某火工裝置延時(shí)失效原因分析與改進(jìn)研究

胡松濤

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某火工裝置延時(shí)失效原因分析與改進(jìn)研究

胡松濤

（安徽紅星機(jī)電科技股份有限公司，安徽 合肥，231135）

為查找某火工裝置延時(shí)失效的原因，進(jìn)行了故障排查及失效機(jī)理分析。結(jié)果表明延時(shí)失效的根本原因?yàn)樵摶鸸ぱb置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，導(dǎo)致在爆炸沖擊波作用下裝藥密封受損，引起瞬發(fā)。對(duì)原裝置進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，并對(duì)改進(jìn)后的火工裝置進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證和可靠性評(píng)估，結(jié)果表明新裝置延時(shí)正常，其綜合可靠性達(dá)到了技術(shù)指標(biāo)要求。

火工裝置；延時(shí)失效；改進(jìn)設(shè)計(jì)；可靠性評(píng)估

在武器系統(tǒng)中，通常使用延期類火工品以保證在一定時(shí)間后準(zhǔn)確完成分離、爆炸等作用，若延期類火工品延時(shí)失效將嚴(yán)重影響后續(xù)序列作用時(shí)序及最終作用效果。本文涉及的火工裝置配用于某型子母彈子彈，在研制過(guò)程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)瞬發(fā)現(xiàn)象，喪失延期功能。因此，本文對(duì)其延時(shí)失效的原因進(jìn)行了排查、分析，并提出了改進(jìn)方案。

1 火工裝置結(jié)構(gòu)及作用原理

該裝置主要由本體、推力板、螺釘、針刺雷管、導(dǎo)爆管、中心管、導(dǎo)爆索、延期管、黑火藥等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 火工裝置結(jié)構(gòu)示意圖

火工裝置作用原理：擊針刺激針刺雷管，針刺雷管作用，起爆導(dǎo)爆管，導(dǎo)爆管的爆轟輸出在起爆導(dǎo)爆索的同時(shí)，通過(guò)彎曲通道引燃本體上兩個(gè)對(duì)稱長(zhǎng)方槽內(nèi)的延期管，延期管持續(xù)燃燒0.60～1.20s，點(diǎn)燃本體上兩個(gè)扇形藥室內(nèi)的黑火藥。在黑火藥燃燒產(chǎn)生的氣體壓力作用下，推力板沿中心管軸向平移，拉斷螺釘，將毀傷元件推出子彈彈體。

2 原因分析

2.1 失效原因排查

延期管是火工裝置實(shí)現(xiàn)延期功能的主要元件，其裝藥序列為“針刺藥-點(diǎn)火藥-延期藥-點(diǎn)火藥”，通過(guò)延期藥的穩(wěn)定燃燒保證延期時(shí)間。為了準(zhǔn)確定位火工裝置延時(shí)失效的原因，對(duì)非正常作用的火工裝置進(jìn)行了解剖觀察，如圖2所示。通過(guò)圖2可以看出，針刺雷管、導(dǎo)爆管、導(dǎo)爆索、延期管、黑火藥均已作用，單從該現(xiàn)象無(wú)法獲知火工裝置的實(shí)際作用過(guò)程，因此需要通過(guò)分步試驗(yàn)的方法對(duì)其作用過(guò)程進(jìn)行逐一排查，以期找出問(wèn)題出現(xiàn)的根本原因。

圖2 失效的火工裝置

通過(guò)對(duì)火工裝置作用原理以及作用時(shí)序進(jìn)行分析，可知針刺雷管、導(dǎo)爆管爆轟輸出的沖擊波可能會(huì)破壞延期藥裝藥結(jié)構(gòu)，穿透延期藥層，引起瞬發(fā)?；谝陨峡紤]，按照火工裝置的作用時(shí)序重新進(jìn)行產(chǎn)品裝配，通過(guò)測(cè)時(shí)試驗(yàn)進(jìn)行分步排查。第1次測(cè)時(shí)試驗(yàn)時(shí)，火工裝置內(nèi)不裝黑火藥，用示波器跟蹤火工裝置的作用過(guò)程，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。從波形上可以判斷延期管作用正常，延期時(shí)間達(dá)到了指標(biāo)要求，表明在該過(guò)程中延期藥裝藥結(jié)構(gòu)并未遭到破壞。

