水下爆炸测量设备可靠性设计

王明贵 贾志飞

摘 要:水下爆炸测量设备较高的使用频率和恶劣复杂的使用环境,使系统可靠性设计技术的研究显得十分重要。本文主要论述了系统可靠性设计的主要方法,探讨了水下爆炸测量设备可靠性设计技术,同时也对水下爆炸测量设备可靠性设计应用前景进行展望。

关键词:水下爆炸测量设备可靠性设计

中图分类号:O383+.1 文献标识码:Ａ 文章编号:1674-098X(2012)06(a)-0019-02

随着舰船抗冲击试验[1]在海军靶场的深入开展,靶场水下爆炸测量设备日益增多,而面对海上气候条件变化复杂和战雷爆炸作用距离逐步逼近而形成的强烈冲击和振动这样十分复杂的恶劣环境,测量设备管用、好使是各项水下爆炸试验圆满完成的基本保证。水下爆炸测量设备的可靠性问题将再一次引起各级管理层和技术工作人员的高度重视。为此,系统可靠性设计技术[2]研究对现役或即将列入专项规划的预研设备将具有重要的指导作用。

1 系统可靠性设计技术综述

系统可靠性是指在规定的条件下和规定的时间间隔内系统能正常运行的概率。“规定的条件”包括环境、使用、维修等条件和操作技术。“规定的时间”是指可靠性是对一定的时间间隔而言,人们常常要求能在规定的时间内具有一定的可靠性。“正确运行”是指系统能完成规定的各项技术性能。

提高系统可靠性一般有两类技术方法,即避错法和容错法。

1.1 避错法

避错技术的作用是减少失效的可能性,主要有:

(1)对元器件进行老化筛选;

(2)使用可靠的连接组装技术,严格工艺生产过程中的质量控制;

(3)在设计时对元器件的额定参数留有足够余量,即电应力、热应力的实际使用值明显地低于额定值,通常只有额定值的几分之一;

(4)由于元器件参数的离散性和负载变化产生的参数漂移,要基本节拍内逻辑链级数延时的设计留有足够余地;

(5)降低系统内部的电磁干扰。如印制电路板中,限制平等走线、重叠走线、分叉走线的长度和数量;限制接插件上同时同相动作信号线的数量;采取地线和地平面、电源线和电源平面等隔离技术以及电源的高、低频滤波等;

(6)高速信号线采用传输线及匹配技术;

(7)屏蔽外界电磁干扰;

(8)做好热设计,必要时采取冷却措施(风冷、水冷)降低机柜的温度;

(9)采取防震、防冲击、防盐雾、防潮等机械结构措施。

通过上述避错技术可使系统能承受一定的工作条件变化,如电源拉偏、频率拉偏、温度变化、电磁干扰、机械震动等。

1.2 容错法

容错法主要采用冗余技术对故障进行屏蔽,使系统出现故障时仍能保持正常工作。冗余技术主要包括硬件冗余、软件冗余、信息冗余和时间冗余等技术。

硬件冗余技术包含故障诊断、故障屏蔽和动态冗余技术。故障诊断是检测系统故障的发生及其确切位置,它是实现故障屏蔽和动态冗余的先决条件。故障屏蔽是一种静态硬件冗余技术,它通过冗余资源来隔离或校正故障的影响,如双工冗余、模块表决冗余、海明码纠单错等。屏蔽技术只是容忍一定程度的故障,当冗余资源耗尽后,再发生故障系统就会产生错误的结果。

动态冗余是综合性的容错技术,已广泛用于容错计算机系统中,其基本思想是:在发生故障时,通过系统内部的自动重组来切除故障部件,并以备用部件替换故障部件。实现动态冗余,要求系统具有模块化结构和故障检测、定位功能。用检测到的故障信号激活故障处理程序,自动将故障部件处理的任务转移到完好的部件或备用部件,并启动系统运行或性能降级运行。故障部件可以联机维修或脱机维修(使用活线拔插技术),修复后再加入系统,不中断系统运行。

时间冗余又称“复执”,通过重复执行发生故障的操作,使由于某种不明原因而引起的瞬时偶发性故障不再出现。复执有硬件复执和软件复执两种。硬件复执由增设的控制电路在出现故障后,延迟若干时间,重复执行發生故障的操作,如此时偶发性故障业已消失,则复执结果可获成功。延迟的时间长短和一次故障需要复执的次数可根据经验设定。软件复执可在单条指令、一段程序或整个作业等三个层次上进行。复执方案根据瞬时偶发性故障的多少、程序的检查点设置、复执所付出的代价以及复执的成功率等来决定。

除了采用上述的避错和容错技术方法外,还应对系统进行可靠性分配和可靠性预测[3]。

可靠性分配是根据用户对系统可靠性指标的要求,对各分系统设备等各部分提出相应的可靠性指标,并逐级分配到集成电路元器件、接插件、印刷电路板、生产工艺质量等项目上。在实际设计中,一般要提出多个方案进行比较调整以求得合理的结果。

