艦船動(dòng)力裝備可靠性指標(biāo)驗(yàn)證技術(shù)與改進(jìn)優(yōu)化

王利偉，謝 寬

應(yīng)用研究

艦船動(dòng)力裝備可靠性指標(biāo)驗(yàn)證技術(shù)與改進(jìn)優(yōu)化

王利偉，謝 寬

（91404部隊(duì)91分隊(duì)，河北秦皇島 066001）

將國(guó)產(chǎn)化的艦船動(dòng)力裝備可靠性考核指標(biāo)分解，對(duì)各指標(biāo)試驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù)剖析及設(shè)計(jì)，闡述試驗(yàn)改進(jìn)的方向，及具體論述了可靠性改進(jìn)的試驗(yàn)圖譜，并提出后續(xù)試驗(yàn)實(shí)施要點(diǎn)與需把控的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。

固有可用度 可達(dá)可用度 平均故障間隔時(shí)間

0 引言

艦船動(dòng)力裝備作為艦船動(dòng)力系統(tǒng)的核心動(dòng)力設(shè)備，隨著我海軍活動(dòng)區(qū)域的覆蓋，不僅對(duì)艦船動(dòng)力裝備的性能指標(biāo)提出了更高的要求，而且對(duì)艦船動(dòng)力裝備的可靠性也提出了較高的要求，以確保艦船動(dòng)力裝備具備高可靠、長(zhǎng)壽命等方面的特性，從而滿足日益提升的艦船作訓(xùn)、作戰(zhàn)使用強(qiáng)度的要求[1]。

圖1 典型艦船動(dòng)力裝備

1 艦船動(dòng)力裝備可靠性試驗(yàn)的現(xiàn)狀

某型燃?xì)廨啓C(jī)從國(guó)外引進(jìn)時(shí)受歷史限制，尚未開(kāi)展關(guān)、重零部件和整機(jī)可靠性試驗(yàn)。隨后開(kāi)展多個(gè)階段國(guó)產(chǎn)化研制及同步開(kāi)展可靠性試驗(yàn)。以前船用柴油機(jī)都是引進(jìn)的，可靠性試驗(yàn)都不做的，第二代柴油機(jī)的國(guó)產(chǎn)化才提出可靠性的要求[2]。

2 動(dòng)力裝備可靠性指標(biāo)含義與驗(yàn)證

可靠性鑒定試驗(yàn)的目的是驗(yàn)證被試品的設(shè)計(jì)是否達(dá)到了規(guī)定的可靠性要求。所謂動(dòng)力裝置的可靠性，就是其在設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)所規(guī)定的條件下，在給定的時(shí)間內(nèi)，動(dòng)力裝置按預(yù)定轉(zhuǎn)速和運(yùn)轉(zhuǎn)性能或技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行正常工作的概率。鑒定階段柴油機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力裝備的可靠性指標(biāo)通常包括六性綜合指標(biāo)可達(dá)可用度、固有可用度、平均故障間隔時(shí)間MTBF等動(dòng)力裝備可靠性指標(biāo)。

2.1 六性綜合指標(biāo)

可用度可以通過(guò)系統(tǒng)的故障以及維修分布函數(shù)進(jìn)行度量，是可修產(chǎn)品重要的可靠性指標(biāo)之一。GJB 1909A-2009《裝備可靠性維修性保障性要求論證》中表D.2對(duì)艦船裝備RMS可用度基本參數(shù)有具體表述[3]。

1）固有可用度

固有可用度Ai是僅與工作時(shí)間和修復(fù)性維修時(shí)間有關(guān)的一種綜合性參數(shù)，計(jì)算公式如下：

MTBF：平均故障間隔時(shí)間。是可靠性設(shè)計(jì)參數(shù)；

MTTR：平均修復(fù)時(shí)間。是維修性設(shè)計(jì)參數(shù)，但受保障系統(tǒng)約束。

艦船固有可用度（Ai）采用的驗(yàn)證方法為在部隊(duì)使用過(guò)程中進(jìn)行評(píng)估，性能鑒定時(shí)通過(guò)對(duì)MTBF和MTTR進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，從而計(jì)算評(píng)估固有可用度。

