艦面設備環境可靠性試驗技術綜述

胡恩來，胡彥平，陳津虎，宮曉春，褚亮

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艦面設備環境可靠性試驗技術綜述

胡恩來，胡彥平，陳津虎，宮曉春，褚亮

（北京強度環境研究所，北京 100076）

首先介紹了艦面設備環境可靠性的早期發展情況，其環境可靠性試驗極不充分，主要依據各種數據評估設備的可靠性。其次敘述了艦面設備環境可靠性試驗的近年來的發展過程及現狀，其環境可靠性試驗技術得到了長足的發展，著重介紹了當前的單機級產品與系統級產品相結合的環境可靠性試驗技術以及高可靠產品的加速可靠性試驗技術。最后總結了當前艦面設備環境可靠性試驗技術的不足之處，并給出了相應的建議，為艦面設備的后續環境可靠性試驗工作提供參考。

艦面設備；環境可靠性試驗；單機級；系統級

隨著海軍裝備的發展，艦載導彈的功能性能及可靠性水平不斷提高，導彈武器系統艦面設備的環境可靠性逐漸受到重視，其環境可靠性要求也逐步提高，環境可靠性水平逐漸成為影響導彈武器系統完成作戰任務的重要因素。在環境可靠性試驗方面，對艦載設備雖然已經做了大量的工作，奠定了堅實的基礎，但是面對海軍部隊的實戰化作戰需求還有一些不足。例如某些檢驗合格的艦面設備產品在海軍部隊實際使用過程中仍然存在環境適應性和可靠性方面的不足，有的還可能會降低裝備的可用性。為了彌補這些實際存在的不足之處，提升產品的環境可靠性水平，需要針對艦面設備進行環境可靠性試驗，暴露產品的薄弱環節，然后通過技術改進對產品設計和工藝進行優化，從而提高其環境適應性和可靠性，最終提升裝備的實戰化能力。

1 早期階段

從20世紀80年代到90年代初，國防科學技術工業委員會批準發布實施GJB 4—83，GJB 150—86，GJB 450—87，GJB 451—90，GJB 841—90，GJB 899—90，GJB 1060—91等多個系列環境和可靠性方面的國軍標以來，艦面設備的環境可靠性試驗工作逐漸在研制過程中普及實施。GJB 4—83主要依據國內艦船實測數據制定各種試驗條件，GJB 150—86，GJB899—90，GJB 1060—91更多的是依據國外標準翻譯[1-3]而成。20世紀90年代，我國海軍裝備因研制經費不充足和國外技術封鎖，缺乏相應的環境可靠性試驗設備和試驗技術，裝備的環境可靠性試驗開展得極其不足[4]。很多艦面設備的可靠性試驗均沒有條件開展，可靠性指標無法驗證，極大地限制了艦面設備可靠性水平的提高。艦面設備可靠性依據的是大量的數據評估結合少量的試驗，僅對少數關鍵的單機產品開展可靠性增長或鑒定試驗，對非關鍵的單機產品采用數據評估的方式獲得可靠性。對于大型復雜設備，由于試驗室設備能力的限制，也只能采用數據評估其可靠性。設備可靠性水平可采用各種摸底、驗收或鑒定試驗以及自然貯存試驗的數據，按照統計理論對其進行評估。劉祥[5]針對艦上大型復雜電子產品的特點，提出了可靠性綜合評定的方法。簡述了可靠性評定的基礎和評定程序，并以現役艦載作戰指揮系統為例，給出了評定思路和主要環節，同時就信息收集、評定方法選取、評定結果分析等進行了探討。馬紹力等[6]分析了MTBF保證試驗、可靠性增長試驗、可靠性綜合評定等方法的特點，結合艦上設備自身的產品特性，從單機級、系統級不同產品組成層級的角度，提出針對性的考核方法以驗證其可靠性水平。

艦面設備在海洋環境中工作，對海洋特殊環境適應性要求很高。要求設備具有抵抗高溫、低溫、濕熱、水、太陽輻射、鹽霧、霉菌等氣候環境和抵抗振動、顛震、傾斜和搖擺、沖擊等力學環境的能力。通過各種環境試驗能較短的試驗時間內發現薄弱環節，再加以改進從而提高艦面設備的可靠性。早期發展階段，艦面設備更多的是開展各種環境試驗（而不是可靠性試驗）來提高產品可靠性。張繼源[7]提出了通過嚴酷環境應力的環境試驗來提高雷達電子設備耐惡劣環境能力，研究耐受惡劣環境應力的防護方法，從而提高裝備可靠性。結合艦上產品特點，制定了濕熱、高溫、低溫、太陽輻射等環境應力的防護方法及具體實施方案。吳晗平[8]研究了溫度、濕度、鹽霧、霉菌等海洋氣候環境對艦上電子產品的腐蝕作用，介紹了耐受惡劣海洋氣候環境應力的防護總體方案，給出了幾種常見材料及鍍層的耐腐蝕性，并討論了密封防護技術。

