張曉谞，程紅偉，譚大力，王擎宇，騰 騰

(海軍研究院，北京 100161)

0 引 言

隨著我國科學技術實力的綜合提升，為適應我國海洋權益發(fā)展的需求，艦載機在多種海上平臺上的應用得到越來越多的關注，相關領域裝置的研發(fā)和關鍵技術的攻關獲得了長足的發(fā)展[1]。其中，艦載機阻攔著艦技術是海上平臺發(fā)揮其優(yōu)勢作用的關鍵技術之一。先進且可靠的阻攔系統(tǒng)對提升艦載機的綜合應用性能具有重大的實際意義[2]。

最初的飛機阻攔系統(tǒng)僅用來防止飛機在起飛和著艦時發(fā)生飛行事故。目前，阻攔設備已從單一的應急安全防護裝置向著艦的常規(guī)設施方向發(fā)展。國外的飛機阻攔設備發(fā)展較快，尤其美國的應用起步較早。根據(jù)各型飛機的飛行任務要求，競相研制了多種形式的機械式飛機阻攔系統(tǒng)[3]。為了彌補傳統(tǒng)機械式阻攔裝置的不足，美國在20 世紀90 年代率先提出了機電混合的先進阻攔裝置（Advanced Arresting Gear，AAG）的研究計劃[4]。由于先進阻攔裝置采用的是電機及水渦輪為吸能元件的混合型方案，在阻攔調(diào)節(jié)過程中仍存在調(diào)節(jié)不夠靈活的不足。因此，近年來有關電磁式先進阻攔裝置的研究得到更為廣泛的關注。

目前，我國對電磁式先進阻攔裝置的相關研究尚處于初級階段。對于先進阻攔裝置的設計、評估和分析方法并不完備，對于全系統(tǒng)關鍵性能的評價指標與評價方法還需要進一步深入研究[5]。

本文以電磁式先進阻攔裝置為研究對象，首先闡述該型阻攔裝置的系統(tǒng)組成，分析影響裝置可靠性分析的關鍵環(huán)節(jié)。最后研究并總結(jié)適用于先進阻攔裝置負載系統(tǒng)的可靠性分析方法。本研究可在系統(tǒng)可靠性方面為電磁式先進阻攔裝置的設計、應用與評估等過程提供一定的參考。

1 電磁式先進阻攔裝置組成

相比于傳統(tǒng)機械式的阻攔裝置，電磁式先進阻攔裝置（簡稱電磁阻攔裝置）阻攔范圍更廣，且在阻攔過程中可采用閉環(huán)控制策略，能夠顯著降低阻攔過程中的峰均力比。電磁阻攔裝置的構成如圖1 所示。其特點為完全采用電機作為阻攔過程的調(diào)節(jié)及吸能元件，以便充分利用電機完全精確可控的優(yōu)點，實現(xiàn)在飛機阻攔過程中對其阻攔軌跡進行實時閉環(huán)調(diào)節(jié)的目的[6]。

圖1 電磁阻攔裝置構成圖Fig.1 Electromagnetic arresting device principle

如圖1 所示，該裝置由阻攔索、緩沖器、索輪鼓、阻攔機及其調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)等組成。其基本工作原理是：在飛機沖索后，繼續(xù)拉動阻攔索向前運動，進而通過阻攔索和滑輪索帶動索輪鼓旋轉(zhuǎn)放繩。上述過程將飛機的直線運動轉(zhuǎn)換成索輪鼓、阻攔電機的同軸旋轉(zhuǎn)運動。期間通過對阻攔電機施加反向的阻力轉(zhuǎn)矩以吸收飛機的動能，使得飛機在給定的距離內(nèi)制動下來。電磁阻攔裝置可以在阻攔之前先設定飛機的阻攔軌跡，在阻攔過程中，實時檢測飛機的阻攔軌跡，并通過對阻攔電機轉(zhuǎn)矩的精確調(diào)節(jié)使得飛機的實際阻攔軌跡能夠良好地跟蹤設定軌跡，從而達到對飛機的阻攔過程進行精確閉環(huán)控制的目的。與傳統(tǒng)的機械阻攔裝置相比，該裝置具有阻攔范圍寬、阻攔過程精確可控等優(yōu)點。在阻攔過程中通過靈活地改變阻攔電機輸出轉(zhuǎn)矩使阻攔索上的張力始終保持在安全范圍內(nèi)，大幅度提高了阻攔性能，從而可以阻攔更高能級的飛機[6]。