2）可達(dá)可用度

根據(jù)GJB1909A-2009，附錄E《可靠性維修性保障性參數(shù)說(shuō)明》，可達(dá)可用度計(jì)算公式如下：

其中：A為可達(dá)可用度，T為工作的時(shí)間，T為修復(fù)性維修時(shí)間，T為預(yù)防性維修時(shí)間。

可達(dá)可用度（A）與被試品工作時(shí)間、修復(fù)性維修時(shí)間和預(yù)防性維修時(shí)間相關(guān)，參考固有可用度的驗(yàn)證方法，設(shè)計(jì)定型時(shí)通過(guò)對(duì)柴油機(jī)工作時(shí)間、修復(fù)性維修時(shí)間和預(yù)防性維修時(shí)間等參數(shù)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，從而計(jì)算評(píng)估可達(dá)可用度。

2.2 平均故障間隔時(shí)間MTBF

在確定可靠性指標(biāo)平均故障間隔時(shí)間MTBF時(shí)，必須考慮經(jīng)費(fèi)、進(jìn)度、技術(shù)、資源、國(guó)情等背景，在需要與可能之間進(jìn)行權(quán)衡，已處理好指標(biāo)先進(jìn)性和可行性之間的關(guān)系。

對(duì)于可靠性指標(biāo)MTBF最低可接受值的試驗(yàn)驗(yàn)證，必須明確試驗(yàn)驗(yàn)證方案和依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，以及有關(guān)參數(shù)，其主要參數(shù)為生產(chǎn)方風(fēng)險(xiǎn)、使用方風(fēng)險(xiǎn)和通過(guò)性試驗(yàn)時(shí)間。

試驗(yàn)時(shí)間主要取決于要驗(yàn)證的可靠性水平和選用的統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)方案，統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)方案的選擇取決于選定的風(fēng)險(xiǎn)，風(fēng)險(xiǎn)的選擇取決于可提供的經(jīng)費(fèi)和時(shí)間等資源。但在選擇風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，應(yīng)盡可能使訂購(gòu)方和承制方的風(fēng)險(xiǎn)相同。所以最終優(yōu)先級(jí)由高到低為：經(jīng)費(fèi)和時(shí)間（最高）→風(fēng)險(xiǎn)→統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)方案→試驗(yàn)時(shí)間（最低）。

參考GJB899A規(guī)定的定時(shí)截尾統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)，通常根據(jù)試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)和試驗(yàn)時(shí)間，來(lái)選則試驗(yàn)方案，試驗(yàn)方案確定后，主要參數(shù)為生產(chǎn)方風(fēng)險(xiǎn)、使用方風(fēng)險(xiǎn)和通過(guò)性試驗(yàn)時(shí)間就定下來(lái)了[4]。

根據(jù)失效機(jī)理，采用定時(shí)截尾可靠性試驗(yàn)評(píng)估方法，它的壽命服從卡方分布。依據(jù)以下公式：

其中：為試驗(yàn)時(shí)間，為故障次數(shù)，為置信度。

根據(jù)GJB/Z 77-95可靠性增長(zhǎng)管理手冊(cè)，正樣階段置信度取0.7～0.8，可求出柴油機(jī)的MTBF最低可接受值[5]。

3 方法優(yōu)化

可靠性試驗(yàn)通常有3個(gè)目的，一是暴露產(chǎn)品設(shè)計(jì)、材料和工藝方面的缺陷；二是提供觀測(cè)的可靠性數(shù)據(jù)，用于評(píng)價(jià)戰(zhàn)備完好性、任務(wù)成功性、維修人力費(fèi)用和后勤保障費(fèi)用；三是確定是否達(dá)到可靠性的定量要求。針對(duì)型號(hào)研制可靠性技術(shù)和管理上暴露出來(lái)的問(wèn)題，開(kāi)展相應(yīng)的可靠性優(yōu)化與改進(jìn)。

