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应用战备转级检测数据分析鱼雷贮存可靠性

引 言 鱼雷是一种能够在水下自动航行口。2]、自动控制、自动寻找与跟踪口…、命中目标时能自动爆炸的攻击性武器口…。由于鱼雷为水下航行并攻击水下目标或目标的水下部分,因此具有很好的隐蔽性与强大的爆炸威力,在历次海上战争中显示了巨大的威力,发挥了重大作用。可以说鱼雷在过去、现在、将来都是最重要的水中兵器,也是世界各国重点投资和发展的武器装备口‘1…。作为一种长期贮存,一次(作为战雷)或有限次(作为操雷)使用的武器系统口’”],鱼雷从出厂交付部队到报废与退役,其大部分时间都处于贮存状态n“,少数时问处于舰艇装载与操雷实航。为研究方便,本文将舰艇装载与操雷实航时间对鱼雷服役期间的质量影响予以忽略,近似认为其服役期间都处于贮存状态。鱼雷贮存可靠性是指鱼雷出厂交付部队后,在规定的贮存、维护条件下,到规定的贮存时间仍能通过检测调试的检测合格率[1“。 表征鱼雷贮存可靠性的指标通常有贮存可用度、贮存故障率与贮存可靠度。鱼雷在贮存过程中要分别受到振动、冲击、加速度、高温、低温、高湿等人为和环境因素的影响,可引起贮存失效n…。对于鱼雷而言,如果作战或训练需要时,因贮存失效引发故障,其实航可靠性再高也无法作战使用。此外,鱼雷服役期间的贮存可靠性分析计算结果可以用来:①分析鱼雷武器贮存期间质量随贮存时间的变化规律;②科学制定维修大纲与计划、定检周期、备件标准、贮存条件、延寿时机及延寿工作的深度和广度,合理确定维修费用[1””一;③为研制部门提供依据,在设计、研制、生产过程中采取措施,以使鱼雷满足规定的贮存可靠性要求。因此,可以说对鱼雷武器服役期间的贮存町靠性问题进行研究具有重要而深远的军事意义。李大伟等口”2叼研究了鱼雷备件消耗数据结构,结合成败型数据处理方法与零膨胀(zeroinflatedpoisson,ZiP)模型,建立了鱼雷备件统计模型,运用矩估计法对鱼雷贮存故障率进行了评估。王万帆[2¨根据鱼雷的实际情况,将雷上部件分为五类,分别求出每个部分的贮存可靠度再运用可靠性综合方法求解全雷可靠度。宋保维等心z-对鱼雷贮存可靠度的预测模型进行了研究,通过引入半经验的贝叶斯方法修正公式对检测结果进行处理,经最小二乘法确定预测模型参数,实现对鱼雷贮存可靠度的预测。 但前人的分析计算存在两个方面的不足:①推导计算的假设条件不合理,与部队实际情况有出入;②不能解决鱼雷贮存可用度的计算问题。基于此,本文将在文献[19—22]的基础上,根据鱼雷历次战备转级检测数据,绘制战备转级检测时序图,运用等分故障时间内插法确定各故障发生时间,在此基础上绘制实转完好与故障状态交替时序图,引入定转概念,得出定转完好与故障状态交替时序图,从而计算出鱼雷在不同服役年限的实转贮存可用度、贮存故障率、贮存可靠度和定转贮存可用度。实例分析表明,本文的研究方法能够满足鱼雷武器装备的工程实际需要。 1鱼雷战备转级检测鱼雷装备部队后,在鱼检所的战备状态通常分为一级雷、二级雷与三级雷三种。三级雷是整雷包装,配套齐全,在开箱后检测合格的鱼雷。二级雷是除未安装爆发器外,具备全部必须配置,准备合格的鱼雷,一般是由三级雷换装战雷段、战雷燃料舱段,线导雷加装艇上放线机构,加注燃料。一级雷是处于值班状态,随时可以装载发射的鱼雷,一般由二级雷加装爆发器后即转为一级雷口…。 