PROBLEMATYKA GOTOWOŚCI SYSTEMÓW UZBROJENIA WE WCZESNEJ FAZIE EKSPLOATACJI

MOTROL, 2009, 11c, 105 112 PROBLEMATYKA GOTOWOŚCI SYSTEMÓW UZBROJENIA WE WCZESNEJ FAZIE EKSPLOATACJI Kazimierz Kowalski 1, Marek Młyńczak 2 1 Insyu Dowodzenia, Wyższa Szkoła Oficerska Wojsk Lądowych, ul. Czajkowskiego 109, 55-150 Wrocław, e-mail: kazimierz.kowalski@wso.wroc.pl 2 Insyu Konsrukcji i Eksploaacji Maszyn, Poliechnika Wrocławska, ul. Łukasiewicza 7/9, 50-371 Wrocław, e-mail: marek.mlynczak@pwr.wroc.pl Sreszczenie. Sysemy uzbrojenia podlegają ypowym procesom sarzenia, degradacji oraz przypadkowym uszkodzeniom spowodowanym błędami ludzkimi, przeciążeniem lub działaniem ooczenia. Znajomość okresu wczesnych uszkodzeń (wapiania się) obieków jes isona z punku widzenia zaufania do spełnianych przez nie funkcji. Przedsawiono modele uszkodzeń wczesnych dla układów funkcjonalnych czołgów eksploaowanych w warunkach garnizonowych. Słowa kluczowe: eksploaacja, sysemy uzbrojenia, goowość echniczna. Wsęp Goowość złożonych obieków echnicznych jes podsawową cechą ich jakości eksploaacyjnej. Goowość jes mierzona zazwyczaj funkcją lub wskaźnikiem goowości, kórych zmienność obserwowana jes w czasie lub przebiegu obieku. Szczególne znaczenie goowości obserwuje się w przypadku obieków pracujących w sposób ciągły i obieków mających duże znaczenie dla bezpieczeńswa. Sysemy uzbrojenia są akimi szczególnymi obiekami, dla kórych wysępują rzy charakerysyczne fazy eksploaacji wymagające różnej i wysokiej goowości. Sysemy uzbrojenia przebywają w okresie pokoju najczęściej w sysemie garnizonowym, gdzie odbywa się ich przechowywanie lub użykowanie szkoleniowe. W okresie konflików zbrojnych (wojny) obieky powinny osiągać wysoką goowość i niską uszkadzalność. Isone jes eż, aby nowe obieky osiągały wówczas niską uszkadzalność w jak najkrószym czasie od wprowadzenia do eksploaacji, co wymaga eliminowania błędów i uszkodzeń już w fazie produkcyjnej. Znajomość zw. błędów i uszkodzeń produkcyjnych jes więc kluczowym problemem dla goowości sysemów uzbrojenia w ewenualnym konflikcie zbrojnym. Uszkodzenia w eksploaacji obieku echnicznego Uszkodzenia obieków echnicznych definiowane są jako zdarzenia powodujące uraę zdolności do spełniania funkcji. Pojawienie się uszkodzenia jes więc zależne od czynników wewnąrz obieku, ooczenia eksploaacji, kadry eksploaacyjnej jak również wcześniejszych faz przed eks-

106 Kazimierz Kowalski, Marek Młyńczak ploaacyjnych i eksploaacyjnych. Lieraurowa krzywa wannowa (rys. 1) [1, 2] obrazuje przebieg funkcji inensywności w okresie docierania (I), poprawnego użykowania (II) i sarzenia obieku (III). λ() - Prawdopodobieńswo uszkodzenia w danej chwili pod warunkiem poprawnej pracy do ej chwili I II III Rys.1. Funkcja inensywności uszkodzeń (krzywa wannowa) Fig.1. Hazard rae funcion (Bah-ube curve) W przypadku nowoczesnych, zaawansowanych echnologicznie obieków echnicznych funkcja inensywności jes częso ograniczona do dwóch charakerysycznych przedziałów (rys. 2 b,d,f [4]). Najbardziej charakerysyczne są przypadki, w kórych nie wysępuje okres wczesnych uszkodzeń (2b) lub uszkodzeń sarzeniowych (2f). Niski, począkowy poziom inensywności uszkodzeń może być wynikiem saranności w procesie projekowania i produkcji o wysokiej jakości. λ() a λ() d λ() b λ() e λ() c λ() f Rys.2. Modele uszkadzalności obieków echnicznych Fig.2. Failure paerns of echnical objecs Analiza eksploaacji sysemów uzbrojenia wskazuje na dwie