基于定性與定量檢測(cè)的火工品剩余壽命預(yù)測(cè)方法

王耀冬，俞衛(wèi)博，宣兆龍，李翰朋

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基于定性與定量檢測(cè)的火工品剩余壽命預(yù)測(cè)方法

王耀冬，俞衛(wèi)博，宣兆龍，李翰朋

（軍械工程學(xué)院，河北石家莊，050003）

針對(duì)火工品加速壽命試驗(yàn)及檢測(cè)只對(duì)其整體進(jìn)行，沒有與火工藥劑在相同條件下的性能變化相結(jié)合的問題，設(shè)計(jì)了火工品和火工藥劑的步降應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)方案，以提高試驗(yàn)效率、擴(kuò)大壽命預(yù)測(cè)的信息量。通過對(duì)試驗(yàn)后火工品和火工藥劑的定性與定量檢測(cè)，建立火工品可靠度變化曲線和火工藥劑性能退化曲線，將兩者相結(jié)合得到火工品失效判據(jù)及剩余壽命預(yù)測(cè)模型。實(shí)例分析表明，該方法降低了壽命預(yù)測(cè)的難度和工作量。

火工品；步降應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)；定性；定量；剩余壽命

加速壽命試驗(yàn)中對(duì)于火工品樣品的檢測(cè)一般分為兩個(gè)方面：一方面為對(duì)火工品的解鎖、切斷、點(diǎn)火等輸出功能的定性檢測(cè)；一方面為對(duì)火工品的壓力輸出、延期時(shí)間等的定量檢測(cè)。將定性與定量測(cè)試的結(jié)果相結(jié)合，可豐富火工品失效信息量，建立更準(zhǔn)確的可靠度模型。同時(shí)，火工藥劑作為實(shí)現(xiàn)火工品功能的能量來源，其燃燒或爆炸的變化決定了火工品的性能輸出[1]，火工品失效大多是由火工藥劑失效引起的，因此，研究火工藥劑的性能變化，能更全面地反映火工品的性能變化，擴(kuò)大壽命預(yù)測(cè)的信息量。本文引入與火工品加速壽命試驗(yàn)相平行的火工藥劑加速壽命試驗(yàn)，即試驗(yàn)條件完全相同，并對(duì)火工藥劑進(jìn)行定量測(cè)試，包括爆熱、燃燒時(shí)間和火焰感度等[2]，以此建立火工藥劑的性能退化曲線，將火工品可靠度變化曲線與火工藥劑性能退化曲線相結(jié)合，提出一種火工品剩余壽命預(yù)測(cè)方法。

1 方案設(shè)計(jì)

步降應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)的應(yīng)力水平加載順序由高到低，旨在將產(chǎn)品失效進(jìn)一步提前，提高試驗(yàn)效率，適用于損耗失效類產(chǎn)品[3]。火工品及火工藥劑的失效是以損耗失效為主[4]，因此，本文選取某動(dòng)力源火工品為研究對(duì)象，采用步降應(yīng)力加速模型進(jìn)行壽命試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中每份藥劑均需獨(dú)立密封包裝，每份藥量為1~2g[5]，以模擬在火工品內(nèi)的狀態(tài)。

1.1 應(yīng)力類型的確定

影響火工品儲(chǔ)存可靠度的環(huán)境應(yīng)力主要是溫度和濕度，但由于大多數(shù)火工品自身及包裝處于良好的密封狀態(tài)，濕度應(yīng)力對(duì)其影響較小[1]。因此，選擇溫度為主要應(yīng)力進(jìn)行加速壽命試驗(yàn)，并將試驗(yàn)環(huán)境中的濕度固定為65%[6]。

1.2 應(yīng)力水平數(shù)的確定

加速壽命試驗(yàn)的應(yīng)力水平數(shù)越多，所求加速方程中的參數(shù)估計(jì)越精確，但試驗(yàn)樣本量、檢測(cè)數(shù)量和試驗(yàn)費(fèi)用也相應(yīng)提高，一般要求應(yīng)力水平數(shù)不少于4個(gè)[6]。因此，考慮經(jīng)費(fèi)、時(shí)間等因素影響，選擇4個(gè)應(yīng)力水平。

