舰船动力装备可靠性指标验证技术与改进优化

2024-01-08王利伟

船电技术 2023年12期

关键词：燃气轮机舰船图谱

王利伟，谢宽

应用研究

舰船动力装备可靠性指标验证技术与改进优化

王利伟，谢宽

（91404部队91分队，河北秦皇岛 066001）

将国产化的舰船动力装备可靠性考核指标分解，对各指标试验验证技术剖析及设计，阐述试验改进的方向，及具体论述了可靠性改进的试验图谱，并提出后续试验实施要点与需把控的风险点。

固有可用度可达可用度平均故障间隔时间

0 引言

舰船动力装备作为舰船动力系统的核心动力设备，随着我海军活动区域的覆盖，不仅对舰船动力装备的性能指标提出了更高的要求，而且对舰船动力装备的可靠性也提出了较高的要求，以确保舰船动力装备具备高可靠、长寿命等方面的特性，从而满足日益提升的舰船作训、作战使用强度的要求[1]。

图1 典型舰船动力装备

1 舰船动力装备可靠性试验的现状

某型燃气轮机从国外引进时受历史限制，尚未开展关、重零部件和整机可靠性试验。随后开展多个阶段国产化研制及同步开展可靠性试验。以前船用柴油机都是引进的，可靠性试验都不做的，第二代柴油机的国产化才提出可靠性的要求[2]。

2 动力装备可靠性指标含义与验证

可靠性鉴定试验的目的是验证被试品的设计是否达到了规定的可靠性要求。所谓动力装置的可靠性，就是其在设计任务书所规定的条件下，在给定的时间内，动力装置按预定转速和运转性能或技术指标进行正常工作的概率。鉴定阶段柴油机和燃气轮机动力装备的可靠性指标通常包括六性综合指标可达可用度、固有可用度、平均故障间隔时间MTBF等动力装备可靠性指标。

2.1 六性综合指标

可用度可以通过系统的故障以及维修分布函数进行度量，是可修产品重要的可靠性指标之一。GJB 1909A-2009《装备可靠性维修性保障性要求论证》中表D.2对舰船装备RMS可用度基本参数有具体表述[3]。

1）固有可用度

固有可用度Ai是仅与工作时间和修复性维修时间有关的一种综合性参数，计算公式如下：

MTBF：平均故障间隔时间。是可靠性设计参数；

MTTR：平均修复时间。是维修性设计参数，但受保障系统约束。

舰船固有可用度（Ai）采用的验证方法为在部队使用过程中进行评估，性能鉴定时通过对MTBF和MTTR进行试验数据统计，从而计算评估固有可用度。

2）可达可用度

根据GJB1909A-2009，附录E《可靠性维修性保障性参数说明》，可达可用度计算公式如下：

其中：A为可达可用度，T为工作的时间，T为修复性维修时间，T为预防性维修时间。

可达可用度（A）与被试品工作时间、修复性维修时间和预防性维修时间相关，参考固有可用度的验证方法，设计定型时通过对柴油机工作时间、修复性维修时间和预防性维修时间等参数的试验数据进行统计，从而计算评估可达可用度。

2.2 平均故障间隔时间MTBF

在确定可靠性指标平均故障间隔时间MTBF时，必须考虑经费、进度、技术、资源、国情等背景，在需要与可能之间进行权衡，已处理好指标先进性和可行性之间的关系。

对于可靠性指标MTBF最低可接受值的试验验证，必须明确试验验证方案和依据的标准、规范，以及有关参数，其主要参数为生产方风险、使用方风险和通过性试验时间。

试验时间主要取决于要验证的可靠性水平和选用的统计试验方案，统计试验方案的选择取决于选定的风险，风险的选择取决于可提供的经费和时间等资源。但在选择风险时，应尽可能使订购方和承制方的风险相同。所以最终优先级由高到低为：经费和时间（最高）→风险→统计试验方案→试验时间（最低）。

参考GJB899A规定的定时截尾统计试验，通常根据试验经费和试验时间，来选则试验方案，试验方案确定后，主要参数为生产方风险、使用方风险和通过性试验时间就定下来了[4]。

根据失效机理，采用定时截尾可靠性试验评估方法，它的寿命服从卡方分布。依据以下公式：

其中：为试验时间，为故障次数，为置信度。

根据GJB/Z 77-95可靠性增长管理手册，正样阶段置信度取0.7～0.8，可求出柴油机的MTBF最低可接受值[5]。

3 方法优化

可靠性试验通常有3个目的，一是暴露产品设计、材料和工艺方面的缺陷；二是提供观测的可靠性数据，用于评价战备完好性、任务成功性、维修人力费用和后勤保障费用；三是确定是否达到可靠性的定量要求。针对型号研制可靠性技术和管理上暴露出来的问题，开展相应的可靠性优化与改进。

3.1 从顶层抓起

在强调可靠性工作要从顶层抓起的同时，必须针对建造过程工艺、制造可靠性技术应用的现状和特点，采取强有力的措施加快推进建造过程工艺、制造可靠性技术的推广应用工作，抓好材料、工艺、零部件选用等为先期论证方面的工作，挖掘和确定可靠性方面的隐患或薄弱环节，并采取涉及预防改进，有效地消除隐患的各种方法，来要提高产品的固有可靠性。

3.2 从设计抓起

目前动力装备试验的样本量并没有达到，偶然性非常大，建议可靠性鉴定试验样本量最低为2台；目前选用试验方案为试验周期最短的试验方案，使用方风险相对很高，投入可见不足，选择决策风险较小的统计方案，需要较长的总试验时间(台时数)，但接收不合格产品及拒收合格产品的概率也较小，对于可靠性指标MTBF最低可接受值的试验验证，参考GJB899A规定的定时截尾统计试验，选则试验方案时，使用方风险β=20%，建议通过性试验时间T为MTBF的4.3～29.9倍为宜，也就是最少要为MTBF门限值指标的4.3倍。

3.3 从试验方法优化抓起

1）燃气轮机图谱设计

针对低工况的恶劣工作环境，低工况图谱依据GJB730B-2017《舰船燃气轮机通用规范》进行编制；针对燃气轮机可靠性改进加减速的要求和能力，基于GJB730B-2017《舰船燃气轮机通用规范》和研制总要求的基础上，对一个完整的8小时循环图谱分试验初、中、后三阶段进行加减速性能图谱编制[6]。

图1 新设计燃气轮机循环图谱

综上所述进行鉴定谱图的设计目的主要为：一是把低工况的功率降低为原值，增大考核实际难度；二是增大将变工况考核段的加速时间降低为原来的二分之一，目的在于进一步提高舰船的机动能力，三是由原来的循环图谱截尾进行变工况机动性试验改为，循环前中后进行三组变工况试验，加大了考核的难度，可进一步提高机动能力的耐久性。

2）柴油机图谱设计

围绕海上军事斗争准备、遂行战备、护航等任务，某型柴油机的使用工况变化更加剧烈、使用强度更大、使用环境更加苛刻，为了检验实战化可靠性使用要求，本试验在循环图谱中增加快速升工况和降工况试验。具体如下：