艦面設備可靠性試驗工程實踐

劉楊，胡恩來，胡彥平，陳津虎，宮曉春

（1.海軍駐上海地區航天系統軍事代表室，上海 201109；2.北京強度環境研究所，北京 100076）

艦面設備可靠性試驗工程實踐

劉楊1，胡恩來2，胡彥平2，陳津虎2，宮曉春2

（1.海軍駐上海地區航天系統軍事代表室，上海 201109；2.北京強度環境研究所，北京 100076）

目的 開展艦面設備可靠性試驗工程實踐。方法 在艦面設備研制階段，策劃提出關鍵單機與系統相結合的可靠性試驗方案。結果 快速提高艦面設備的系統可靠性。結論 近幾年多個型號艦面設備的可靠性試驗工程實踐，有效促進了海軍導彈武器系統的整體可靠性水平的提高，為其他艦面設備的可靠性工程提供參考。

艦面設備；關鍵單機；可靠性試驗

隨著海軍裝備作戰需求的不斷提高，不僅導彈的性能和可靠性越來越受到重視，導彈武器系統艦面設備的可靠性要求也越來越高。艦面設備的可靠性水平是導彈武器系統任務成功性的重要環節。通過調研發現艦船裝備在環境可靠性方面已經做了一定的工作，打下了初步基礎，但離部隊的實際使用要求還有一定的差距。這主要表現在驗收合格交付部隊使用的裝備仍存在一些環境可靠性問題，嚴重的甚至影響使用[1]。為解決這些實際問題，進一步提高艦面設備使用可靠性，提高實戰化能力，對于新研型號，在研制階段專門策劃開展了艦面設備的可靠性試驗，以暴露潛在缺陷進而改進設計，最終提高艦面設備的可靠性。與以往不同的是，本次艦面設備可靠性使用采用單機與系統相結合的方式進行，在初樣、試樣階段開展單機、系統的可靠性增長試驗，暴露故障，改進設計，并對可靠性進行摸底。在定型階段開展系統級可靠性鑒定試驗，以多個分系統聯調的狀態開展試驗，保證邊界條件真實，測試覆蓋全面，技術狀態準確。艦面設備可靠性試驗工程實踐結果表明，艦面設備的這種單機與系統相結合的可靠性試驗能更真實地反映其可靠性水平。

1 艦面設備可靠性試驗策劃

2010年以前，由于試驗設備能力的限制，艦面設備在研制階段，主要是對單機設備開展可靠性試驗，對系統級設備可靠性的回答主要以綜合評估為主。僅僅開展單機的環境可靠性試驗還不夠，單機的環境可靠性試驗不能考核到產品在系統中的全部工作功能和工作模式，系統工作時有發生系統性可靠性問題的可能，這種問題往往在單機工作情況下并不能體現，故還需要對系統整體可靠性進行考核。對系統級產品進行的可靠性試驗往往規模較大，但由于其邊界條件、載荷施加、結構響應更為真實，試驗過程中所體現出的故障模式也更加真實可信，能夠有效地反應產品的實際可靠性水平。隨著試驗箱、振動臺等試驗設備能力的提升，艦面設備系統級可靠性試驗的開展已經成為可能。并且單機與系統相結合的可靠性試驗技術已經在其他產品上得到了成功的應用[2]。

研制過程中先安排開展艦面設備關鍵單機及系統可靠性增長試驗，暴露設計和制造缺陷，通過設計更改切實提高可靠性，之后再安排開展艦面設備關鍵單機及系統可靠性鑒定試驗。可靠性增長試驗也可采用預鑒定的試驗方案。海軍某艦面設備按照策劃先后開展關鍵單機可靠性試驗以及系統可靠性試驗后，其可靠性水平得到顯著提高，在后續的飛行試驗和部隊使用中均有所體現。

2 可靠性試驗方案

開展可靠性試驗[3—4]需要先確定試驗采取的方案，再根據相關標準、研制要求和實際使用狀態制定出適合艦面設備的試驗剖面，然后按照試驗剖面施加各種環境應力并依據標準規定的方案完成可靠性試驗。

