魚雷動力電池實航可靠度試驗與評估

賀成剛，唐世軒（中國人民解放軍91388部隊91分隊，廣東 湛江524022）

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魚雷動力電池實航可靠度試驗與評估

賀成剛，唐世軒
（中國人民解放軍91388部隊91分隊，廣東 湛江524022）

摘要：本文根據電池成敗型組部件、壽命型組部件構成和工作特點，提出了陸上可靠性試驗方法及要求，根據研制過程技術狀態逐步趨穩的情況，將可靠性增長模型和經典統計評估方法應用于科研和定型階段的動力電池可靠性評估，為其可靠度試驗與評估提供了新的思路。

關鍵詞：魚雷動力電池可靠性試驗評估

0　引言

魚雷動力電池具有一次性使用、成本高等特點，陸上和實航性能試驗樣本量都很小，不可能滿足其可靠性評估需求，可靠性試驗方法和試驗樣本量是需要解決的重大難題。另外，按可靠性要求，魚雷動力電池研制過程每一階段都要進行可靠性試驗和評估，評估結果達到預定目標后才能轉入下一階段，但產品技術狀態是變化的，只有到定型階段才相對固化，不同研制階段的可靠性評估也是有待解決的難題。

1　實航可靠度檢驗方案

制定可靠性檢驗方案，就是確定試驗樣本量及允許故障數，是可靠性試驗與評估前提條件，魚雷及其組部件實航可靠度可按二項分布或指數分布制定檢驗方案［1，2］。

1）二項分布檢驗方案。試驗結果為成功或失敗，屬成敗型二項分布，經典統計二項分布假設檢驗方案確定試驗次數和允許故障數，其計算方法為［2，3］：

式中，f為故障數，nf試驗樣本量，R0為實航可靠度的規定值，R1為實航可靠度的最低可接受值，α為研制方風險，β為使用方風險。

2）指數分布檢驗方案。將實航可靠度指標轉換為MTBF指標，經典統計指數分布檢驗方案確定試驗總時間和允許失效數，其計算方法為［2，3］：

式中，T為試驗總時間，MTBF0為MTBF規定值，MTBF1為MTBF最低可接受值。

3）相關說明。檢驗方案制定應遵循雙方風險相當的原則。根據動力電池可靠性指標分配情況，試驗樣本量很大或試驗總時間很長，超出實際承受能力。為了最大限度地減少試驗樣本量，只能檢驗可靠性最低可接受值，在條件受限情況下可采用允許故障數為0的最小試驗數或最少試驗總時間方案，研制方風險相對較大。

2　動力電池可靠性評估信息源

目前動力電池性能試驗包括：1）陸上放電試驗；2）陸上功率匹配試驗；3）安全性試驗；4）電磁兼容性試驗；5）實航試驗。陸上和實航性能試驗已進行多次，方法基本成熟，這些試驗對電池而言都是一次性的，不可重復試驗，總的試驗樣本量受到限制。按照可靠性檢驗方案所確定的試驗樣本量都很大，遠超出實航試驗樣本量，因此，如何挖掘可用于可靠性評估的信息源，擴大信息量，是可靠性評估的關鍵，宜將陸上和實航性能試驗結果都納入實航可靠性評估。

即使陸上和實航性能試驗全部納入可靠性評估，樣本量也不滿足評估要求，必須進行陸上可靠性試驗，并且為減少試驗成本，還必須是可重復性試驗。陸上可靠性試驗，還沒有比較成熟的方法可借鑒，需要結合其自身結構組成和工作特點，進行研究和探索，下面給出陸上可靠性試驗的基本思路和總體要求。

3　動力電池陸上可靠性試驗

3.1動力電池組成及可靠性分布類型

以某型動力電池為例，說明其組成和可靠性分布類型。

1）動力電池組成。某型電池主要由電池本體、輔助系統、電池段殼體、儀表用電源、雷上電纜及對接插座等組成；電池本體主要包括正極、負極、電液框、端板和引流體等；輔助系統主要包括熱電池、電爆管、電液循環泵-電機、激活閥、溫控裝置、氣液分離器、段控制器和安全防護裝置等；儀表用電源包括電源插頭、DC/DC變換器等。

2）分布類型。DC/DC變換器和段控制器均為可連續工作壽命型部件，電機和泵是具有一定壽命的可間歇工作的機電產品；各種閥門為重復性使用的部件，其主要工作模式為開啟或關閉，是典型的成敗型工作方式；熱電池和電爆管等一次性工作的部件，其工作特點類似于火工品；電池本體構造為整體式，且成本較高，一次性使用，是成敗型。

依據動力電池的工作特點，按其分布類型包括3種：可持續工作的壽命型部件；可重復性使用的成敗型部件；一次性工作的成敗型部件。按其分布類型，可開展相應的陸上可靠性試驗。

3.2陸上可靠性試驗方法及要求

動力電池陸上可靠性試驗相對比較復雜，本文僅從宏觀上提出基本的思路、方法和要求。

1）總體要求。動力電池陸上試驗或實航試驗，只要電解液與電池本體發生化學反應放電，則電池就是1次性的，若陸上可靠性試驗每次都放電，試驗費用與實航一樣，因成本問題，不可能進行大樣本量試驗，陸上可靠性試驗的目的就是彌補樣本量不足的問題，因此，陸上可靠性試驗要考慮重復性或持續性，不能每次都放電。