najważniejsze fazy kiedy elemeny ych sysemów funkcjonują w okresie pokoju i wojny. Wymagania sawiane sysemom uzbrojenia w ych fazach podlegają innym kryeriom. Obieky wprowadzane do eksploaacji w okresie wojny są w krókim czasie kierowane na sanowiska użykowania i wymaga się od nich działania bezpiecznego i o wysokiej efekywności. Dopasowywanie się obieku do warunków eksploaacji nie jes wówczas wskazane, a osiągnięcie długiego okresu eksploaacji jes ograniczone rodzajem spełnianych zadań bojowych o znacznej rudności (rys. 2 b,c,e). Oczekuje się więc, że obieky osiągną w krókim czasie san najniższej uszkadzalności.

PROBLEMATYKA GOTOWOŚCI SYSTEMÓW UZBROJENIA 107 W okresie pokoju sysemy uzbrojenia są wykorzysywane głównie do szkolenia oraz sanowią rezerwę obronną. Najważniejszym kryerium eksploaacyjnym powinien być w ych warunkach kosz eksploaacji. Odpowiada o przebiegowi funkcji inensywności jak na rys. 2f. Dłuższy okres wapiania się obieków nie jes co prawda korzysny z echnicznego punku widzenia, jednak może doyczyć obieków nieco ańszych. Charakerysyka obieku, sysemu i procesu jego eksploaacji Obiekem badań były szybkobieżne pojazdy gąsienicowe, czołgi PT-91 Twardy, eksploaowane w wojskowej jednosce pancernej o zwiększonej inensywności szkolenia. W ogólnym układzie konsrukcyjnym czołgu obejmującym wieżę, kadłub i gąsienicowy układ jezdny wyróżnia się przedział kierowania, bojowy i napędowy umieszczony w ylnej części pojazdu. Pojazd o masie ponad 45 Mg jes napędzany silnikiem o zapłonie samoczynnym (doładowanym sprężarką napędzaną mechanicznie) o mocy 625 kw i momencie napędowym 3100 Nm. Czołg wyposażony jes w mechaniczny układ przeniesienia mocy z dwoma planearnymi skrzyniami przekładniowymi (siedem przełożeń do przodu i jedno wseczne) serowanymi hydraulicznie. Skrę czołgiem wykonuje się poprzez włączenie przełożenia odpowiadającego biegowi o jeden mniejszemu w skrzyni przekładniowej z kórej jes przekazywany napęd na gąsienicę zwalnianą. Podsawowe dane charakeryzujące czołg PT-91 Twardy przedsawiono w ab. 1 [3]. Eksploaacja czołgów przebiegała zgodnie z rocznym planem eksploaacji, w kórym wyszczególniono ich użykowanie i obsługiwanie (w ym przechowywanie). Czołgi użykowano ylko podczas realizacji szkolenia. Szkolenie obejmowało szkolenie ogniowe i szkolenie akyczne, w układzie procenowym około 60% szkolenia ogniowego i 40% szkolenia akycznego. Dojazd do miejsc realizacji szkolenia z miejsca posoju czołgów wykonywany był samodzielnie przez czołgi biorące udział w szkoleniu. Tab. 1. Podsawowe dane echniczno-eksploaacyjne czołgu PT-91 Twardy [1] Tab. 1. Core echnical mainenance daa of PT-91 Twardy ank [1] Lp. Paramer Jednoska miary Warość 1 Masa czołgu kg 45300 2 Nacisk jednoskowy MPa 0,08 3 Prędkość maksymalna km/godz. 60 4 Maksymalna moc silnika przy 2000 obr/min kw 625 5 Maksymalny momen obroowy przy 1300-1400 obr/min Nm 3100 ± 100 6 Kaliber armay mm 125 7 Zużycie paliwa na drodze grunowej l/100km 420-450 8 Zasięg jazdy po drodze grunowej km 460-600 9 Maksymalna głębokość przeszkody wodnej pokonywanej m 5 po dnie 10 Maksymalna szerokość przeszkody wodnej pokonywanej po dnie m 1000 Obsługiwanie czołgów realizowane było w sysemie obsługiwań planowo-zapobiegawczych zgodnie z nasępującymi regułami: 1. Obsługiwanie bieżące (w dniu użykowania): przegląd konrolny przed użykowaniem, przegląd konrolny podczas użykowania, obsługiwanie codzienne (po każdym użykowaniu czołgu niezależnie od przebiegu).