電磁阻攔裝置的精確控制與靈活調(diào)節(jié)等優(yōu)勢特性，是基于系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的條件下實現(xiàn)的。因此，電磁阻攔裝置的可靠性是系統(tǒng)設計與使用過程中需要重點考核的。而在評估該裝置可靠性的過程中涉及多個關鍵環(huán)節(jié)。

2 電磁阻攔裝置可靠性分析關鍵環(huán)節(jié)

在對電磁阻攔裝置進行可靠性分析過程中，涉及的關鍵環(huán)節(jié)主要包括：確定裝置的可靠性指標、梳理裝置可靠性分析流程以及明確裝置的故障判定、分類與統(tǒng)計原則。

2.1 裝置可靠性的指標

針對電磁阻攔裝置這一復雜系統(tǒng)的可靠性分析問題，結(jié)合系統(tǒng)主要特性可將其可靠性指標分為2 部分：系統(tǒng)級和設備級。不同級別的可靠性分析指標和流程不盡相同。

一部分是系統(tǒng)級的阻攔裝置總體層面的可靠性指標，主要包含飛機過載、阻攔距離和阻攔次數(shù)等。其中，阻攔次數(shù)是電磁阻攔系統(tǒng)的核心特性，是系統(tǒng)級可靠性分析中的核心對象。

另一部分是設備級的針對阻攔系統(tǒng)的關鍵組成部分阻攔索的可靠性指標，主要包含索徑、股數(shù)和使用壽命等。其中，阻攔索的使用壽命是直接關系到阻攔系統(tǒng)性能的關鍵參數(shù)，也是設備級可靠性分析中的重點分析對象。

2.2 裝置可靠性的分析流程

不同的系統(tǒng)級與設備級的可靠性分析指標對應不同的可靠性分析重點，因而存在不同的可靠性分析流程。

1）對于電磁阻攔裝置系統(tǒng)級可靠性的分析流程，主要圍繞著其核心指標?阻攔次數(shù)進行，包含如下步驟：記錄實驗次數(shù)、統(tǒng)計故障次數(shù)、計算平均故障間隔次數(shù)和評估可靠性結(jié)果。對應的可靠性分析流程，如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)級可靠性分析流程Fig.2 System level reliability analysis process

2）對于阻攔索的設備級可靠性分析過程相對復雜，因為阻攔索的疲勞失效存在一個過程。而且相比于其他機械及電氣設備，阻攔索的失效對系統(tǒng)帶來的負面影響最大，且修護難度和工作量也是最大的。綜合考慮上述因素，將阻攔索的使用壽命評估作為電磁阻攔系統(tǒng)可靠性分析的關鍵組成部分。阻攔索壽命評估流程，如圖3 所示。

圖3 阻攔索壽命可靠性估算流程Fig.3 Reliability life estimation process of arresting gear

在上述流程中，可靠壽命點估算、可靠壽命區(qū)間估算和考慮繩徑退化的可靠壽命評估是完成阻攔索壽命可靠性評估的關鍵理論環(huán)節(jié)。而在基于實驗次數(shù)與故障次數(shù)的采用數(shù)理統(tǒng)計原理的可靠性分析中，有一個關鍵問題需要確定，便是故障次數(shù)的計數(shù)值。該數(shù)值的計算涉及阻攔裝置的故障分類、判定和統(tǒng)計原則等相關內(nèi)容。

2.3 裝置的故障分類、判定與統(tǒng)計原則

在電磁阻攔裝置的故障判定、分類和統(tǒng)計原則方面的研究中，充分借鑒文獻[7]中的相關標準進行對應的設計。

可將故障類型分為2 類：責任故障和非責任故障。其中，非責任故障的判定依據(jù)包含如下幾項：誤操作、實驗裝置及儀表故障、不滿足額定工作條件、修復引起故障等；相應的，責任故障的判定依據(jù)包含如下幾項：設計與制造缺陷、元件失效、額定工況下的設備更換以及其他異常情況。