1.1鱼雷战备转级服役期问鱼雷要经历三级雷、二级雷与一级雷之间的战备转级,如图1所示,战备转级包括技术准备与战备解除(又称解除武装)两个部分。图1鱼雷贮存状态示意图技术准备是指将库存鱼雷经技术检测使之达到规定功能和主要性能参数(必须检测的参数)以满足鱼雷作战要求的一系列活动(起封、检测、调试、对接、联调、加注等)哪!。通常,技术准备分为三种情况:①由三级雷转级为二级雷,主要对鱼雷各段检测调试,并经联调检测合格;②由二级雷转级为一级雷,主要完成联调、气密性检测、初始参数设定与爆发器的安装;③由三级雷直接转级为一级雷,其操作过程是三级雷转二级雷与二级雷转一级雷的综合。根据上级下达的战备任务及训练需要,需在规定的时间内进行技术准备,准备出规定数目的一级雷与二级雷,检测中间如出现故障则进行修复性维修[2“。战备解除是指由一级雷转为二级雷、一级雷转为三级雷与二级雷转为三级雷中的一系列检测操作过程,其操作流程大体与技术准备一样,而操作过程与其相反。通常在以下几种情况下可实施战备解除:①鱼雷服役期间返厂进行系统升级;②经过一定时间的服役年限后鱼雷返厂进行预防性维修;③在舰艇上装载的鱼雷完成规定任务或达到规定的装载期限后;④完好的二级雷或一级雷搁置在岸上仓库,达到规定的储藏期(搁置期限)后口“。综上所述,因鱼雷武器在部队服役期间的战备转级,将会有大量检测数据(即现场统计数据),这些检测数据能够很好地说明鱼雷的可靠性与质量情况,可用于贮存可靠性分析。 1.2检测数据鱼雷在贮存期间发生的故障在其战备转级检测前无法及时发现与修复,只有通过检测才能发现。通常,某枚鱼雷进行战备转级检测调试后,都会在其履历薄上记录检测结果,我们称之为绝对时间检测数据,其数据表达式如下结构:(‘d,ki),i≥1,J≥1(1)式中,t“与kd分别表示第i枚鱼雷在第j次战备转级时的检测时间与调试时发现的故障数。值得说明的是,对各时间进行计算时,本文中均以年为时间的基本单位,记载的月份数应转换为年数,如2007年9月应为2007.75年。以t。表示部队接装日期,s。(i≥1,J≥1)为第i枚鱼雷第j次战备转级时对应的服役时间,有%=to—t∞ (2)从而可得如下数据结构:(%,ki),i≥1,j≥1(3)式中,数据(%,ki)称之为相对时间检测数据,这是进行鱼雷贮存可靠性分析计算的基础,但处理此类数据,面对的一个问题就是故障究竟发生在检测时刻还是在检测前某时刻,我们无法肯定,为此,采用等分故障时间内插法来估计故障发生时间。 2等分故障时间内插法工程上可认为故障发生在相邻两次检测之间任何一点上的概率相等,即可按均匀分布进行内插,并假定故障发生在相邻两次检测之间(简称检测区间)的期望值那一点‘2“,从而故障时间内插就变成求均匀分布的期望值问题。假定第i枚鱼雷在第j次检测时发现一个故障,则第m个故障发生时间的期望值tf。,(m)可表示成Ifi(m)=m(s。一s。。)/(n+1)(4)式中,坍为测试时发现的故障序号,1≤m≤n。万方数据第8期 谢勇等:应用战备转级检测数据分析鱼雷贮存可靠性 3 完好与故障状态时序图的绘制 3.1鱼雷状态时序图鱼雷装备部队后,在服役期间是可维修的,其贮存过程表现为“完好状态”(保持规定功能的状态)、“故障状态”(未保持其规定功能的状态)[2铂与“离队状态”(鱼雷因预防性维修、艇上装载、实航与系统升级等不贮存于部队)的交替。