2.1 試驗方案

1）可靠性增長試驗方案[5—7]。對于電子設備，其可靠性服從指數分布，一般采用指數分布零故障定時截尾試驗方案。試驗時間按式（1）和式（2）計算。

式中：RL為可靠性置信下限；t為任務時間；MTBFL為平均無故障工作時間；T為總試驗時間；n為樣本數；β為使用方風險。

對于復雜機電產品，其可靠性服從威布爾分布，一般采用威布爾分布零故障定時截尾試驗方案。試驗時間為：

式中：t為任務時間；γ為置信度；RL為可靠性置信下限；n為樣本量；m為形狀參數。

對于電子產品和機電一體產品，當增長模型未知時，其總試驗時間的確定，通常采用指數分布的無模型定時截尾方案，如式（1）、（2）所示。

2）對于可靠性鑒定試驗或者采用預鑒定的試驗方案的可靠性增長試驗，試驗時間按照 GJB 899A—2009中的相應方案執行。

3）對于試驗時間很長的可靠性試驗，由于研制周期和研制經費的限制，可靠性試驗很難按照通常的方案（不加速）進行。這種情況下，一般先根據相關標準、文獻[8—9]和工程經驗制定加速試驗方案，然后按照加速試驗方案開展可靠性試驗。

2.2 試驗剖面制定

由于各個設備的研制要求和實際使用狀態的環境條件不盡相同，有些環境條件甚至與標準中的試驗剖面條件相沖突。因此艦面設備可靠性試驗剖面[10]的制定不能簡單地直接引用標準條件，要結合艦面設備的研制要求和實際使用狀態的環境條件對相關標準進行適當的剪裁，獲得更加符合艦面設備的試驗剖面。可靠性試驗剖面一般采用四綜合環境條件，包括溫度、濕度、振動和電應力，有效試驗時間通常是綜合環境應力試驗時間。對于溫度、濕度、電應力，其對艦面設備的影響相對較小，一般是結合研制要求和相關標準確定。對于振動應力，不同的標準對振動的規定不一致，應根據研制要求和實際海域相關海況的實測數據確定采用的標準，見表1。對于鑒定試驗或增長代鑒定試驗，一般選用GJB 899A—2009。對于實際測量的振動數據，海況較好時，其振動量級很小，且炮擊時的艦船振動與無炮擊時的振動量級相差較大；海況不好時，艦船的振動較大，且還受到海浪的沖擊作用。有條件時應根據多種不同海況的實測數據包絡制定艦船振動的試驗條件。若實測數據中有較大的沖擊響應，剖面中應考慮加入艦船沖擊。

對于可靠性增長試驗，試驗剖面一般可根據研制要求規定的環境條件或者任務剖面內的實際環境條件制定，環境剖面也相對簡單。圖1所示的可靠性增長試驗剖面包括低溫貯存、低溫工作、高溫貯存、高溫工作四個溫度段，四個溫度段的環境條件均來自研制要求。對于可靠性鑒定試驗[11—12]或者采用預鑒定方案的可靠性增長試驗，試驗剖面一般是在 GJB 899A—2009中艦面設備的試驗剖面[13]基礎上，結合研制要求的相關條件規定或充分的實測數據進行適當的剪裁。可靠性鑒定試驗典型剖面如圖2所示。

表1 艦船振動條件

圖1 可靠性增長試驗剖面

圖2 可靠性鑒定試驗剖面

3 可靠性試驗

采用關鍵單機與系統相結合的思路，對艦面設備開展關鍵單機及系統的可靠性試驗[14—15]，首先通過分析選取艦面設備各分系統的關鍵單機或新研單機開展單機級可靠性試驗，之后再以分系統的形式開展系統級可靠性試驗。

先通過關鍵單機可靠性試驗暴露單機設備潛在缺陷進而改進設計，提高關鍵單機的可靠性，從而達到提高艦面設備系統可靠性的目的。再通過系統及可靠性試驗暴露系統潛在缺陷進而改進設計，最終提高艦面設備的系統可靠性。