結(jié)合上述內(nèi)容可以設定故障統(tǒng)計原則為：在實驗過程中，只有責任故障作為判定受試裝置合格與否的依據(jù)，并記錄其發(fā)生次數(shù)作為故障次數(shù)，其他情況不計入統(tǒng)計。

在明確電磁阻攔裝置可靠性分析過程中涉及的指標、流程及故障統(tǒng)計原則等關鍵環(huán)節(jié)后，即可研究總結(jié)適用于本裝置的可靠性分析方法。

3 電磁阻攔裝置可靠性分析方法

針對電磁阻攔裝置的系統(tǒng)組成特點，依據(jù)研究內(nèi)容對系統(tǒng)級可靠性分析過程采用基于數(shù)理統(tǒng)計的分析策略，對阻攔索的可靠性壽命評估則結(jié)合了Weibull 分布法、參數(shù)Bootstrap 計算和考慮繩徑退化因素的等綜合評估策略。

3.1 基于數(shù)理統(tǒng)計的可靠性分析

在基于數(shù)理統(tǒng)計的可靠性分析中，首先需確定實驗次數(shù)。設覆蓋裝置全部工況的可靠性試驗共開展N次。

接著，確定可靠性試驗中的故障次數(shù)。根據(jù)實驗結(jié)果，在可靠性考核過程中，共出現(xiàn)M次故障。其中，并未出現(xiàn)可導致系統(tǒng)不能完成任務的重大故障，或修護時間超出設定的最長修護時間的故障。責任故障次數(shù)統(tǒng)計為R次。

最后，根據(jù)設定的置信度計算平均故障間隔次數(shù)。設選取的置信度為Q，采用定時截尾置信下限的計算方法[8]，結(jié)合實驗結(jié)果，在置信度Q條件下裝置平均故障間隔次數(shù)MCBF的計算公式為：

其中，等式右側(cè)分式的分母含義為自由度是（2R+2）的卡方分布函數(shù)的（1-Q）的上側(cè)分位數(shù)。

根據(jù)文獻[8]中列舉的故障判據(jù)和置信度選取有效條件，采用定時截尾的評估方法對MCBF進行評估。若計算結(jié)果高于置信度Q下的目標值，則系統(tǒng)可靠性滿足合格判定要求。

3.2 基于Weibull 分布定時截尾的可靠壽命點估算

在分析可靠性過程中，針對具有疲勞特性的設備，且在具備一定數(shù)量的實驗樣本條件下，可采用Weibull分布定時截尾方式對可靠性試驗對象進行建模分析[9–10]。

由相關文獻可知，Weibull 分布的分布函數(shù)F（t）和密度函數(shù)P（t）分別為：

其中，m為形狀參數(shù)，β=ηm>0為尺度參數(shù)

假設t1≤t2≤···≤tr(r≤n)是來自Weibull 分布的定時截尾樣本，其中r為截尾數(shù)。那么，該樣本的似然函數(shù)可表示為：

由式（6）可求解對數(shù)似然函數(shù)的2 個偏導數(shù)可表示為：

令式（7）為零，則可得到2 個似然方程如下：

聯(lián)立方程組，即可求解參數(shù)m和β的極大似然估計值。那么，基于Weibull 分布的阻攔索平均壽命E(T)的表達式為：

由式（11）計算可得，在上述約束條件下的可靠壽命tr為：

此時，將Weibull 分布參數(shù)估計結(jié)果m和η代入上式，即可得到可靠壽命點的估計值。

3.3 采用參數(shù)Bootstrap 方法的可靠壽命區(qū)間估算

在獲得可靠壽命點估計值的條件下，可通過采用參數(shù)Bootstrap 方法計算得到平均壽命和可靠壽命區(qū)間[11–12]，具體計算步驟如下：

1）采用極大似然估計法對定時截尾實驗數(shù)據(jù)中的5 個數(shù)據(jù)樣本進行計算，得到Weibull 分布參數(shù)估計值

4）重復上述過程步驟1～步驟3B次，即可得到B個平均壽命和可靠壽命估計值：

5）將B個(T)數(shù)值按從小到大的順序排列，給定置信度α，則排列在第[αB]位的數(shù)值即為平均壽命的置信度為α的單側(cè)置信下限估計值；

6）將B個數(shù)值按從小到大的順序排列，給定置信度α，則排列在第[αB]位的數(shù)值即為可靠度為r條件下的置信度為α的可靠壽命單側(cè)置信下限估計值。