2 水下爆炸测量设备可靠性设计

回顾水下爆炸测量设备多年来的研制、使用、维修等情况,避错技术侧重于设备的具体制作、维修、改造等过程。容错技术侧重于设备预研方案制定。对预研设备、堪用设备、在修设备的可靠性设计不尽相同。

2.1 预研设备的可靠性设计

预研设备通常分外研和自研。对外研设备,首先要针对待研设备所承担的使命任务制定战技指标,其次根据使用环境和操作技术等条件制定系统设计预案,其中系统可靠性设计预案重点应放在容错技术研究上。如水下爆炸工程技术实验的多项测量设备,将光纤传输技术、遥控遥测技术、自动控制技术、模块化设计技术等融入其中,满足系统的冗余技术设计,实现设备的可视化智能化功能。对自研设备除制定设计预案外,还要在实现预案的过程中,采用避错技术对具体的系统从机体加工设计,到线路布线、单块线路板插件乃至单个元器件的筛选均要进行屏蔽性设计。

2.2 在用设备的可靠性设计

设备一经交付使用,设备本身可靠性设计已经固定。当实际使用时因条件和环境的特殊要求[4],系统可靠性不能满足要求时,设备的可靠性必须进行再设计。对自研设备,因系统设计过程熟悉、清楚,设备可靠性再设计比较容易。对外研设备,进行设备可靠性再设计将十分困难,对研制设计过程不是太熟悉,最终会形成对设备进行返厂维修或改造,致使设备不能及时排队故障,延误试验进程,甚至中止试验。而最积极而有效途径是当在役测量设备或配置的仪器仪表等辅助性设备使用环境和条件发生变更时,要及时对在役设备所属系统可靠性进行充分的研究和分析,寻求弱点,通过可靠性再设计弥补不足,使在用设备适应新的环境使用要求。如爆炸威力测量设备在进行某船爆炸试验中,应对恶劣的冲击环境采用“软连接技术”,将测量设备固定于船板上,解决了强冲击可能造成的测量装置偏移或抛出而导致测量设备工作失灵等问题。因此,设备操管人员除对测量设备的工作性能和设计技术非常熟悉外,还必须具有较好业务能力和丰富的实践经验。这一点对于在用设备的可靠性再设计也是十分重要的。

2.3 在修设备的可靠性设计

设备故障的发生通常有多种原因造成,错综复杂。根据故障产生的原因制定相应的维修方案,采用不同的系统可靠性设计方法。

首先,对常年不用或平时很少通电维护而造成的设备故障则必须进行详细的检查,如环境条件、象温度变化、天气潮湿等影响因素的分析,应采用避错技术进行分析,如果有多台同种设备则通过更换机板插件等方法排队故障,必要时也可进行长时间通电维护,判断是否元器件参数随温度变化而发生漂移,必要时也可返制造商修复。

其次,对使用过频的测量设备故障,通常是内部单个部件参数发生变化,则必须进行器件或部件更换。同时对器件进行严格筛选,贯穿可靠性设计思想,使系统易现故障屏蔽于萌芽状态。

第三,对实验室或实验平台专用或配套设备以及各种校准设备包括仪器仪表等出现故障后,原则上应返厂维修,因为除排除故障外,还有一个校准精度问题,但要针对故障原因建立设备档案,制定系统可靠性设计措施,避免故障再现。

以上是水中兵器靶场多年来对测量设备的研制、使用、维修、改造的一些经验和总结,实践证明可行有效。然而,我们对系统的可靠性分配和可靠性预测方面有待于进一步加强。

3 结语

系统可靠性设计技术的研究对海军靶场武器装备[5]建设与发展有着重要的现实意义和深远的战略意义。首先,高可靠性测量设备能为靶场水下爆炸试验提供基本保证,保持海军靶场的综合测试能力,维护靶场的职能作用和重要地位。其次,我国海防为应对现代海上战争的挑战,必须加速海军武器装备发展,大量的接近实战的海上爆炸试验将要进行。水下爆炸测量技术研究显得非常重要,而高可靠性设计技术的研究与应用是水下爆炸测量技术研究的重要内容之一,随着科学技术与可靠性设计技术的深入研究与应用,海军靶场水下爆炸测量设备工作性能和技术指标将会迅速提高,以适应于未来海上战争的需要。

参考文献

[1] 汪玉.舰艇及设备冲击响应分析技术 [M].国防工业出版社,2006,3.

[2] 李海泉 李刚.系统可靠性分析与设计[M].科学出版社,2003,12.

[3] 宋保维.系统可靠性设计分析教[M].西北工业大学,2000,8.

[4] 舰船电子设备环境试验总则,1983,10.

[5] 王汉功.装备全面质量管理[M].北京国防工业出版社,2003.