圖3 火工裝置作用時(shí)的波形

在隨后進(jìn)行的第2次測(cè)時(shí)試驗(yàn)時(shí)，將延期管制成惰性件，裝入本體的長(zhǎng)方槽中，惰性件與長(zhǎng)方槽的空隙處填充硅橡膠。試驗(yàn)分兩組進(jìn)行：一組藥室內(nèi)裝黑火藥，另一組不裝黑火藥。試驗(yàn)結(jié)果如下：裝黑火藥的一組，本體、推力板分離，螺釘被拉斷，藥室內(nèi)的黑火藥已燃燒，而長(zhǎng)方槽中的硅橡膠密封完好。試驗(yàn)結(jié)果表明爆轟產(chǎn)物已直接引燃黑火藥。不裝黑火藥的一組，本體、推力板分離，螺釘松動(dòng)，長(zhǎng)方槽中的硅橡膠密封完好，藥室周圍有明顯的氣體熏蝕痕跡。試驗(yàn)結(jié)果表明，針刺雷管、導(dǎo)爆管爆炸，造成本體與推力板的連接面分離，爆轟產(chǎn)物由此進(jìn)入藥室。

2.2 失效機(jī)理分析

針刺雷管、導(dǎo)爆管爆炸后，輸出沖擊波、熱爆炸氣體和金屬飛片。導(dǎo)爆管-導(dǎo)爆索界面間的爆轟傳遞主要通過(guò)導(dǎo)爆管的透射沖擊波實(shí)現(xiàn)，針刺雷管、導(dǎo)爆管的爆炸輸出經(jīng)過(guò)近似直角的彎曲通道后，金屬飛片被阻止到直通道內(nèi)，因此，點(diǎn)燃延期藥的能量主要是爆炸產(chǎn)物膨脹產(chǎn)生的沖擊波及產(chǎn)物的熱作用。當(dāng)沖擊波到達(dá)彎曲通道的末端時(shí)，對(duì)本體和推力板的連接面形成強(qiáng)烈沖擊，涂覆在連接面上用于藥室密封的硅橡膠因此受到強(qiáng)烈壓縮。當(dāng)壓力達(dá)到臨界值時(shí)，局部位置膠體從本體或推力板上剝離，膠體與本體或推力板之間出現(xiàn)縫隙，沖擊波、熱爆炸氣體沿縫隙進(jìn)入藥室，引燃黑火藥，黑火藥先于延期管作用，使延時(shí)失效。

3 改進(jìn)研究

3.1 火工裝置結(jié)構(gòu)改進(jìn)

根據(jù)以上分析，造成火工裝置延時(shí)失效的根本原因是火工裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，爆炸沖擊波直接作用在藥室周圍的硅橡膠上，導(dǎo)致裝藥密封受損，在延期管尚未輸出火焰時(shí)，針刺雷管、導(dǎo)爆管爆炸后輸出的沖擊波、熱爆炸氣體已引燃黑火藥。另外，本體、推力板合裝時(shí)，硅橡膠處于流動(dòng)狀態(tài)，由于涂膠量難以控制，多余的硅橡膠極易堵實(shí)傳火通道，造成延期管瞎火。在此基礎(chǔ)上，對(duì)火工裝置進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，改進(jìn)后的火工裝置主要由本體、推力板、螺釘、針刺雷管、導(dǎo)爆管、中心管、導(dǎo)爆索、組合點(diǎn)火管、黑火藥等組成，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。改進(jìn)后的火工裝置與之前相比有以下特點(diǎn)：（1）新裝置將延期管改為組合點(diǎn)火管。組合點(diǎn)火管由點(diǎn)火管、延期索密封連接而成，具有點(diǎn)火、延期等功能和一定的柔韌性，并且能彎曲盤繞。（2）將兩個(gè)對(duì)稱的長(zhǎng)方形槽設(shè)在藥室背面的推力板上，槽的一端與中心孔貫通，另一端開(kāi)有與藥室貫通的軸向圓孔。組合點(diǎn)火管安裝在長(zhǎng)方槽及圓孔內(nèi)，輸入端接彎曲通道，輸出端與推力板端面平齊，組合點(diǎn)火管與推力板槽、孔之間的間隙用環(huán)氧樹(shù)脂膠密實(shí)填充，既能有效阻止其火焰能量外泄，又可通過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂膠的粘固作用，增強(qiáng)組合點(diǎn)火管的抗沖擊能力。（3）中心管的結(jié)構(gòu)不變，只是將彎曲通道末端位置軸向平移，與組合點(diǎn)火管的輸入端平齊。

圖4 改進(jìn)后的火工裝置結(jié)構(gòu)示意圖

新裝置解決了爆炸沖擊波對(duì)本體、推力板連接面的直接沖擊問(wèn)題，沖擊波過(guò)后本體、推力板連接部位的硅橡膠密封完好，避免了瞬發(fā)現(xiàn)象的出現(xiàn)。