因相对“完好状态”与“故障状态”时问而言,“离队状态”时间较短,在这予以忽略。由于检测发现故障后的实际维修时间比起贮存时问,是个小量,也可予以忽略。记变量Y表征鱼雷贮存状态,则Y。为第i枚鱼雷的贮存状态,当Y:=1时表示第i枚鱼雷处于完好状态,Y,一2时表示第i枚鱼雷处于故障状态,如图2所示。t/a图2鱼雷状态时序图通常用曲线表示鱼雷在贮存过程中的各种状态交替时序,如图2所示,挖。、规:与竹。为完好状态的时间长度;f。、^与^为故障状态的时间长度;tf。、tf2与t^为变成故障状态的时刻;trt。、tn。与tn。为战备转级时刻(也为修复时刻)。 3.2绘制鱼雷战备转级检测时序图根据贮存时间如与对应的故障数k¨绘制鱼雷战备转级检测时序图(下面简称检测时序图)。检测时序图中一条横线代表一枚鱼雷,横线的总长度表明此鱼雷到当前为止在其履历薄上所记录的总贮存时间,垂直于横线的短线表示历次战备转级检测的日期,短线下面的括号内数字表示当次战备转级检测发现的故障数,无括号则表示当次检测正常无故障,如图3所示。t/a图3检测时序图假定编号为8的某鱼雷于2008年6月装备部队,经过对其履历薄上的记录数据进行整理,得其绝对时间检测数据(f。∥^。,,)如表1所示。表1绝对时间检测数据通过式(2)计算得到其相对时间检测数据如表2所示。表2相对时问检测数据j1 2 34(53∥k8,j)(O.5,1) (1.25,O) (2.75,2) (4.25,2)根据表2所列数据,结合本节前面所述方法,则可绘制检测时序图,如图3所示。 3.3绘制鱼雷完好与故障状态交替时序图鱼雷完好与故障状态交替时序图为鱼雷在服役期间完好状态和故障状态随时间变化的曲线,因鱼雷完好与故障状态交替时序图是根据实际的战备转级时间绘制的,所以我们称之为实转完好与故障状态交替时序图(下面简称实转时序图)。绘制实转时序图时,从检测时序图中去除故障数目标识,用黑点表示各故障的发生时间,曲线底部表示鱼雷处于“完好状态”时间,曲线的上凸部分则表示鱼雷处于“故障状态”的时间口“,即得实转时序图。根据实转时序图求出的贮存可用度称之为实转贮存可用度。绘制实转时序图的关键是确定故障状态时间,当某次战备转级检测发现故障时,其故障状态持续时间为第1个故障发生时间到本检测时刻。根据实转时序图特点可知,鱼雷若进行了a次战备转级检测共有b次检测发现有故障,则故障状态时间段数为b段。根据式(4),若第i枚鱼雷第j次检测时发现行个故障,则第1个故障发生时间为矗一,+(5。一S。一,)/(”+1)。故障状态从s,,+(s。--$。一1)/(n+1)至s。。如图3所示,有3次检测发现有故障,故有3段故障状态,其确定过程如下:①在0.5年进行第1次战备转级时发现1个故障,则故障发生时间为0.5/(1+1)=0.25年,故障持续时闾为o.25年至o.5年;②在第2.75年进行第3次战备转级时发现2个故障,第1个故障发生在第1.25+(2.75—1.25)/(2+1)=1.75年,故障状态为第1.75年至2.75年;③在第4.25年进行第4次战备转级发现2个故障,第1个故障的发生时间为第2.75+(4.25—2.75)/(z+1)=3.25年,故障状态为第3.25年至第4.25年。根据上述分析计算可得实转时序图,如图4所示。图4实转时序图 3.4绘制定转鱼雷完好与故障状态交替肘序图事实上鱼雷贮存可用度、故障率与可靠度不仅与鱼雷本身质量有关,还与战备转级周期也有直接关系。