根據GJB 4.7—83，GJB 150.16—86，GJB 1060.1—91，早期的艦船振動試驗只進行由螺旋槳葉片的擾動和螺旋槳軸系的不平衡力等引起的周期性正弦掃頻振動和危險頻率上的耐久定頻振動，而不考慮由艦船航速、航向、各種操作和海清等變化所引起的隨機振動。

2 發展與現狀

隨著投入的增加和技術的進步，艦面設備可靠性也得到了長足的發展。近10年來，艦面設備在研制過程中細化了環境可靠性指標，提出了明確的可環境靠性要求，促使了環境可靠性試驗在艦面設備系統及單機產品研制中得到大量開展，最終大幅提升艦面設備的環境可靠性。環境、可靠性標準方面，出現了一批GJB 150A—2009，GJB 450A—2004，GJB 451A— 2005，GJB 899A—2009等新標準替代原有的老標準。尤其是隨著艦船技術的進步和人們認識的提高，隨機振動逐漸成為振動試驗不可忽略的因素，在新的國軍標中振動試驗均考慮了隨機振動[9-11]。莫昌瑜等[12]依據振動數據處理方法和工程經驗，對艦上產品提出了基于實測數據的振動環境剖面全套制定方法。應用數理統計理論，對艦載設備振動環境實測數據進行參數假設檢驗，得到具有不同區域和不同狀態的特征樣本。采用修正后的容差上限法歸納特征樣本的隨機振動規范譜，確定試驗量值，再根據任務剖面確定試驗時間，得到艦載設備可靠性振動試驗剖面。曹心寬[13-14]針對艦上電子武器系統樣本量少、極度缺乏基礎數據這一難點，將變環境可靠性數據分析方法應用于評估艦上電子產品系統級可靠性水平，并給出了工程上不同環境之間等效關系的計算方法，充分利用陸上聯調、系泊航行等試驗數據，對艦上電子產品系統可靠性進行綜合評估，同時給出了該方法的典型應用案例。程林風等[15]針對艦船在運行、作戰等環境下引起的振動導致艦載電子設備出現故障，艦載武器無法正常運轉等問題，采用有限元分析方法對艦載電子機柜進行模態分析，依據有效模態質量和模態振型對艦載機柜的薄弱環節進行分析。提出了提高艦載機載抗振性能的幾項措施并進行了仿真驗證，提高了艦載武器系統工作的可靠性。此外，該方法可廣泛用于艦載印制板、零部件等薄弱環節的研究，為后續的抗振優化提供可靠依據。王學孔等[16]分析了利用可靠性試驗標準計算可靠性試驗剖面的局限性，介紹了利用實測數據制定可靠性試驗剖面的益處，總結了基于實測數據的可靠性試驗剖面常用編制方法，對于今后可靠性試驗剖面的制定具有一定的指導意義。

艦面設備的可靠性工作由原來的只有少量關鍵的單機產品進行可靠性試驗逐漸發展為幾乎全部的單機產品均進行可靠性試驗。2010年以前，受限于試驗設備的能力，艦面設備進行的可靠性摸底或驗證試驗主要是針對單機級產品，對系統級產品的可靠性主要是以綜合評估為主。隨著可靠性水平的不斷提高，艦面設備的可靠性指標也越來越高，艦面設備可靠性試驗時間也越來越長。單機設備的可靠性試驗時間更是大幅增加，有的甚至達到了幾萬小時。這么長的試驗時間無論是從研制經費還是從研制周期考慮，均難以接受。于是，工程實踐上出現了艦面設備可靠性試驗加速方案，同時還可以利用其他各種摸底、驗收或鑒定試驗以及自然貯存試驗的數據減少可靠性試驗時間。加速可靠性試驗通常先依據相關文獻資料[17]和工程經驗確定綜合環境應力的加速因子，然后制定加速可靠性試驗方案，最后根據方案進行加速可靠性試驗。張宏峰等[18]對加速可靠性試驗技術的目的、原理、試驗應力選取方法和注意事項進行了闡述，結合某型伺服系統加速可靠性增長試驗方案設計實例，對傳統可靠性增長試驗方案和加速可靠性增長試驗方案進行了比較，為加速可靠性試驗技術在伺服系統后續工程研制中的應用提供了研究思路和經驗借鑒。