3.1 從頂層抓起

在強(qiáng)調(diào)可靠性工作要從頂層抓起的同時(shí)，必須針對(duì)建造過(guò)程工藝、制造可靠性技術(shù)應(yīng)用的現(xiàn)狀和特點(diǎn)，采取強(qiáng)有力的措施加快推進(jìn)建造過(guò)程工藝、制造可靠性技術(shù)的推廣應(yīng)用工作，抓好材料、工藝、零部件選用等為先期論證方面的工作，挖掘和確定可靠性方面的隱患或薄弱環(huán)節(jié)，并采取涉及預(yù)防改進(jìn)，有效地消除隱患的各種方法，來(lái)要提高產(chǎn)品的固有可靠性。

3.2 從設(shè)計(jì)抓起

目前動(dòng)力裝備試驗(yàn)的樣本量并沒(méi)有達(dá)到，偶然性非常大，建議可靠性鑒定試驗(yàn)樣本量最低為2臺(tái)；目前選用試驗(yàn)方案為試驗(yàn)周期最短的試驗(yàn)方案，使用方風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)很高，投入可見(jiàn)不足，選擇決策風(fēng)險(xiǎn)較小的統(tǒng)計(jì)方案，需要較長(zhǎng)的總試驗(yàn)時(shí)間(臺(tái)時(shí)數(shù))，但接收不合格產(chǎn)品及拒收合格產(chǎn)品的概率也較小，對(duì)于可靠性指標(biāo)MTBF最低可接受值的試驗(yàn)驗(yàn)證，參考GJB899A規(guī)定的定時(shí)截尾統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)，選則試驗(yàn)方案時(shí)，使用方風(fēng)險(xiǎn)β=20%，建議通過(guò)性試驗(yàn)時(shí)間T為MTBF的4.3～29.9倍為宜，也就是最少要為MTBF門限值指標(biāo)的4.3倍。

3.3 從試驗(yàn)方法優(yōu)化抓起

1）燃?xì)廨啓C(jī)圖譜設(shè)計(jì)

針對(duì)低工況的惡劣工作環(huán)境，低工況圖譜依據(jù)GJB730B-2017《艦船燃?xì)廨啓C(jī)通用規(guī)范》進(jìn)行編制；針對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)可靠性改進(jìn)加減速的要求和能力，基于GJB730B-2017《艦船燃?xì)廨啓C(jī)通用規(guī)范》和研制總要求的基礎(chǔ)上，對(duì)一個(gè)完整的8小時(shí)循環(huán)圖譜分試驗(yàn)初、中、后三階段進(jìn)行加減速性能圖譜編制[6]。

圖1 新設(shè)計(jì)燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)圖譜

綜上所述進(jìn)行鑒定譜圖的設(shè)計(jì)目的主要為：一是把低工況的功率降低為原值，增大考核實(shí)際難度；二是增大將變工況考核段的加速時(shí)間降低為原來(lái)的二分之一，目的在于進(jìn)一步提高艦船的機(jī)動(dòng)能力，三是由原來(lái)的循環(huán)圖譜截尾進(jìn)行變工況機(jī)動(dòng)性試驗(yàn)改為，循環(huán)前中后進(jìn)行三組變工況試驗(yàn)，加大了考核的難度，可進(jìn)一步提高機(jī)動(dòng)能力的耐久性。

2）柴油機(jī)圖譜設(shè)計(jì)

圍繞海上軍事斗爭(zhēng)準(zhǔn)備、遂行戰(zhàn)備、護(hù)航等任務(wù)，某型柴油機(jī)的使用工況變化更加劇烈、使用強(qiáng)度更大、使用環(huán)境更加苛刻，為了檢驗(yàn)實(shí)戰(zhàn)化可靠性使用要求，本試驗(yàn)在循環(huán)圖譜中增加快速升工況和降工況試驗(yàn)。具體如下：

圖2 柴油機(jī)鑒定試驗(yàn)單個(gè)循環(huán)圖譜

4 可靠性試驗(yàn)的啟示

4.1 若可靠性實(shí)作試驗(yàn)已完成考核目標(biāo)，是否仍進(jìn)行評(píng)估

目前，就可靠性MTBF的門限值和目標(biāo)值實(shí)作試驗(yàn)已完成來(lái)看，已完成量化指標(biāo)值，從考核層面來(lái)看已完成任務(wù)，從第三方進(jìn)行考核的角度不建議進(jìn)行評(píng)估。應(yīng)裝備的研制合同的相關(guān)要求，還需要進(jìn)行評(píng)估考核，但從評(píng)估的角度來(lái)說(shuō)可以評(píng)估出一個(gè)值，這個(gè)評(píng)估值會(huì)與實(shí)作有所區(qū)別。