在其他条件相同的情况下,如果战备转级检测周期缩短,则故障会在较短的时间内发现并被修复,使得故障状态持续时间缩短口”,鱼雷贮存可用度就提高了。由于各鱼雷贮存期间战备转级时间比较杂乱,周期有长有短,故实转贮存可靠性参数不能够很好地说明鱼雷固有贮存可靠性随贮存时间的变化情况,也不便于分析各个部队与不同年份接装的鱼雷在贮存质量上的差异。为此,提出定转的概念,即根据鱼雷实转时序图,在确定每个故障发生时问的基础上,假设进行定期的战备转级检测,如在每年年初或年底进行检测,从而对实转时序图做如下处理:凡是前一年发生的故障在年初修复,即转为完好状态,凡是今年发生的故障在下年年初才进行修复口…。 我们称这样的完好与故障状态交替时序图为定转完万方数据·1800· 系统工程与电子技术 第35卷好与故障状态交替时序图(简称定转时序图),如图5所示。由定转时序图求得的贮存可用度称之为定转贮存可用度。图5定转时序图在实转时序图确定故障发生时间的基础上,若第f年限内共有d个故障,第i个故障时间记为sf:(1≤i≤d).则本年限内故障状态起始时间为min(sf。,sf2,…,s/j),故障状态持续到第z年年底,经定转检测发现故障与维修,转为完好状态。如图5所示,在图4的基础上,每年年初或年底进行战备转级,新的故障状态确定如下:①在第0.25年发生第1个故障后,故障状态持续到第1年年底,此后鱼雷处于完好状态;②在第1.75年发生第2个故障后鱼雷处于故障状态,闲只在年底转级检测,故故障状态一直持续到第2年年底;③第3个故障状态从第2.2j年持续到第3年年底定转修复;④第4个与第5个故障在同一年度,所以故障状态从第4个故障发生时间的第3.25年持续到第4年年底。 4 鱼雷贮存可靠性指标的计算假设某部某批次鱼雷共N枚,已服役M年,记实转时序图’j定转时序图中第i枚鱼雷在第j贮存年限内的完好状态时问为q与op。,故障状态时间为F。与F户i,故障数为G。。 4.1 鱼雷贮存可用度的计算鱼雷贮存可用度定义为在任意贮存年限内,氩雷保持其功能状态(完好状态)的概率”。,记A。(J)为第J年的实转贮存可用度,即有N/NNA。(j)一∑00/f∑O。+∑F。1(j)j=l , \i ,记A。(J)为第J年的定转贮存可用度,即有v , N 、A。(j)一∑op。/f∑op。十∑fp。1(6)I—l \l ,4.2 鱼雷贮存故障率与贮存可靠度的计算假设鱼雷在一年内质量变化不大,则贮存故障率定义为心…:某一贮存年限内的总贮存故障数与每一贮存年限内的总贮存时间之比.记Zs(j)为第j年的贮存故障率,其计算公式为N|N NZs(j)一∑M。/f∑op。+∑fp。1(7)i=I , 、i=1 t=t ,记Rs(j)为第J年的鱼雷贮存可靠度,由鱼雷寿命分布可认为服从指数分布,则有Rs—e2t(8)5 实例计算假设已知某部某批次鱼雷的战备转级检测数据,现进行贮存可用度、贮存故障率与贮存可靠度的计算。 具体步骤如下:步骤1绘制鱼雷战备转级检测时序图,如图6所示。!^l!、1l璺I 6检测时序图(实例)步骤2根据图6的鱼雷检测时序图,绘制鱼雷实转时序网,如图7所示。