1.3 應(yīng)力水平的確定

確定試驗(yàn)應(yīng)力水平的一般過程為：首先，確定最高和最低應(yīng)力水平，然后以等間隔原則或倒數(shù)等間隔原則（以絕對(duì)溫度為應(yīng)力時(shí)）確定各中間應(yīng)力水平。在步進(jìn)應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)中，最高應(yīng)力水平不高于80℃，最低應(yīng)力水平不低于50℃[6]，這其中的最高應(yīng)力水平是針對(duì)大多數(shù)彈藥元件都適用的應(yīng)力，對(duì)于具體的火工品還應(yīng)另行確定。步降試驗(yàn)應(yīng)力水平的選擇應(yīng)滿足以下原則[7]：（1）加速條件下樣品的失效機(jī)理與正常條件下相同；（2）最小應(yīng)力水平應(yīng)大于正常應(yīng)力水平；（3）最高應(yīng)力水平應(yīng)盡可能選擇大的加速應(yīng)力。其中，最高應(yīng)力水平的確定可通過[3]：（1）產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)及使用的相關(guān)資料；（2）相似產(chǎn)品的先驗(yàn)信息；（3）試驗(yàn)設(shè)備的應(yīng)力加載能力；（4）產(chǎn)品預(yù)試驗(yàn)（摸底試驗(yàn)、環(huán)境試驗(yàn)）的結(jié)果。

1.3.1 理論分析

某廠應(yīng)用71℃試驗(yàn)法[8]對(duì)該型動(dòng)力源火工品進(jìn)行的大量恒定應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)中，均未出現(xiàn)失效。因此，若要增大本次試驗(yàn)出現(xiàn)失效產(chǎn)品的概率，就應(yīng)在71℃試驗(yàn)法的基礎(chǔ)上將最高應(yīng)力水平提高。

已知該動(dòng)力源火工品中，延期裝藥為硼系延期藥B-BaCrO4，由硼粉、鉻酸鋇機(jī)械混合，已知硼粉在空氣中的燃點(diǎn)為790℃，鉻酸鋇加熱到900℃以上分解，而硼系延期藥的燃點(diǎn)為655℃[2]。同時(shí)，國(guó)內(nèi)已經(jīng)對(duì)某兩種引信在60~80℃溫度應(yīng)力下成功地進(jìn)行了加速壽命試驗(yàn)，兩種引信均為帶火工品的機(jī)械電子產(chǎn)品，與該動(dòng)力源火工品除電子元件外具有很大的相似性。因此，通過以上產(chǎn)品相關(guān)資料及相似性分析，說明80℃可以作為該動(dòng)力源火工品在加速壽命試驗(yàn)中的最高應(yīng)力。

1.3.2 摸底試驗(yàn)

為驗(yàn)證80℃可以作為最高應(yīng)力水平，進(jìn)行摸底試驗(yàn)。已知工廠對(duì)該動(dòng)力源火工品首批驗(yàn)收合格的產(chǎn)品進(jìn)行了儲(chǔ)存條件為21℃的長(zhǎng)儲(chǔ)試驗(yàn)，按計(jì)劃每年對(duì)3發(fā)火工品進(jìn)行1次性能檢測(cè)。

現(xiàn)取9發(fā)火工品，進(jìn)行80℃的恒定應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)6d（相當(dāng)于長(zhǎng)儲(chǔ)6a），每隔2d對(duì)3發(fā)火工品進(jìn)行性能檢測(cè)。

已知火工品加速系數(shù)為儲(chǔ)存條件0下的壽命與加速應(yīng)力條件T下的壽命之比[1]，即：

當(dāng)檢測(cè)時(shí)間1=2a時(shí)，由式（1）得到相對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)存時(shí)間為1.92年；同理，得到2=4a、3=6a時(shí)對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)存時(shí)間分別為3.84a、5.76a。將檢測(cè)時(shí)間點(diǎn)的失效及退化數(shù)據(jù)與相對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)存時(shí)間點(diǎn)的長(zhǎng)儲(chǔ)數(shù)據(jù)相比較，所得結(jié)果如下：（1）摸底試驗(yàn)中無失效產(chǎn)品；（2）檢測(cè)時(shí)間下的性能數(shù)據(jù)與同一長(zhǎng)儲(chǔ)時(shí)間下的性能數(shù)據(jù)相比差別不大；（3）產(chǎn)品的性能退化數(shù)據(jù)無明顯波動(dòng)。