僅僅開展單機級設備的環境可靠性試驗還遠遠不夠，單機級設備的環境可靠性試驗考核覆蓋不了系統級可靠性，有些系統級可靠性問題在單機考核的情況下往往不出現，而在系統考核的情況下才出現，因此必須進行系統級環境可靠性試驗考核。系統級設備的環境可靠性試驗雖然規模龐大，但是其載荷響應和邊界條件均更接近真實，試驗所暴露的故障模式和故障機理與實際更為一致，試驗結果更為可信，能更為有效地反映裝備的真實可靠性水平。隨著技術的發展，綜合環境試驗箱、振動臺、控制儀等試驗儀器設備能力和系統級環境可靠性試驗技術均得到大幅提高，對艦面設備實施系統級環境可靠性試驗考核已經具備條件。魏永杰等[19]分析了系統級可靠性試驗的必要性和意義，研究了系統級可靠性試驗技術，討論了系統級可靠性試驗的主要問題及解決方法。最后用列舉實例對系統級可靠性試驗的實用性與有效性進行了驗證。

近幾年來，得益于環境可靠性試驗系統能力的提高和試驗技術的進步，艦面設備系統級產品環境可靠性試驗也具備了實施的條件，通過艦面設備系統級可靠性試驗能直接驗證艦面設備系統可靠性，而不是僅依靠單機級設備的環境可靠性試驗、聯調試驗和其他試驗數據來評估系統可靠性。系統級可靠性試驗不僅能考核各個單機，還能考核各個單機的連接部位以及整個系統。工程實踐表明，系統級可靠性試驗能發現一些單機可靠性試驗發現不了的問題。單機設備可靠性試驗和系統級可靠性試驗各有優缺點，不能簡單地替代。為了更好地考核艦面設備可靠性，不能僅僅開展單機設備可靠性試驗而不開展系統級可靠性試驗，或者僅僅開展系統級可靠性試驗而不開展單機設備可靠性試驗，應該既開展單機設備可靠性試驗又開展系統級可靠性試驗。考慮到研制經費和研制周期，可采用關鍵單機和系統相結合的方式開展艦面設備可靠性試驗，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。朱曦全[20]研究了近年來航天設備可靠性試驗的工程案例，總結了單機級設備和系統級設備可靠性試驗方法的特點，討論了不同層級設備可靠性試驗之間的相互關系，并列舉了可靠性試驗實施過程需要關注的問題。

某型號艦面設備研制過程中開展的可靠性增長試驗，先后暴露了某分系統的5個潛在缺陷[21]。通過故障分析和設計改進，大幅提高了該系統的可靠性。然后，在定型階段，該艦面設備無故障通過了可靠性鑒定試驗的考核。在某型號艦面設備的環境鑒定試驗過程中，也引入了系統級考核方案。對于氣候環境試驗，系統的所有產品均同時參加試驗，以系統的形式考核；對于力學環境試驗，產品以單機的形式開展試驗，同時系統的其他產品均進行陪試，以系統的形式考核。系統級環境試驗發現了單機環境試驗未發現的問題，提高了系統的可靠性。

3 可靠性試驗方法

當前的艦面設備可靠性試驗方法主要是針對關鍵的單機級產品和與系統級產品，進行單機和系統結合的可靠性試驗[22-25]。首先分析確定艦面設備系統的關重件單機、薄弱環節單機和新研單機等關鍵的單機級產品，再針對關鍵的單機級產品進行可靠性試驗，通過單機級可靠性試驗驗證和提高單機產品的可靠性。然后針對艦面設備系統進行可靠性試驗驗證和提高系統的可靠性。可靠性試驗的指標參數可依據可靠性設計要求文件的相關規定確定；可靠性試驗條件依據環境條件和試驗要求的相關規定確定；可靠性試驗的試驗方案依據研制任務書和GJB 899A—2009確定；最后綜合制定艦面設備的可靠性試驗方案。

3.1 可靠性增長試驗方案

1）對于電子產品，其壽命和可靠性通常服從指數分布，采用指數分布的零故障定時截尾可靠性試驗方案。可靠性試驗總時間為：

2）對于復雜的機電產品，其壽命和可靠性一般通常服從威布爾分布，采用威布爾分布的零故障定時截尾可靠性試驗方案。可靠性試驗總時間為：

式中：為置信度；為形狀參數。

3）對于電子和機電一體化產品，當可靠性增長模型未知時，其試驗時間一般采用指數分布無模型定時截尾可靠性試驗方案確定。

對于可靠性增長試驗，其試驗剖面相對來說較為簡單，如圖1所示。一般包括低溫和高溫兩個階段，每個階段又分貯存和工作兩種狀態，共四個溫度段。其中貯存狀態產品不通電、不加振動；工作階段，產品通電、加振動。此外，高溫階段要施加較高的相對濕度。可靠性試驗的的溫度、濕度、振動和電應力環境條件均來自研制任務書和研制技術條件，或者根據實測的環境數據制定相應的環境條件。