108 Kazimierz Kowalski, Marek Młyńczak 2. Obsługiwanie echniczne nr 1 (OT-1) - co 1600-1800 km przebiegu. 3. Obsługiwanie echniczne nr 2 (OT-2) - co 3300-3500 km przebiegu. 4. Obsługiwanie specjalne związane z przygoowaniem czołgu do: pokonywania przeszkód wodnych, eksploaacji w warunkach lenich lub zimowych, przechowywania, działań z przewidywaniem użycia układu ochrony przed bronią masowego rażenia, srzelania z armay i karabinów maszynowych. 5. Obsługiwanie roczne - raz w roku bez względu na przebieg. 6. Obsługiwanie w ramach zw. Dni echnicznych. Obsługiwanie bieżące realizowane było przez bezpośrednich użykowników czołgów (załogi), naomias obsługiwania 2, 3, 4, 5 i 6 realizowane były przez wyspecjalizowane srukury echniczne (kompania remonowa i pluony remonowe) przy współudziale użykowników bezpośrednich (operaorów). Schema realizacji procesu eksploaacji czołgów zobrazowano graficznie na rys. 3. Użykowanie (1) realizowano w formie szkolenia ogniowego i akycznego. Obsługiwanie profilakyczne, zgodnie z wymaganiami gwarancyjnymi, (2) realizowano w formie obsługiwań bieżących, okresowych, specjalnych, rocznych i w ramach dni echnicznych. Obsługiwanie korekcyjne (3) realizowano w ramach napraw gwarancyjnych (po uznaniu reklamacji przez producena) lub siłami jednosek remonowych (w przypadku nieuznania reklamacji). Po wykonaniu obsługiwania korekcyjnego (wymiana, regulacja, naprawa), czołg kierowano na diagnosykę (4), a nasępnie do parku sprzęu echnicznego (5) lub bezpośrednio do użykowania (1). 2 5 1 3 4 Rys. 3. Schema procesu eksploaacji czołgów, 1 użykowanie, 2 obsługiwanie profilakyczne, 3 obsługiwanie korekcyjne, 4 diagnosyka echniczna, 5 oczekiwanie na użykowanie (obsługiwanie) Fig. 3. The diagram of he anks mainenance process, 1 uilizaion, 2 prevenive mainenance, 3 correcive mainenance, 4 diagnosics, 5 awaiing for uilizaion (mainenance) Sysem eksploaacji czołgów (jak i innych pojazdów wojskowych) charakeryzuje się przydziałem konkrenego egzemplarza pojazdu do dwóch zasadniczych grup: grupy pojazdów przechowywanych lub do grupy pojazdów użykowanych (rys. 4). Ze względu na fak, że czołgi podlegały gwarancji producena, były one wszyskie przydzielone do grupy pojazdów użykowanych. Docelowa norma eksploaacyjna dla czołgu PT-91 Twardy wynosi 38000 km lub 30 la eksploaacji. Naomias docelowa norma eksploaacyjna dla silnika napędowego czołgu wynosi 2400 mh.

