魚雷有壽件確定及壽命評估方法研究

崔燦麗 ,曲大偉 ,謝承甫 ,姜成坤

(1.中國船舶集團有限公司 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,由于魚雷涉及機械、電子及火工品等眾多類型有壽件的維護約束(如動力系統航程壽命、慣性測量組合標定有效期、火工品和橡膠老化壽命、彈簧疲勞壽命等),如無法科學、合理確定其壽命參數,將會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影響魚雷的整體壽命指標。因此,根據魚雷的結構特點,亟需開展有壽件劃分方法及其壽命評價方法研究。

為制定合理的維修策略,已有學者針對裝備的有壽件劃分及壽命評估開展了相應研究。邵松世等[1]對正態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,能夠為有壽件保障方案的制定提供決策支持,但該方法僅適用于數據量充足、壽命特征清晰的產品。易勇華等[2]建立了一種基于正態近似的指數型有壽件備件需求預測模型,但該模型通過壽命預測備件需求量時,存在壽命評估精度的問題。張峰等[3]應用方差分析法進行了飛機有壽件壽命分析,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境特點出發,以可靠性為中心的維修(reliability centered maintenance,RCM)理論為基本觀點,從不同壽命數據的情形,針對魚雷有壽件的確定原則、壽命表征參數的選取、有壽件的壽命特征分布以及壽命評估方法等展開研究,為制定科學合理的魚雷維修保障方案提供技術支撐。

1 魚雷環境特點

魚雷是一種能自動推進并按預定航向和深度航行,自動導向目標且在命中目標時能自動爆炸的水中兵器,在其整個壽命周期內,具有典型的“長期貯存,一次使用” 特點。全雷在全壽命周期先后經歷運輸、貯存、轉運、裝載和實航等各個階段,先后處于低溫、高溫、溫度變化、濕熱、低氣壓和鹽霧等氣候環境,振動、沖擊、加速度和顛震等力學環境,以及霉菌生物環境。

魚雷的壽命階段主要包括貯存階段、裝載階段和實航階段。

1) 貯存階段的主要工作為倉庫貯存、運輸裝卸、技術準備和日常維護等。倉庫貯存階段主要經歷高溫、低溫、濕熱、鹽霧及霉菌等環境,且通常倉庫和工房均有溫濕度控制措施,即一般不會出現外界的極值環境[4]。運輸裝卸階段通常經歷高溫、低溫、濕熱、運輸(振動、沖擊)、過載和太陽輻射等環境。技術準備和日常維護的工作內容為戰備轉級和維護操作,主要經歷溫度、濕熱、過載、沖擊、振動、鹽霧和霉菌等不同環境[5]。

2) 裝載階段根據裝載平臺的不同而經歷不同的環境類型。魚雷的裝載平臺通常包括直升機、固定翼飛機、水面艦艇和火箭助飛平臺等。直升機和固定翼飛機的環境因素通常包括振動、加速度、電磁和溫度。水面艦艇主要經歷包括發射管內的溫度、濕度,甲板上電磁、鹽霧、霉菌和風雨冰雪,以及沖擊、振動、搖擺和傾斜等[6]。火箭助飛平臺主要包括分離沖擊、氣流振動和加速度等環境[7]。

3) 水下實航階段要經歷不同水溫、噪聲、振動、腐蝕、過載、海水壓力及大機動時的恒加速度等不同環境。

2 有壽件確定原則及壽命表征參數選取

2.1 有壽件確定原則

在進行有壽件分析時,建立與保障性分析的聯系,利用其RCM 基本觀點制定邏輯決斷圖。通過邏輯決斷,確定魚雷現場可替換模塊(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,定時維修的組、部件可確定為有壽件,并給出壽命指標;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,其設計壽命應與魚雷的服役期限保持一致。

參照RCM 理論的基本觀點,只有具備以下全部條件的產品,才需要執行定時維修策略,即可定為有壽件。具體包括:

1) 設備功能故障會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)中嚴重影響分析結果為I、II 類或故障后有重大經濟損失的III 類);

2) 設備故障模式與日歷或工作時間相關,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) 設備不能按視情維修的方式進行維修。