通過實驗數(shù)據(jù)，得到基于Weibull 分布不同置信度下的可靠度與壽命預測歸一化關系圖，如圖4 所示。

圖4 Weibull 壽命預測與可靠度歸一化曲線Fig.4 Weibull life prediction and reliability normalization curve

除了上述分析過程外，針對阻攔索此類的疲勞損耗設備，在可靠壽命分析中還有一個關鍵特性需要評估?阻攔索的繩徑退化特性。

3.4 基于繩徑退化數(shù)據(jù)的壽命評估

隨著試驗次數(shù)的增加，阻攔索在實驗過程中不斷被消耗。相對于電磁阻攔裝置的其他分系統(tǒng)設備，阻攔索的消耗損傷速度最快，對系統(tǒng)整體性能影響最大。其具體表現(xiàn)為，隨著試驗次數(shù)的增加，阻攔索的直徑會逐漸減小[13]。這部分影響因素可稱為繩徑退化。可根據(jù)實際應用情況，設定阻攔索失效的繩徑閾值為Z(mm)，而考慮了繩徑退化因素的可靠壽命估算過程如下：

1）間隔一定時間測量阻攔索繩徑數(shù)據(jù)，對其中有效樣本阻攔索繩徑數(shù)據(jù)雖試驗次數(shù)增加的退化規(guī)律進行數(shù)學擬合，得到擬合斜率、擬合截距和擬合優(yōu)度，建立阻攔索繩徑退化數(shù)學模型；

2）根據(jù)上述模型對阻攔索的使用壽命進行預測。當阻攔索的繩徑下降到閾值Z需要更換時，可得到個樣本的預測壽命值；

3）根據(jù)上一步驟得到的預測壽命值，再采用Weibull 壽命分布極大似然估計法，得到分布參數(shù)估計值為，再次通過式（9）～式（12）和參數(shù)Bootstrap 方法進一步推導計算獲得可靠函數(shù)、可靠壽命點估計值和可靠壽命區(qū)間估計值。

在上述過程中，一個重要環(huán)節(jié)是確定有效樣本的篩選方法，即使用有效使用次數(shù)的統(tǒng)計原則。而在使用過程中阻攔索需要更換的判據(jù)為：出現(xiàn)斷絲或者繩徑值低于Z。這里可以采用如下3 個統(tǒng)計原則作為可靠壽命評估的輸入條件：

1）同一阻攔索使用次數(shù)為故障結(jié)尾且小于繩徑退化預測次數(shù)的，在可靠壽命評估過程中采信使用次數(shù)；

2）同一阻攔索使用次數(shù)為故障結(jié)尾且大于繩徑退化預測次數(shù)的，在可靠壽命評估過程中采信繩徑退化預測次數(shù)；

3）同一阻攔索使用次數(shù)為定時結(jié)尾的，在可靠壽命評估過程中采信繩徑退化預測次數(shù)。

通過實驗數(shù)據(jù)，得到基于繩徑退化不同置信度下的可靠度與壽命預測歸一化關系圖，如圖5 所示。

圖5 繩徑退化壽命預測與可靠度歸一化曲線Fig.5 Life prediction of rope path and reliability normalization curve

4 結(jié) 語

本文對電磁式先進阻攔裝置的可靠性分析方法進行研究。首先闡述了電磁式先進阻攔裝置的系統(tǒng)組成與工作原理，對該裝置可靠性分析過程中的可靠性指標、分析流程和故障判定統(tǒng)計原則等關鍵環(huán)節(jié)進行了分析。最后，結(jié)合電磁阻攔裝置的系統(tǒng)特點，分析總結(jié)了基于數(shù)理統(tǒng)計的系統(tǒng)級可靠性分析方法和聯(lián)合了基于Weibull 分布定時截尾方式、采用參數(shù)Bootstrap 方法以及考慮阻攔索繩徑退化的阻攔索設備級可靠性分析方法。上述研究內(nèi)容可為電磁式先進阻攔裝置的可靠性設計、應用于評估過程提供一定的理論參考依據(jù)，具有一定的理論研究與實際應用價值。