PROBLEMATYKA GOTOWOŚCI SYSTEMÓW UZBROJENIA 109 GRUPA GRUPA POJAZDÓW W PRZECHOWYWANIU POJAZDÓW W UŻYTKOWANIU POJAZDY ZAPAS PRZEChOWYWANIE PRZEChOWYWANIE UŻYTKOWANIE PONADETATOWE WOJENNY DŁUGOOKRESOWE KRÓTKOOKRESOWE min. 50% max. 50% do 30% NALEŻNOŚĆ POJAZDÓW CZASU POKOJOWEGO P NALEŻNOŚĆ POJAZDÓW CZASU WOJENNEGO W Rys. 4. Schema przydziału pojazdów do grup eksploaacyjnych Fig. 4. The paern of vehicles assignmen o operaion groups Analiza obserwacji eksploaacyjnych Analiza przebiegu wprowadzania elemenów sysemu uzbrojenia do eksploaacji wykonano na przykładzie czołgu PT-91 Twardy. Zebrano informacje eksploaacyjne z okresu 3 la i 2 miesięcy w warunkach garnizonowych dla 144 czołgów użykowanych do szkolenia żołnierzy. Dla celów badawczych dokonano dekompozycji obieku na grupy funkcjonalne, zespoły, układy (podzespoły) i części (rys. 5). OBIEKT BADAŃ GRUPY FUNKCJONALNE PODWOZIE UZBROJENIE ŁĄCZNOŚĆ UKŁADY SPECJALNE ZESPOŁY SILNIK SKO CZTW P.POŻ UKŁADY UKŁ. CHŁODZENIA AUTOMAT ŁADOWANIA CZĘŚCI CHŁODNICA Rys. 5. Dekompozycja obieku badań Fig. 5. Decomposiion of he research objec W okresie obserwacji (1174 dni) czołgi uszkodziły się łącznie 510 razy ze średnim czasem napraw 27 dni. Zmienność uszkadzalności mieściła się między 1 a 14 uszkodzeniami, ze średnią liczbą uszkodzeń ponad 3 uszkodzenia przypadające na jeden obiek. Uszkodzenia były zgłaszane jako uszkodzenia gwarancyjne i uznano reklamacje doyczące 364 uszkodzeń, skąd można wnioskować, że ok. 71% uszkodzeń było uszkodzeniami wczesnymi pochodzącymi z fazy produkcyjnej, a pozosałe miały inne podłoże niż błędy procesu produkcyjnego. W abeli 2 zesawiono główne charakerysyki uszkadzalności (liczba uszkodzeń, średni przebieg między uszkodzeniami i średni czas naprawy) poszczególnych grup i zespołów funkcjonalnych. Analiza danych zosała przeprowadzona z wykorzysaniem programu Weibull++ (Reliasof) dopasowując do zweryfikowanych danych eksploaacyjnych rozkład Weibulla z paramerami kszału α i skali β. Sopień dopasowania rozkładu ocenia współczynnik korelacji ρ, kórego najniższa warość wynosi 0,93.