借用產品可根據其壽命特征以及適應新型號的特點,制定有壽件的維護保養措施。針對魚雷新研設備,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,針對圖中不確定壽命指標的設備,若其故障模式與耗損無關,可僅提可靠性指標,如電子設備可靠性指標平均無故障工作時間(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

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

2.3 表征參數選取原則

魚雷有壽件在選取壽命表征參數時,應根據其產品類型、工作特點、失效機理及采取的維修方式確定[8],一般原則如下:

1) 魚雷殼體應與裝備同壽,一般不定為有壽件,其壽命表征參數可為使用壽命;

2) 魚雷發動機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) 雷上設備采用定時維修的,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;故障模式與日歷時間無關的設備不應選用日歷持續時間;

4) 雷上若涉及彈藥和火工品等,可選用貯存壽命;

5) 有壽件可同時給出2 個或2 個以上的壽命指標,用戶使用時以先到達者為準。

原則上雷上設備的壽命指標應與裝備服役期限、維修方案相互協調。根據以上原則,制定魚雷有壽件壽命表征參數的確定流程如圖2 所示。

圖2 魚雷有壽件壽命表征參數確定流程圖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 典型產品壽命分布類型

根據魚雷組成及結構特點,主要涉及電子、機電、機械、非金屬和火工品等多種類型產品,結合魚雷在壽命周期內承受的各種環境應力及失效機理分析,劃分魚雷有壽件的常用壽命特征分布,如表1 所示,表中分布對照關系僅為近似分布類型,非絕對理想的對應,僅作參考。

表1 典型產品壽命分布類型對照表Table 1 Comparison of life distribution types of typical products

3.2 典型壽命特征模型

根據魚雷典型產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,包括指數分布、威布爾分布、正態分布和對數正態分布等。

3.2.1 指數分布

指數分布的概率密度函數為

可靠度函數

則服從指數分布的壽命參數如下。

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特征壽命

中位壽命

可靠壽命

式中,R和λ分別為規定壽命的可靠度和失效率。

針對雷上服從指數分布的產品,鑒于其失效率為定值,且指數分布具有“無記憶性”,即服從指數分布的產品在工作一段時間后,重新開始工作,和新產品類同。因此,服從指數分布的產品一般提可靠性指標,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

式中:m為形狀參數;t0為尺度參數;γ為位置參數。

當t0用 ηm代替時,η稱為特征壽命或真尺度參數。則可靠度函數為

當γ=0,稱其為兩參數威布爾分布。

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

針對雷上服從威布爾分布的設備,可使用規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[10]。

3.2.3 正態分布

正態分布的概率密度函數為[2]

式中,μ和 σ分別為位置參數和尺度參數。

可靠度函數

失效率函數

則可靠壽命為

式中,zp為標準正態分布分位點值。

中位壽命

針對雷上服從正態分布的設備,其壽命指標可用指定可靠度的可靠壽命來表示。

3.2.4 對數正態分布

對數正態分布的概率密度函數為

可靠度函數

故障率函數為

或(自然對數)

式中,φ為標準正態分布概率密度的函數值。

平均壽命和方差為

或 (自然對數)

式中,σ′是對數正態分布的標準差。

則可靠壽命

式中,zp是標準正態分布的分位點值。

對數正態分布可用于魚雷機械零件的疲勞壽命分析,在實際使用時,其使用壽命可用規定可靠度的可靠壽命表示。

4 有壽件壽命評估方法

4.1 壽命評估流程

魚雷有壽件的壽命評估流程如圖3 所示。

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

4.2 壽命評估方法

目前常用的壽命評估方法一般包括實驗室使用壽命試驗、現場信息法、最短壽命零部件法和工程分析方法,適用情況見表2。

表2 壽命試驗與評估方法適用情況Table 2 Application of life test and evaluation methods

4.2.1 實驗室使用壽命試驗

實驗室壽命試驗是模擬實際使用狀態的試驗,可驗證有壽件的首次大修期限或使用壽命指標。實驗室壽命試驗可參考航空機載產品的做法,取產品首次大修期限的1～1.5 倍作為試驗時間,也可根據有壽件的使用特點確定,樣品數量一般不應少于2 臺(套)。試驗結束后,根據試驗數據量確定采取的數據處理方法。