艦面設備關鍵單機可靠性試驗狀態如圖3所示，系統可靠性試驗狀態如圖4所示。

圖3 艦面設備單機可靠性試驗

圖4 艦面設備系統可靠性試驗

在某艦面設備型號研制過程中進行的可靠性增長試驗過程中，某分系統先后出現了近5個故障。通過改進設計，大幅提高了系統可靠性。在隨后的可靠性鑒定試驗中，該艦面設備未出現故障，順利的通過了可靠性鑒定試驗。

4 結語

海軍艦面設備的可靠性試驗工程實踐是一個不斷進步的過程，不斷采用先進的可靠性試驗技術和方案，可不斷提高艦面設備的可靠性和實戰化水平。經過近幾年多個型號艦面設備的可靠性工程實踐，結果表明，開展關鍵單機與系統相結合的可靠性試驗，能較好地實現艦面設備系統可靠性的快速增長。然而，艦面設備當前的可靠性試驗條件均來自于標準，有些條件可能過于嚴酷，后續應充分收集或者采集實測數據，進而包絡出更加真實的試驗條件，最終更真實地評估艦面設備的可靠性。

[1] 楊萬均, 肖敏, 張燕, 等. 艦面電子設備機柜防護失效分析與對策研究[J]. 裝備環境工程, 2012, 9(6): 83—87.

[2] 朱曦全. 單機和系統級航天產品綜合環境可靠性試驗技術的工程應用[J]. 導彈與航天運載技術, 2007(4): 32—36.

[3] 祝耀昌. 可靠性試驗及其發展綜述[J]. 航空標準化與質量, 2005, 24(5): 32—35.

[4] 趙瑩雪, 劉暉. 裝備研制(改造)中加強環境試驗與可靠性試驗[J]. 裝備環境工程, 2014, 10(2): 75—78.

[5] 胡彥平, 張正平, 李海波, 等. 航天產品可靠性增長試驗指南應用探討[J]. 強度與環境, 2011, 38(2): 44—48.

[6] GJB 1407—1992, 可靠性增長試驗[S].

[7] QJ 3127—2000, 航天產品可靠性增長試驗指南[S].

[8] 寧建法, 李文釗. 彈上電子產品起飛前工作時間折算研究[J]. 強度與環境, 2010, 37(3): 41—44.

[9] 李海波, 張正平, 胡彥平. 加速壽命試驗方法及其在航天產品中的應用[J]. 強度與環境. 2007, 34(1): 2—10.

[10] 楊喜存, 單軍勇. 從某正樣機的鑒定試驗談可靠性試驗設計[J]. 裝備環境工程, 2015, 12(1): 93—96.

[11] 王春暉, 邱述斌. 可靠性鑒定試驗受試樣品的軟硬件聯合測試技術[J]. 裝備環境工程, 2014, 11(2): 64—68.

[12] GJB 899A—2009, 可靠性鑒定與驗收試驗[S].

[13] 蔡健平, 張萌, 趙婉. 艦載導彈武器全壽命期環境剖面確定方法[J]. 裝備環境工程, 2014, 11(5): 92—96.

[14] GJB 150A—2009 , 軍用裝備實驗室環境試驗方法[S].

[15] 陳永祥, 李憲珊. 基于AMSAA模型評估不可修復的威布爾分布產品可靠性[J]. 強度與環境, 2013, 40(2): 51—55.

Engineering Practice on Reliability Test of Ship-deck Equipment

LIU Yang1,HU En-lai2,HU Yan-ping2,CHEN Jin-hu2,GONG Xiao-chun2
（1.Military Representatives Office of Navy in Shanghai Aerospace System, Shanghai 201109, China; 2. Beijing Institute of Structure and Environment Engineering, Beijing 100076, China）

Objective To carry out practices on reliability test of ship-deck equipments. Methods A reliability test program combined with key equipment and system was proposed during the development phase of ship-deck equipments. Results The system reliability of ship-deck equipment was improved rapidly. Conclusion Engineering practices on reliability test of multi-projects ship-deck equipment in recent years effectively enhances the integral reliability of navy missile weapon systems, and provides references for reliability engineering of other ship-deck equipment.

ship-deck equipment; key equipment; reliability test

10.7643/ issn.1672-9242.2017.01.020

TJ07

A

1672-9242(2017)01-0087-04

2016-07-17；

2016-08-25

劉楊（1984—）男，工程師，研究方向為導彈武器系統.