說明80℃的溫度應(yīng)力沒有使該動(dòng)力源火工品的失效機(jī)理發(fā)生改變，可以作為火工品加速試驗(yàn)的最高應(yīng)力水平。

結(jié)合摸底試驗(yàn)與失效機(jī)理一致性檢驗(yàn)，確定加速壽命試驗(yàn)的最高應(yīng)力水平為80℃，最低應(yīng)力水平為60℃，中間應(yīng)力水平為73℃、66℃。

1.4 試驗(yàn)時(shí)間與檢測(cè)時(shí)間的確定

彈藥元件步進(jìn)應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)的總時(shí)間為其儲(chǔ)存壽命的1/20~1/40[6]，而步降試驗(yàn)比步進(jìn)試驗(yàn)效率更高，試驗(yàn)時(shí)間更少。通過總結(jié)比較得出，步降試驗(yàn)時(shí)間最高約為步進(jìn)試驗(yàn)時(shí)間的60%[9]，因此，步降試驗(yàn)時(shí)間為樣品儲(chǔ)存壽命的3/100~3/200。某動(dòng)力源火工品的儲(chǔ)存壽命為12a，則步降試驗(yàn)時(shí)間為65.7~131.4d，取總試驗(yàn)時(shí)間為120d，各應(yīng)力水平下的試驗(yàn)時(shí)間以高應(yīng)力稍短、低應(yīng)力稍長(zhǎng)為原則，分別為總試驗(yàn)時(shí)間的1/10、2/10、3/10、4/10。

各應(yīng)力水平下均需對(duì)樣品進(jìn)行抽樣性能檢測(cè)，檢測(cè)時(shí)間定得太密，會(huì)增加測(cè)試工作量；定得太疏，會(huì)給統(tǒng)計(jì)分析增加困難。結(jié)合某動(dòng)力源火工品的失效規(guī)律和失效機(jī)理等有關(guān)信息，確定各應(yīng)力下的檢測(cè)次數(shù)為3次，每次檢測(cè)6發(fā)，分為定性檢測(cè)和定量檢測(cè)；火工藥劑每次定量檢測(cè)3份，檢測(cè)時(shí)間按等時(shí)間間隔原則，如表1所示。

表1 步降應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)方案

Tab.1 Step down stress accelerated life test program

火工品樣品與火工藥劑應(yīng)保持相同的試驗(yàn)條件，平行試驗(yàn)，若需延長(zhǎng)火工品樣品試驗(yàn)時(shí)間，火工藥劑試驗(yàn)時(shí)間也應(yīng)相應(yīng)延長(zhǎng)。

2 檢測(cè)方法

某動(dòng)力源火工品的功能表現(xiàn)為切割，延期時(shí)間2s。

2.1 火工品樣品定性與定量檢測(cè)

將經(jīng)過加速壽命試驗(yàn)后每次定時(shí)檢測(cè)抽樣取出的6發(fā)火工品分為2組，每組3發(fā)。第1組進(jìn)行功能的定性測(cè)試；第2組進(jìn)行輸出的定量測(cè)試。由于某動(dòng)力源火工品可通過專用試驗(yàn)臺(tái)同時(shí)完成定性與定量測(cè)試，既檢測(cè)火工品的切斷效果，又同時(shí)記錄延期時(shí)間，因此，可將2組合并為1組。

2.2 火工藥劑定量檢測(cè)

將經(jīng)過加速壽命試驗(yàn)后每次定時(shí)檢測(cè)抽樣取出的3份火工藥劑進(jìn)行定量檢測(cè)，該火工藥劑的檢測(cè)項(xiàng)目為爆熱，使用GJB 770B-2005中的絕熱法[5]。