3.2 改進(jìn)后的試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)改進(jìn)后的火工裝置進(jìn)行震動(dòng)、振動(dòng)、濕熱、溫度沖擊、錘擊、常溫、高溫、低溫等試驗(yàn)后再進(jìn)行測(cè)時(shí)試驗(yàn)，火工裝置作用正常，延期時(shí)間達(dá)到指標(biāo)要求。

3.3 可靠性評(píng)估

研制階段，影響火工裝置可靠性的子項(xiàng)有安全、發(fā)火、延時(shí)和輸出4項(xiàng)，其數(shù)學(xué)模型屬串聯(lián)可靠性模型：=安全·發(fā)火·延時(shí)·輸出（1）

3.3.1 計(jì)算安全

改進(jìn)后的火工裝置經(jīng)震動(dòng)、振動(dòng)、濕熱、溫度沖擊、錘擊和長(zhǎng)貯等試驗(yàn)，共計(jì)消耗680套，試驗(yàn)過(guò)程中未出現(xiàn)發(fā)火或結(jié)構(gòu)損毀，置信度=0.90，則：

3.3.2 計(jì)算發(fā)火

改進(jìn)后的火工裝置按發(fā)火指標(biāo)共計(jì)試驗(yàn)1 240套，無(wú)一套失效，置信度=0.90，則：

3.3.3 計(jì)算延時(shí)

根據(jù)技術(shù)指標(biāo)，火工裝置延期時(shí)間容許上限L=1.20s，容許下限L=0.60s。改進(jìn)后的火工裝置經(jīng)震動(dòng)、振動(dòng)、濕熱、溫度沖擊、錘擊、高溫、低溫和長(zhǎng)貯等試驗(yàn)后進(jìn)行測(cè)時(shí)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)為：=50、max=1.03s、min=0.74s、=0.88s、=0.08s。

根據(jù)GJB376-87《火工品可靠性評(píng)估方法》中用計(jì)量數(shù)據(jù)估計(jì)可靠度的方法：

查表得，R=0.999 7， R=0.999 7。

火工裝置延期時(shí)間需同時(shí)滿足容許上限L和容許下限L，于是：延時(shí)=R+R-1=0.998 （6）

3.3.4 計(jì)算輸出

改進(jìn)后的火工裝置按輸出指標(biāo)進(jìn)行了1 240套試驗(yàn)，無(wú)一套失效，置信度=0.90，則：

綜合上述4項(xiàng)可得，置信度=0.90時(shí)，改進(jìn)后的火工裝置性能可靠度：

=0.997×0.998×0.998×0.998=0.991 （8）

4 結(jié)論

綜上所述，可以得出以下結(jié)論：（1）延時(shí)失效的根本原因是火工裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，導(dǎo)致在爆炸沖擊波作用下裝藥密封受損，引起瞬發(fā)。（2）通過(guò)結(jié)構(gòu)改進(jìn)，火工裝置的延期時(shí)間可以達(dá)到技術(shù)指標(biāo)要求。（3）當(dāng)置信度=0.90時(shí)，改進(jìn)后的火工裝置的性能可靠度下限為0.991。

[1] 王凱民.火工品工程[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2014．

[2] 蔡瑞嬌.火工品設(shè)計(jì)原理[M].北京:北京理工大學(xué)出版社, 1999．

[3] 惠君明,陳天云.炸藥爆炸理論[M].南京:江蘇科學(xué)技術(shù)出版社,1995．

[4] GJB 376-87.火工品可靠性評(píng)估方法[S].國(guó)防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì),1987.

The Improvement and Analysis on Delay Failure of A Pyrotechnic Device

HU Song-tao

(Anhui Hongxing Mechanical and Electrical Technology Co., Ltd.,Hefei, 231135)

To find out the delay failure reason of a pyrotechnic device, the test and analysis of the failure mechanism was proceeded. The results show that the basic failure reason is the unreasonable structure design, which leads to the damage of charge seal under the action of the explosion wave shock, and causes instant burst. The original pyrotechnic device was improved, and the reliability of the improved device was assessed, the results show that the delay time of new device is normal and its comprehensive reliability meets to the technical requirements.

Pyrotechnic device；Delay failure；Improvement design；Reliability evaluation

1003-1480（2016）02-0006-03

TJ45+5

A

2015-12-29

胡松濤（1967 -），男，高級(jí)工程師，主要從事火工品技術(shù)研究和開(kāi)發(fā)。