差1L_L—————上-———J1三1[广]I妄1[ r]I摹16广]主1[I n至1[r] I广]主1[II九I主1[II广]?1[ I广]‘毒1[r] I九I式lL一. I—r]1支l[l广]式1L r] r]鼍1[ r_+]I叠1[n墨1[r—._] l九《1[ l九Iif[广]-r]oL——叶———寺—■—}——‘一tla图7实转时序图(实例)步骤3根据图7的鱼雷实转时序图,统计每一贮存年度内的实转完好状态总时间Ts与总贮存时间T,按照式(5),求解每一贮存年度内的实转贮存可用度A。,得A,随贮存时问t的变化规律如图8所示。图8反映r鱼雷实转贮存可用度A。随服役时间变化的规律,也即鱼雷贮存质量随服役时间的变化规律,在服役第1年内的贮存可用度为0.847,在第2个服役年度内升高.第3与第4年度贮存可用度A,又急剧下降,可知在第41c(2f(!^o^gf(=c(01丸口^#^r^r^,((f^r^r丸,^万方数据第8期 谢勇等:应用战备转级检测数据分析鱼雷贮存可靠性 ·1801·年应适当缩短鱼雷检测周期,以便提高鱼雷贮存可用度。 图8实转贮存可用度与贮存年限的关系步骤4根据图7及相关数据,统计计算出每一贮存年度内的鱼雷故障总数L与总贮存年数T。,按照式(7)与式(8),求解每一贮存年限内的贮存故障率Zs与贮存可靠度R。,计算结果如图9所示,贮存可靠度与贮存时间变化规律如图10所示。02 3 4t/a图9贮存故障率与贮存时间变化规律t/a图10贮存可靠度与贮存时间变化规律图9与图10反映了鱼雷贮存故障率与贮存可靠度随服役时间的变化规律:①在第1年故障率较高,贮存可靠度较低,可知鱼雷在接装的第1年还处于早期故障期;②在第2年与第3年贮存故障率较低,贮存可靠度较高,而且贮存故障率与贮存可靠度分别在两年间相差不大,说明在第2年与第3年处于偶然失效期;③在第4年时故障率达0.533,明显高于第2年与第3年的故障率,贮存可靠度下降到0.587,说明此时此批鱼雷进入耗损期,应该在服役期间的第5年安排此批鱼雷大修。 步骤5根据图7的实转时序图,假设鱼雷在年底与年初进行战备转级检测,绘制鱼雷定转时序图,如图11所示。壬1[ I九I主1[r-]I耋l[ r—]I≤lE r]三,[ I九广——]I主,[r]I 。九I≤l[I r]主.[ r].毒1[ r]I。式。[广] r_—]I主,[ r]l£1[ 九I式,L r]I r]-≤、,[1 l力r]墨1[ n】置.[r—.]l .r_]s1[ nij}J_—L——————L九oL———T_———f———亨———才斗,/a图ll 定转时序图(实例)步骤6依据图11的定转时序图,统计每一贮存年度的定转完好状态总时间L与总贮存时间T,按照式(6),求解每一贮存年度的定转贮存可用度,如图12所示。结合图8可看出,定转贮存可用度与实转贮存可用度的变化趋势一致,能够更好地说明鱼雷贮存质量变化规律。t/a图12定转贮存可用度与贮存时间关系 6 结 论 本文针对已服役鱼雷贮存可靠性评估问题,通过各枚鱼雷的履历薄,收集各鱼雷的历次战备转级检测结果,绘制鱼雷战备转级检测时序图,运用等分故障时间内插法估计各故障发生时间,得到实转完好与故障状态交替时序图,由鲐如帖∞弘∞筋加nOO0O0OO万方数据·1802· 系统工程与电子技术 第35卷定转的方法求得定转完好与故障状态交替时序图,从而统计计算出鱼雷贮存可靠性各参数。实例计算表明本文介绍的方法有效实用,能够满足鱼雷武器的工程实际需要,具有较好的推广价值。

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