110 Kazimierz Kowalski, Marek Młyńczak Kod układu Nazwa układu Tab. 2. Charakerysyki uszkadzalności czołgów Tab. 2. Characerisics of anks failure Liczba uszkodzeń MTBF [km] MTTR [godz] Paramery rozkładu W(α, β) Wsp. korelacji α β ρ 10 Podwozie 25 84,4 24,0 0,82 151,76 0,98 11 Silnik 97 48,9 25,1 0,87 103,43 0,99 12 Układ przeniesienia mocy 27 25,0 29,7 1,06 60,45 0,97 13 Układ serowania 21 113,5 20,9 1,20 232,11 0,99 14 Insalacja elekryczna 69 151,6 28,4 0,92 140,56 0,93 20 Uzbrojenie 69 161,1 26,9 0,63 117,21 0,98 21 Sysem kierowania ogniem (SKO) 59 91,4 29,5 0,58 119,52 0,97 23 DRAWA 42 74,7 28,7 0,93 102,73 0,98 24 Serowanie, insalacja elekryczna 31 156,9 24,1 0,64 108,38 0,95 30 Łączność 56 126,7 27,4 0,64 115,54 0,96 40 Układy specjalne 14 41,9 18,4 0,95 237,85 0,97 Analiza wyników obróbki saysycznej danych eksploaacyjnych zesawionych w abeli 2 pokazuje, że dla 6 spośród 11 podsysemów funkcjonalnych paramer kszału α rozkładu Weibulla ma warość zdecydowanie mniejszą niż 1 (α <0,92). Oznacza o malejący przebieg funkcji inensywności uszkodzeń charakerysyczny dla okresu gwarancyjnego [1]. Uszkodzenia o pochodzeniu produkcyjnym są w począkowej fazie eksploaacji sukcesywnie usuwane, sąd ich pojawianie się w dalszym ciągu eksploaacji jes coraz mniej prawdopodobne. Malejąca inensywność uszkodzeń ych 6 podsysemów odpowiada rozkładowi Weibulla o paramerze kszału zmiennym w zakresie 0,58-0,87. W przypadku 5 pozosałych podsysemów: insalacja elekryczna, sysem sarowania ogniem DRAWA, układy specjalne, przeniesienia mocy oraz serowania, pojawiające się uszkodzenia mają charaker przypadkowy (α=0,92-1,20), wynikający z np. z błędów człowieka lub nieprzewidywalnego oddziaływania ooczenia. Ich udział w całkowiej liczbie uszkodzeń (173 uszkodzenia sanowią 34% uszkodzeń) jes zbieżny z liczbą nie uznanych uszkodzeń zgłoszonych jako gwarancyjne. Powierdza o zasadność decyzji gwarana o odrzuceniu niekórych zgłoszonych uszkodzeń jako zawinionych przez producena. ReliaSof Weibull++ 7 - www.reliasof.com Failure Rae vs Time Plo ReliaSof Weibull++ 7 - www.reliasof.com Reliabiliy vs Time Plo 0,030 Failure Rae 1,000 Reliabiliy TBF_12 Weibull-2P RRX SRM MED FM F=12/S=0 Failure Rae Line TBF_12 Weibull-2P RRX SRM MED FM F=12/S=0 Daa Poins Reliabiliy Line 0,024 0,800 Failure Rae, f()/r() 0,018 0,012 Reliabiliy, R()=1-F() 0,600 0,400 0,006 0,200 Marek Mlynczak Wroclaw Universiy of Techn 07-05-2009 0,000 11:49:11 0,000 40,000 80,000 120,000 160,000 200,000 β=1,0594, η=60,4538, ρ=0,9748 Time, () Marek Mlynczak Wroclaw Universiy of Techn 07-05-2009 0,000 11:35:46 0,070 80,056 160,042 240,028 320,014 400,000 β=1,0594, η=60,4538, ρ=0,9748 Time, () Rys. 6. Funkcja inensywności uszkodzeń (blisko sała) i niezawodności dla podsysemu 12- przeniesienie napędu Fig. 6. Funcion of failure rae (nearly consan) and reliabiliy for he 12-h subsysem power ransmission sysem