圖1 可靠性增長試驗剖面

3.2 可靠性鑒定試驗方案

可靠性鑒定試驗方案一般是按照研制任務書規定的GJB 899A—2009中的統計方案號所對應的系數計算可靠性試驗時間。對于可靠性鑒定試驗或采用鑒定試驗方案的可靠性增長試驗，其試驗剖面一般是結合研制任務書和研制技術條件的相關規定或實際測得的數據對GJB 899A—2009中艦面設備的試驗剖面進行適當的剪裁。可靠性鑒定試驗的典型試驗剖面如圖2所示。

經調研，現有的艦面設備可靠性試驗剖面形式主要有兩種類型，一種是嚴格按照GJB 899A—2009的試驗剖面形式或者將GJB 899A—2009的試驗剖面形式拆分成多個試驗剖面再組合的形式。某發射系統可靠性試驗剖面是嚴格按照GJB 899A—2009的試驗剖面形式；組件可靠性鑒定試驗剖面是將GJB 899A—2009的試驗剖面形式簡化為冷天剖面-標準天剖面-熱天剖面組合。

另一種是將復雜GJB 899A—2009的試驗剖面簡化為類似可靠性增長剖面的幾個溫度段組合的剖面形式。某型號艦面設備可靠性鑒定試驗的剖面是在GJB 899A—2009中艦船設備艙外設備剖面和無溫控艙內設備剖面的基礎上進行了加速簡化處理，簡化為冷天-標準天-熱天-熱天-標準天-冷天的溫度剖面，如圖3所示。某發射箱可靠性鑒定試驗的剖面是在GJB 899A—2009中艦船艙外設備剖面的基礎上進行了簡化處理，簡化為冷天-標準天-熱天剖面，如圖4所示。

圖2 可靠性鑒定試驗剖面

圖3 某艦面設備加速可靠性鑒定試驗剖面

圖4 某發射箱可靠性鑒定試驗剖面

3.3 加速可靠性試驗方案

對于某些艦面設備，由于任務時間長，其可靠性試驗時間很長。受限于研制周期和研制經費，可靠性試驗很難采用常規的方案（不加速）開展。這種情況下，只能進行加速可靠性試驗。一般先依據相關文獻資料和工程經驗確定綜合環境應力的折算環境因子，再由環境因子折算出加速可靠性試驗時間。然后按照加速試驗方案[26]開展可靠性試驗。

4 不足之處

5 結語

艦面設備環境可靠性工程是一個試驗、改進、再試驗、再改進的逐漸優化的過程，同時試驗技術也在持續改進，逐漸模擬出與真實環境條件一致的環境應力。先進的環境可靠性試驗技術能最大程度地評估和驗證艦面設備的環境可靠性水平，更有效地提高艦面設備的環境可靠性，增強海軍部隊的戰斗力。艦面設備多個型號的工程實踐表明，單機與系統相結合的環境可靠性試驗方案能快速實現艦面設備環境可靠性的評估、驗證及提高。

針對艦面設備環境可靠性工作的現狀，提出以下建議：進一步推廣其他型號艦面設備應用關鍵單機與系統相結合的環境可靠性試驗方案；開展艦面設備實際環境應力測量和數據收集，制定更接近實際的環境可靠性試驗條件，實現更有效的環境可靠性評估與驗證；收集大量的值班數據或試驗數據來驗證或修正加速可靠性試驗加速因子的準確性，并開展大量的試驗對比驗證；建立更加充分的綜合應力試驗方法，同時考核設備在溫度、濕度、振動、鹽霧和太陽輻射綜合環境應力下的可靠性。

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Review on Reliability Test Techniques of Ship-deck Equipment

HU En-laiHU Yan-pingCHEN Jin-huGONG Xiao-chunCHU Liang

(Beijing Institute of Structure and Environment Engineering, Beijing 100076, China)

Firstly, early development of reliability work of ship-deck equipment was introduced. Since the environmental reliability-tests were very inadequate, equipment reliability was mainly evaluated by different kinds of data . And then, development process and status of reliability test of ship-deck equipment development were described. Environmental reliability test technique also achieved significant development. It focused on both accelerated reliability test of high reliable equipment and the present reliability test program combined with key equipment and system. Finally, some inadequacies of reliability test technique of present ship-deck equipment development were concluded, and the corresponding advices were suggested to provide reference for reliability engineering of other ship-deck equipment.

ship-deck equipment; environmental reliability test; single level; system level

10.7643/ issn.1672-9242.2018.01.012

TJ01

A

1672-9242(2018)01-0053-05

2017-09-05；

2017-10-18

胡恩來（1984—），男，北京人，博士，高級工程師，主要研究方向為環境可靠性、加速貯存試驗技術。