某型艦炮液壓系統(tǒng)可靠性分析及技術(shù)改進(jìn)?

劉志偉 李法忠 方艷紅

（1.海軍士官學(xué)校 蚌埠 233012）（2.北部戰(zhàn)區(qū)海軍參謀部軍訓(xùn)處 青島 266231）

關(guān)鍵字 艦炮液壓系統(tǒng)；可靠性；故障樹；蒙特卡洛仿真

1 引言

某型艦炮液壓系統(tǒng)為整座艦炮提供液壓動(dòng)力并完成全炮除方向與高低隨動(dòng)之外的全部動(dòng)作和功能，實(shí)現(xiàn)炮彈從儲彈位直到發(fā)射的全過程，并且具有引信測合、安全保護(hù)等多項(xiàng)功能。液壓系統(tǒng)的可靠性程度是影響該炮作戰(zhàn)使用效能的關(guān)鍵因素。

目前可靠性分析領(lǐng)域存在多種分析方法，但均不同程度的存在一定的缺陷。在進(jìn)行裝備可靠性分析時(shí)需根據(jù)裝備實(shí)際情況合理選擇分析方法進(jìn)行論證。由于該型艦炮液壓系統(tǒng)包含許多基本部件，且各部件的壽命分布并不完全服從指數(shù)分布，這就對該型艦炮液壓系統(tǒng)的可靠性分析造成了很大的困難。為有效解決基本部件壽命服從多種分布的系統(tǒng)可靠性現(xiàn)實(shí)情況，更加精確迅速地分析可靠性問題，本文采用基于經(jīng)驗(yàn)函數(shù)修正的蒙特卡洛仿真抽樣算法對該型艦炮液壓系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行分析。

2 某型艦炮液壓系統(tǒng)可靠性故障樹分析

某型艦炮的液壓系統(tǒng)作為一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，用于為整個(gè)艦炮提供液壓動(dòng)力并完成全炮除方向與高低隨動(dòng)之外的全部動(dòng)作與功能，實(shí)現(xiàn)炮彈傳輸直至發(fā)射的全過程，并且具有引信測合、安全保護(hù)等項(xiàng)功能。

該炮液壓系統(tǒng)可靠性取決于各子系統(tǒng)的可靠性及各子系統(tǒng)之間的相互關(guān)系，而各子系統(tǒng)的可靠性又由組成它們的所有零部件的可靠性所決定，故以某型艦炮液壓系統(tǒng)的功能及液壓控制范圍為子系統(tǒng)劃分依據(jù)基礎(chǔ)，劃分出五個(gè)分系統(tǒng)：分系統(tǒng)一，為全炮提供液壓動(dòng)力；分系統(tǒng)二，驅(qū)動(dòng)儲彈部分及揚(yáng)彈系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)，向炮塔輸送炮彈；分系統(tǒng)三，驅(qū)動(dòng)供彈系統(tǒng)有選擇性的將炮彈運(yùn)送至發(fā)射系統(tǒng)；分系統(tǒng)四，驅(qū)動(dòng)發(fā)射系統(tǒng)和引信測合機(jī)，完成炮彈發(fā)射和引信轉(zhuǎn)角設(shè)定；分系統(tǒng)五，向炮架供油并完成將來自于液壓中心的壓力油經(jīng)過濾、減壓、穩(wěn)壓后向其他分系統(tǒng)供油。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，該型艦炮液壓系統(tǒng)共包括5個(gè)液壓馬達(dá)（電液伺服馬達(dá)3個(gè)、步進(jìn)控制液壓馬達(dá)1個(gè)、齒輪液壓馬達(dá)1個(gè)），31個(gè)液壓油缸、液壓鎖、58個(gè)液壓控制閥，2個(gè)液壓泵，27個(gè)液壓輔件，組成了液壓系統(tǒng)最小割集庫。綜合上述分析建立某型艦炮液壓系統(tǒng)故障樹模型如圖1所示。

圖1 某型艦炮液壓系統(tǒng)故障樹

故障樹建模過程作如下假設(shè)：

1）各最小割集故障和失效率相互獨(dú)立；

2）各最小割集的狀態(tài)只有兩種：正常、故障；

3）人為因素或外界干擾對系統(tǒng)可靠性的影響忽略不計(jì)。

3 某型艦炮液壓系統(tǒng)可靠性蒙特卡洛仿真分析

某型艦炮液壓系統(tǒng)共5個(gè)分系統(tǒng)，58個(gè)最小割集，用P表示液壓系統(tǒng)，Si表示第i個(gè)分系統(tǒng)，Sij表示第i個(gè)分系統(tǒng)中第j個(gè)最小割集。已知每個(gè)最小割集的失效分布函數(shù)Fij(t)(t=1，2…n)，用φ(xt)表示液壓系統(tǒng)故障樹結(jié)構(gòu)函數(shù)。Fij(t)(t=1，2…n)和φ(xt)取值為1時(shí)，表示失效事件發(fā)生；取值為0時(shí)，表示失效事件未發(fā)生。