4.2 循環(huán)超時(shí)后發(fā)生故障

試驗(yàn)若按照計(jì)劃已經(jīng)完成，由于陪試設(shè)備在可靠性試驗(yàn)中發(fā)生問(wèn)題，說(shuō)不清楚，針對(duì)此問(wèn)題延長(zhǎng)循環(huán)圖譜試驗(yàn)或開(kāi)展一些補(bǔ)充試驗(yàn)，可靠性循環(huán)雖已完成試驗(yàn)但又發(fā)生責(zé)任故障，將綜合前期與后期試驗(yàn)數(shù)據(jù)開(kāi)展評(píng)審工作。

4.3 試驗(yàn)左移能否實(shí)施

可靠性鑒定和增長(zhǎng)試驗(yàn)是可靠性工作項(xiàng)目中投資最大的項(xiàng)目，在經(jīng)費(fèi)上往往令承制方難以接受，但提高產(chǎn)品的可靠性水平是產(chǎn)品承制方的責(zé)任，驗(yàn)證和確認(rèn)產(chǎn)品的可靠性達(dá)到的水平則是產(chǎn)品承制方和使用方共同關(guān)心的問(wèn)題。那么可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)?zāi)芊裉娲煽啃澡b定試驗(yàn)，試驗(yàn)向左移。

可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)可否替代可靠性鑒定試驗(yàn)必須解決四個(gè)方面的問(wèn)題，即試驗(yàn)?zāi)康摹⑺脴蛹募夹g(shù)狀態(tài)，所暴露故障的真實(shí)性、試驗(yàn)結(jié)果的可信性。這種替代是有條件的，可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)必須首先滿足樣件的技術(shù)狀態(tài)，對(duì)試驗(yàn)的監(jiān)控程度，故障判據(jù)的制定，試驗(yàn)的環(huán)境條件等必要條件，才能考慮替代可靠性鑒定試驗(yàn)。

4.4 決策風(fēng)險(xiǎn)的選擇

選擇決策風(fēng)險(xiǎn)較小的統(tǒng)計(jì)方案，需要較長(zhǎng)的總試驗(yàn)時(shí)間(臺(tái)時(shí)數(shù))，但接收不合格產(chǎn)品及拒收合格產(chǎn)品的概率也較小，就要需要試驗(yàn)周期和試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)的支持，如果試驗(yàn)周期緊或經(jīng)費(fèi)不支持，那么倒退回來(lái)開(kāi)展試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)就高。

[1] 肖丁，趙金超，曲豪彥，張勇明. 艦用燃?xì)廨啓C(jī)總體設(shè)計(jì)方案評(píng)估研究[J].船舶工程，2011, 2：37-40.

[2] 杜文軍. 燃?xì)廨啓C(jī)在船舶動(dòng)力裝置中的應(yīng)用[J]. 船舶物資與市場(chǎng), 2019(11): 34-35.

[3] GJB1909A. 裝備可靠性維修性保障性要求論證[S].北京：總裝備部軍標(biāo)出版發(fā)行部，2009.

[4] GJB 899A. 可靠性鑒定和驗(yàn)收試驗(yàn)[S]. 北京：總裝備部軍標(biāo)出版發(fā)行部，2009.

[5] GJB/Z 77.可靠性增長(zhǎng)管理手冊(cè)[S]. 北京：總裝備部軍標(biāo)出版發(fā)行部，1995.

[6] GJB 730B. 艦船燃?xì)廨啓C(jī)通用規(guī)范[S]. 北京：總裝備部軍標(biāo)出版發(fā)行部，2017.

Reliability index verification technique and improvement optimization of warship power equipment

Wang Liwei, Xie Kuan

(No.91404 Unit of PLA, Qinhuangdao 066001, Hebei, China)

U664.1

A

1003-4862（2023）12-0001-03

2023-07-21

王利偉（1981-），男，高級(jí)工程師。研究方向：機(jī)電一體化。E-mail：17504562@qq.com