2）分類試驗。針對電池段的可持續工作的壽命型部件、可重復性使用的成敗型部件、一次性工作的成敗型部件分類進行試驗。

3）可持續工作的壽命型部件試驗。考慮到工程實際情況和試驗手段的可實現性，組部件齊全的電池段在專用的試驗臺架上進行，外部供電運轉，用水代替堿液進行循環，成敗型部件處于正常狀態，不工作。按照連續工作的壽命型產品的可靠性要求對其MTBF指標進行考核，試驗總時間滿足檢驗方案要求。

4）可重復性使用的成敗型部件試驗。各種閥門隨全段試驗時，人工控制其處于開啟或關閉，處于不工作狀態。全段試驗后需對其單獨試驗，采用使用頻率加速的方式對其指標進行考核，通過模擬方式使其開啟，開啟次數滿足檢驗方案的要求。

5）一次性工作的成敗型部件試驗。熱電池和電爆管，是采購貨架產品，其可靠性的數據可以采用廠家提供的可靠性數據。電池本體構造為整體式，且成本較高，一次性使用，隨全段試驗時不激活，試驗結束后進行一次放電試驗，以考核整個一次電池的功能。

6）電池段殼體試驗。由于殼體隨全雷進行海水浸泡試驗、出廠耐壓試驗、全雷耐壓試驗等考核，且其是典型的無運動部件機械結構件，認為其滿足分配的可靠度指標要求，不再進行專門的可靠性試驗。

7）電應力施加。交/直流輸入電壓的額定值和上下限均應與實航工作狀態相同，上下限通電時間各占通電總時間的25%［1，4］。

8）振動應力施加。振動應力應與實航相同，采用正弦振動、對數掃描，最大振幅為0.28mm、10/s2，頻率為10～150～10Hz，掃描速率不大于每分鐘一倍頻程，上下掃描一次的時間應等于魚雷完成一個任務剖面的等效工作時間［1，4］。

9）熱應力施加。0°C、25°C、40°C分別占實航工作狀態時間的1/4、1/2、1/4［1，4］。

10）濕度應力施加。由于魚雷實航處于密封狀態，陸上試驗時，濕度為自然環境條件。

4　實航可靠度評估

4.1可靠性增長階段評估

動力電池陸上放電試驗、陸上功率匹配試驗、安全性試驗、電磁兼容性試驗、實航試驗、陸上可靠性試驗等均納入可靠性評估，試驗結果均轉為成敗型信息，設成敗型可靠性數據為

式中，ni為發生第i（i=1，2…，f）次關聯故障的累積試驗次數。

按照文獻［5］進行可靠性增長趨勢檢驗和AMSAA模型擬合度檢驗，通過檢驗則按AMSAA模型對產品進行可靠性評估。

用下式進行模型參數a，b估計［5］。

成功截尾時為

失敗截尾時為

魚雷動力電池可靠度點估計和置信度為γ的置信下限分別為［5］

成功截尾時

失敗截尾時

對于上述可靠度的置信下限，文獻［5］給出了ρ的系數表。

若未通過AMSAA模型擬合檢驗，則不能用離散型AMSAA模型擬合增長數據。若經過檢驗判定其可靠性不具有增長趨勢，則可用典型可靠性評估可靠度。

4.2技術狀態穩定階段可靠性評估

隨著產品問題不斷解決，其技術狀態逐漸趨于穩定和固化，如定型試驗階段或定型后使用階段，在此階段采用經典統計可靠性評估方法。

設動力電池成敗型的可靠性試驗數據形式為（nf，f），其中nf為累積總試驗次數，f為試驗nf次時發生的關聯失效次數，則可靠度點估計為：

在給定置信水平為γ時，可靠度置信下限RL滿足下式

當f=0時，有

5　結束語

本文結合電池組成及性能特點，在可靠性檢驗方案、可靠性評估信息源、陸上可靠性試驗、可靠性評估等方面提出了相應的方法，對解決魚雷一次動力電池可靠性試驗與評估的難點問題具有一定的借鑒作用，特別是陸上可靠性試驗的總體思路、方法和要求，對解決電池可靠性試驗樣本量問題具有重要意義。但動力電池也有不同的類型，組成及工作原理也不相同，每型電池試驗方法需要進行具體研究，另外，陸上試驗與實航試驗的等效性還有差別，有待逐步改進完善。

參考文獻：

［1］GJBz20391-1997，魚雷可靠性鑒定與驗收試驗方法.

［2］孟慶玉，周徐昌.魚雷可靠性工程基礎.武漢：海軍工程大學，1989.12

［3］周源泉，翁朝曦.可靠性評定.北京：科學出版社，1990.

［4］GJB899A-2009，可靠性鑒定和驗收試驗.

［5］GJB/z77-1995，可靠性增長管理手冊.

Reliability Test and Estimation for Voyage Working of Torpedo’s High Power Battery

He Chenggang，Tang Shixuan
（91388thUnit，The People`s Liberation Army of China，Zhanjing524022，Guangdong，China）

Abstract：According to the composition and operating characteristic of success-fail type and life type of the torpedo’s high power battery，land reliability test method and requirement is put forward.With situation of technical status becomes more and more stable during developing process，reliability growth model and classical statistic evaluation method are applied in power battery reliability evaluation on stage of research and final test，a new consideration is supplied to its reliability test and evaluation.

Keywords:torpedo； high power battery； reliability； test； estimation

中圖分類號：TM91

文獻標識碼：A

文章編號：1003-4862（2016）06-0048-03

收稿日期：2016-03-10

作者簡介：賀成剛（1965-），男，碩士，高級工程師，研究方向：魚雷試驗總體技術。