研設(shè)備,首先要針對待研設(shè)備所承擔(dān)的使命任務(wù)制定戰(zhàn)技指標(biāo),其次根據(jù)使用環(huán)境和操作技術(shù)等條件制定系統(tǒng)設(shè)計預(yù)案,其中系統(tǒng)可靠性設(shè)計預(yù)案重點應(yīng)放在容錯技術(shù)研究上。如水下爆炸工程技術(shù)實驗的多項測量設(shè)備,將光纖傳輸技術(shù)、遙控遙測技術(shù)、自動控制技術(shù)、模塊化設(shè)計技術(shù)等融入其中,滿足系統(tǒng)的冗余技術(shù)設(shè)計,實現(xiàn)設(shè)備的可視化智能化功能。對自研設(shè)備除制定設(shè)計預(yù)案外,還要在實現(xiàn)預(yù)案的過程中,采用避錯技術(shù)對具體的系統(tǒng)從機(jī)體加工設(shè)計,到線路布線、單塊線路板插件乃至單個元器件的篩選均要進(jìn)行屏蔽性設(shè)計。

2.2 在用設(shè)備的可靠性設(shè)計

設(shè)備一經(jīng)交付使用,設(shè)備本身可靠性設(shè)計已經(jīng)固定。當(dāng)實際使用時因條件和環(huán)境的特殊要求[4],系統(tǒng)可靠性不能滿足要求時,設(shè)備的可靠性必須進(jìn)行再設(shè)計。對自研設(shè)備,因系統(tǒng)設(shè)計過程熟悉、清楚,設(shè)備可靠性再設(shè)計比較容易。對外研設(shè)備,進(jìn)行設(shè)備可靠性再設(shè)計將十分困難,對研制設(shè)計過程不是太熟悉,最終會形成對設(shè)備進(jìn)行返廠維修或改造,致使設(shè)備不能及時排隊故障,延誤試驗進(jìn)程,甚至中止試驗。而最積極而有效途徑是當(dāng)在役測量設(shè)備或配置的儀器儀表等輔助性設(shè)備使用環(huán)境和條件發(fā)生變更時,要及時對在役設(shè)備所屬系統(tǒng)可靠性進(jìn)行充分的研究和分析,尋求弱點,通過可靠性再設(shè)計彌補(bǔ)不足,使在用設(shè)備適應(yīng)新的環(huán)境使用要求。如爆炸威力測量設(shè)備在進(jìn)行某船爆炸試驗中,應(yīng)對惡劣的沖擊環(huán)境采用“軟連接技術(shù)”,將測量設(shè)備固定于船板上,解決了強(qiáng)沖擊可能造成的測量裝置偏移或拋出而導(dǎo)致測量設(shè)備工作失靈等問題。因此,設(shè)備操管人員除對測量設(shè)備的工作性能和設(shè)計技術(shù)非常熟悉外,還必須具有較好業(yè)務(wù)能力和豐富的實踐經(jīng)驗。這一點對于在用設(shè)備的可靠性再設(shè)計也是十分重要的。

2.3 在修設(shè)備的可靠性設(shè)計

設(shè)備故障的發(fā)生通常有多種原因造成,錯綜復(fù)雜。根據(jù)故障產(chǎn)生的原因制定相應(yīng)的維修方案,采用不同的系統(tǒng)可靠性設(shè)計方法。

首先,對常年不用或平時很少通電維護(hù)而造成的設(shè)備故障則必須進(jìn)行詳細(xì)的檢查,如環(huán)境條件、象溫度變化、天氣潮濕等影響因素的分析,應(yīng)采用避錯技術(shù)進(jìn)行分析,如果有多臺同種設(shè)備則通過更換機(jī)板插件等方法排隊故障,必要時也可進(jìn)行長時間通電維護(hù),判斷是否元器件參數(shù)隨溫度變化而發(fā)生漂移,必要時也可返制造商修復(fù)。

其次,對使用過頻的測量設(shè)備故障,通常是內(nèi)部單個部件參數(shù)發(fā)生變化,則必須進(jìn)行器件或部件更換。同時對器件進(jìn)行嚴(yán)格篩選,貫穿可靠性設(shè)計思想,使系統(tǒng)易現(xiàn)故障屏蔽于萌芽狀態(tài)。

第三,對實驗室或?qū)嶒炂脚_專用或配套設(shè)備以及各種校準(zhǔn)設(shè)備包括儀器儀表等出現(xiàn)故障后,原則上應(yīng)返廠維修,因為除排除故障外,還有一個校準(zhǔn)精度問題,但要針對故障原因建立設(shè)備檔案,制定系統(tǒng)可靠性設(shè)計措施,避免故障再現(xiàn)。

以上是水中兵器靶場多年來對測量設(shè)備的研制、使用、維修、改造的一些經(jīng)驗和總結(jié),實踐證明可行有效。然而,我們對系統(tǒng)的可靠性分配和可靠性預(yù)測方面有待于進(jìn)一步加強(qiáng)。

3 結(jié)語

系統(tǒng)可靠性設(shè)計技術(shù)的研究對海軍靶場武器裝備[5]建設(shè)與發(fā)展有著重要的現(xiàn)實意義和深遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義。首先,高可靠性測量設(shè)備能為靶場水下爆炸試驗提供基本保證,保持海軍靶場的綜合測試能力,維護(hù)靶場的職能作用和重要地位。其次,我國海防為應(yīng)對現(xiàn)代海上戰(zhàn)爭的挑戰(zhàn),必須加速海軍武器裝備發(fā)展,大量的接近實戰(zhàn)的海上爆炸試驗將要進(jìn)行。水下爆炸測量技術(shù)研究顯得非常重要,而高可靠性設(shè)計技術(shù)的研究與應(yīng)用是水下爆炸測量技術(shù)研究的重要內(nèi)容之一,隨著科學(xué)技術(shù)與可靠性設(shè)計技術(shù)的深入研究與應(yīng)用,海軍靶場水下爆炸測量設(shè)備工作性能和技術(shù)指標(biāo)將會迅速提高,以適應(yīng)于未來海上戰(zhàn)爭的需要。

參考文獻(xiàn)

[1] 汪玉.艦艇及設(shè)備沖擊響應(yīng)分析技術(shù) [M].國防工業(yè)出版社,2006,3.

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[3] 宋保維.系統(tǒng)可靠性設(shè)計分析教[M].西北工業(yè)大學(xué),2000,8.

[4] 艦船電子設(shè)備環(huán)境試驗總則,1983,10.

[5] 王漢功.裝備全面質(zhì)量管理[M].北京國防工業(yè)出版社,2003.