運(yùn)用蒙特卡洛方法，對每個(gè)最小割集進(jìn)行抽樣，取得第i個(gè)分系統(tǒng)第j個(gè)最小割集失效的時(shí)間抽樣值為ti=F-1ij(η)。由于只要有一個(gè)最小割集失效事件發(fā)生，該炮液壓系統(tǒng)失效事件就會發(fā)生，故以Q代表液壓系統(tǒng)失效事件發(fā)生，有Q=min(T1，T2…T58)，其中Tn表示第n個(gè)最小割集發(fā)生失效時(shí)間的時(shí)間。重復(fù)計(jì)算該炮液壓系統(tǒng)失效事件發(fā)生Q的值m次，將Qm的值與給定的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間值tm進(jìn)行比較，如果液壓系統(tǒng)失效事件在給定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間值tm內(nèi)發(fā)生說明系統(tǒng)失效，累計(jì)tm時(shí)間內(nèi)失效次數(shù)Nm，則在給定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間值tm內(nèi)該炮液壓系統(tǒng)失效的概率為

為了使仿真分析獲取的數(shù)據(jù)信息能夠完整的體現(xiàn)艦炮液壓系統(tǒng)可靠性特性，這里采用一種通過指數(shù)函數(shù)擬合右尾部樣本的方式，擴(kuò)大樣本取值范圍，進(jìn)而增加仿真可信度。

選擇S0ij(0

在基準(zhǔn)樣本之后利用經(jīng)驗(yàn)修正分布函數(shù)對樣本抽樣過程進(jìn)行修正，并確保修正前后經(jīng)驗(yàn)分布均值與樣本均值一致，經(jīng)驗(yàn)修正分布函數(shù)為

經(jīng)迭代計(jì)算后得到樣本均值為

系統(tǒng)失效率為

系統(tǒng)的平均壽命為

4 可靠性仿真及技術(shù)改進(jìn)

采用基于經(jīng)驗(yàn)函數(shù)修正的蒙特卡洛仿真方法，在計(jì)算機(jī)上用Matlab語言編寫程序，對該炮液壓系統(tǒng)可靠性進(jìn)行仿真。取抽樣次數(shù)m=100000，時(shí)間間隔為200h。仿真流程如圖2所示，仿真結(jié)果如圖3所示。

圖2 仿真流程圖

圖3 抽樣仿真結(jié)果

由抽樣結(jié)果可見，在設(shè)定的抽樣次數(shù)內(nèi)仿真結(jié)果趨于穩(wěn)定，滿足精度要求。液壓系統(tǒng)各最小割集可靠性指標(biāo)如表1所示。

表1 系統(tǒng)最小割集可靠性指標(biāo)

該炮液壓系統(tǒng)失效率總計(jì)為1321.48×10-6次數(shù)/h，平均無故障工作時(shí)間MTBF為756.72h，滿足該炮MTBF為400h的可靠性指標(biāo)要求。

針對上述對該炮液壓系統(tǒng)各元器件可靠性研究及數(shù)據(jù)分析，這里提出了幾點(diǎn)提高工作可靠性的措施及技術(shù)改進(jìn)方案：

1）對液壓系統(tǒng)電器元器件進(jìn)行老化篩選，及時(shí)更換；

2）因壓力反饋在系統(tǒng)中作用較小，故進(jìn)行了設(shè)計(jì)改進(jìn)取消部分壓力傳感器；

3）重新設(shè)計(jì)液壓軟管的長度，消除其預(yù)應(yīng)力，以適應(yīng)安裝要求；

4）針對電磁閥切換不可靠的情況，設(shè)計(jì)改進(jìn)部分常開電磁閥；

5）針對伺服馬達(dá)時(shí)常發(fā)生停車超限、過載等故障，經(jīng)改進(jìn)設(shè)計(jì)采取適量增大伺服閥遮蓋量并完善應(yīng)急制動(dòng)閥的加工、調(diào)試試驗(yàn)質(zhì)量控制程序；

6）加強(qiáng)采購產(chǎn)品質(zhì)量控制，選用優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，加強(qiáng)進(jìn)貨檢驗(yàn)；

7）加強(qiáng)系統(tǒng)裝配、循環(huán)清洗、調(diào)試試驗(yàn)過程控制，排除因裝配錯(cuò)誤、循環(huán)清洗不到位、調(diào)試不當(dāng)?shù)纫鸬脑缙鸸收希?/p>

8）杜絕液壓零件在裝配時(shí)的外界污染物的侵入；

9）加強(qiáng)設(shè)計(jì)過程控制，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，從而提高系統(tǒng)可靠性。

5 結(jié)語

可靠性分析是目前艦炮武器裝備研究的一項(xiàng)重要內(nèi)容。本文根據(jù)某型艦炮液壓系統(tǒng)的實(shí)際功能劃分及基本組成情況分析最小割集庫并構(gòu)建故障樹，運(yùn)用基于經(jīng)驗(yàn)函數(shù)修正的蒙特卡洛仿真抽樣算法對系統(tǒng)可靠性進(jìn)行分析。通過仿真結(jié)果可知液壓系統(tǒng)失效率總計(jì)為1321.48×10-6次數(shù)/h，平均無故障工作時(shí)間MTBF為756.72h，滿足該炮液壓系統(tǒng)可靠性指標(biāo)要求。作為液壓系統(tǒng)最小割集的液壓缸和液壓輔件失效率偏高，屬于液壓系統(tǒng)可靠性的薄弱環(huán)節(jié)。據(jù)此，文中提出了提高某型艦炮液壓系統(tǒng)工作可靠性的措施及相應(yīng)的技術(shù)改進(jìn)方案。