PROBLEMATYKA GOTOWOŚCI SYSTEMÓW UZBROJENIA 111 Na rys. 6 i 7 przedsawiono wybrane przykłady funkcji charakeryzujących niezawodność dla skrajnych warości parameru kszału rozkładu Weibulla. Rys. 6 obejmuje krzywe funkcji inensywności uszkodzeń i niezawodności dla podsysemu 12 - przeniesienie napędu przy niemal sałej inensywności uszkodzeń. Na rys. 7 pokazano analogiczne wykresy dla podsysemu 21- sysem kierowania ogniem przy malejącej funkcji inensywności uszkodzeń świadczącej o ym, że głównymi czynnikami powodującymi san niezdaności są zjawiska wysępujące podczas produkcji obieku. ReliaSof Weibull++ 7 - www.reliasof.com Failure Rae vs Time Plo ReliaSof Weibull++ 7 - www.reliasof.com Reliabiliy vs Time Plo 0,020 Failure Rae 1,000 Reliabiliy TBF_21 Weibull-2P RRX SRM MED FM F=24/S=0 Failure Rae Line TBF_21 Weibull-2P RRX SRM MED FM F=24/S=0 Daa Poins Reliabiliy Line 0,016 0,800 Failure Rae, f()/r() 0,012 0,008 Reliabiliy, R()=1-F() 0,600 0,400 0,004 0,200 Marek Mlynczak Wroclaw Universiy of Techn 07-05-2009 0,000 11:37:21 0,000 1600,000 3200,000 4800,000 6400,000 8000,000 β=0,5841, η=119,5224, ρ=0,9707 Time, () Marek Mlynczak Wroclaw Universiy of Techn 07-05-2009 0,000 11:36:50 7,000E-4 800,001 1600,000 2400,000 3200,000 4000,000 β=0,5841, η=119,5224, ρ=0,9707 Time, () Rys. 7. Funkcja inensywności uszkodzeń (malejąca) i niezawodności dla podsysemu 21- sysem kierowania ogniem Fig. 7. Funcion of failure rae (decreasing) and reliabiliy for he 21-s subsysem fire conrol sysem Podsumowanie W pracy przedsawiono analizę wyników obserwacji grupy obieków sysemu uzbrojenia reprezenowaną przez czołgi PT-91 Twardy. Wprowadzenie do eksploaacji ma dla ego ypu obieków szczególne znaczenie ze względu na wymaganą, od momenu wprowadzenia do eksploaacji, wysoką goowość bojową, kóra w głównej mierze uwarunkowana jes goowością echniczną. Analiza uszkodzeń zarejesrowanych w okresie pierwszych 3 la (10% zakładanej rwałości obieku) pokazuje, że średnia goowość czołgów jes wysoka i wynosi 0,98, a uszkodzenia zw. gwarancyjne są uznawane przez producena i usuwane. Z wykonanych analiz wynika, że eoreyczne modele niezawodności są w pełni uzasadnione w modelowaniu eksploaacji złożonych sysemów uzbrojenia akich jak czołgi. Lieraura 1. Benley J. P.: Inroducion o Reliabiliy and Qualiy Engineering. Addison-Wesley Longman Ld., Edinburgh Gae. Harlow 1999. 2. Blischke W, Murhy D.N.P.: Reliabiliy. Modeling, Predicion, and Opimizaion. John Wiley & Sons, Inc. New York 2000. 3. MON: Insrukcja eksploaacji czołgu PT-91 cz. II, Dokumenacja eksploaacyjna, Warszawa 1996. 4. MOUBRAY J.: RCM- an Inroducion. 1 s Inernaional Sociey of Auomoive Engineers:

112 Kazimierz Kowalski, Marek Młyńczak JA1011 - Evaluaion Crieria for Reliabiliy-Cenered Mainenance (RCM) Processes: Warrendale, Pennsylvania, USA: SAE Publicaions. Aladon 2000. CONSIDERATION OF WEAPON SYSTEMS AVAILABILITY IN EARLY OPERATION PHASE Summary. Weapon sysems undergo naural ageing processes, degradaion and random failures caused by human errors, overloading or desrucive acion of surroundings. Knowledge of burn-in or infan moraliy period of echnical objecs is significan from he poin of view of confidence of performing he inended funcion. Models of infan moraliy of funcional sysems of main balefield anks operaing in garrison were presened. Key words: mainenance, weapon sysems, availabiliy.