1) 理論計算

在數據充足的情況下,可采用理論計算,確定壽命特征參數,具體方法詳見3.2 節。

2) 工程經驗法

在數據不足的情況下,可采用工程經驗法。若某有壽件壽命試驗到每臺受試產品試驗時間T截止時,全部產品均未發生關聯故障,則產品的首次大修期限或使用壽命為

式中,經驗修正系數K≈1.5,或采用理論修正系數(具體數值由承制方和使用方應承擔的風險及樣品的多少確定,見表3),具體理論計算結果可從可靠性工程手冊中獲取。

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

如果受試產品壽命試驗到t0截止時,有γ個關聯故障發生,則該有壽件的首次大修期間或使用壽命為

式中:ti為第i個受試產品發生關聯故障的時間;n為被試產品數量;經驗修正系數K0=1.5,或查閱相關數據手冊使用理論修正系數。

如果受試產品試驗到tn截止時,全部被試產品先后發生關聯故障,則該有壽件的首次大修期限或使用壽命

式中,經驗修正系數K1>1.5,或查閱相關數據手冊使用理論修正系數。

4.2.2 現場信息法

現場信息法是利用有壽件在現場使用下所獲得的信息來確定產品壽命的方法。該方法主要適用于存在刪失數據的情況[11],數據處理方法采用殘存比率法。

1) 不同時間區間的故障數

將魚雷受試組件按固定時間間隔進行劃分,統計每個時間段的故障數,則不同時間段的故障數為

式中:rti為某產品的第i個時間點發生的故障數;rti-1為某產品的第i-1個時間點發生的故障數。

2) 不同時間區間的刪除數

魚雷受試組件不同時間區間的刪除數為

式中:kti為某產品的第i個時間點發生的刪除數;kti-1為某產品的第i-1個時間點發生的刪除數。

3) 繼續使用數量

產品在ti時刻繼續使用的數量為

式中,n為投入的產品數量。

4) 殘存比率

產品在ti-1-ti內的殘存比率為

5) 可靠度

產品在ti時刻的可靠度為

6) 壽命評估步驟

a) 按照殘存比率計算,得出現場信息和計算結果;

b) 求出ti和R(ti)并畫出產品的可靠度曲線;

c) 根據規定的可靠度,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證或給定壽命產品中壽命最短又能決定產品壽命的零部件,按4.2.1 節方法對該零部件進行試驗,根據該零部件試驗結果給定整個有壽件的壽命。

4.2.4 工程分析方法(相似產品法)相似產品法是將評估對象同已通過驗證或實際使用結果證明滿足壽命要求的相似產品,從結構、功能、制造工藝、采用的原材料及使用環境條件等方面進行全面對比分析,根據相似產品的壽命驗證結果做出有壽件的壽命水平結論。

5 評估案例

文中案例采用“現場信息法”進行敘述。

5.1 歷史壽命數據收集

若現場統計某在役魚雷設備A 的貯存情況,其壽命表征參數為貯存壽命,統計數量共180 個,求該設備A 可靠度為0.93 時對應的貯存壽命。

1) 統計數據計算

表4為某在役魚雷設備A 現場統計數據,將表中現場信息按4.2.2 節計算,生成表5。

表4 魚雷設備現場統計數據Table 4 On-site statistical data of torpedo equipment

表5 殘存比率計算表Table 5 Residual ratio calculation

2) 可靠性曲線

根據表5 中的數據,利用MINITAB 軟件采用二次曲線進行擬合,得到貯存時間t的可靠性曲線見圖4。

圖4 貯存時間可靠性曲線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 結束語

文中以魚雷的環境分析為切入點,以新研設備的有壽件劃分及評定為著力點,為制定科學合理的魚雷維修保障方案提供設計信息。文中主要探討了以下內容:

1) 結合保障性分析,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提供了選取原則;

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

3) 給出了魚雷的壽命評估流程、常用的理論評估方法及工程經驗法,并以某典型魚雷A為例,介紹了現場信息法的應用,為其他有壽件的評估提供了思路。

魚雷有壽件是從概率的角度進行分析評價,文中給出了多種評估方法作為選擇,實驗室使用壽命試驗方法中采用了經驗系數,系數的選擇對評估結果存在一定誤差,后續應進一步從雙方風險的角度開展系數的選取以減少誤差。