分別記錄定性與定量檢測(cè)結(jié)果并對(duì)比分析，火工品及火工藥劑的檢測(cè)流程如圖1所示。

圖1 火工品及火工藥劑檢測(cè)流程

3 剩余壽命預(yù)測(cè)方法

以火工品和火工藥劑在經(jīng)歷兩個(gè)連續(xù)步降應(yīng)力水平1、2（1＞2）后的檢測(cè)、分析為例，介紹剩余壽命預(yù)測(cè)模型建立的方法和步驟。

（1）由累積失效原理[10]：在實(shí)際應(yīng)力水平0下存儲(chǔ)t0時(shí)間的累積失效概率相當(dāng)于在試驗(yàn)應(yīng)力水平S下存儲(chǔ)t時(shí)間的累積失效概率，因此，將試驗(yàn)應(yīng)力下的試驗(yàn)時(shí)間折算到儲(chǔ)存應(yīng)力0下的儲(chǔ)存時(shí)間上，折算過程參考文獻(xiàn)[11]，如圖2所示。

圖2 應(yīng)力S1、S2下的試驗(yàn)時(shí)間折算為應(yīng)力S0下的儲(chǔ)存時(shí)間

（2）通過對(duì)火工藥劑爆熱的定量測(cè)試，得到各應(yīng)力下爆熱隨時(shí)間變化的曲線，如圖3所示。

（3）利用對(duì)火工品的定性與定量檢測(cè)得到的失效數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)估計(jì)，進(jìn)而得到可靠度函數(shù)[12]，做出可靠度隨時(shí)間的變化曲線，以置信水平為0.8時(shí)可靠度低于0.9作為火工品的失效判據(jù)并得到火工藥劑性能的失效閾值，如圖4（a）所示。

圖3 應(yīng)力S1、S2下爆熱隨試驗(yàn)時(shí)間變化的曲線

（4）由累積失效原理，單位時(shí)間內(nèi)不同溫度對(duì)于火工藥劑爆熱的退化率不同，但可以經(jīng)歷不同時(shí)間來得到相同的累積退化率。因此，由（1）、（2）可將試驗(yàn)應(yīng)力下得到的爆熱隨時(shí)間的變化，轉(zhuǎn)化為儲(chǔ)存應(yīng)力下爆熱隨時(shí)間的變化，即得到儲(chǔ)存應(yīng)力下火工藥劑爆熱的累積退化曲線，如圖4（b）所示。

圖4 儲(chǔ)存應(yīng)力S0下可靠度及爆熱隨時(shí)間變化的曲線

Fig.4 Varying curves of reliability probability and explosion heat with time under storage stress0

由于火工品與火工藥劑是進(jìn)行相同試驗(yàn)條件下的平行試驗(yàn)，因此，可將得到的火工品可靠度變化曲線與火工藥劑爆熱退化曲線相結(jié)合，即得到火工品的剩余壽命預(yù)測(cè)模型。

4 實(shí)例分析

文獻(xiàn)[13]對(duì)某延期組合件（火工藥劑為硅系延期藥）的儲(chǔ)存性能進(jìn)行了相關(guān)研究，得到其可靠度隨時(shí)間的變化曲線，如圖5所示。文獻(xiàn)[14]對(duì)硅系延期藥進(jìn)行了71℃法的恒定應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。由于儲(chǔ)存過程中藥劑組分間發(fā)生自氧化反應(yīng)，粒度變大、比表面積變小，造成延期藥發(fā)生秒量漂移，延期時(shí)間變長(zhǎng)的現(xiàn)象。通過式（1）將檢測(cè)時(shí)間折算成儲(chǔ)存時(shí)間，通過MATLAB擬合得到延期時(shí)間隨儲(chǔ)存時(shí)間的變化曲線，將可靠度與延期時(shí)間建立在同一時(shí)間坐標(biāo)軸線上，得到剩余壽命預(yù)測(cè)模型，如圖6所示。

表2 硅系延期藥延期時(shí)間檢測(cè)

Tab.2 The delay time of silicon delay composition

圖5 延期組合件可靠度變化曲線

圖6 剩余壽命預(yù)測(cè)模型

由圖6可知，延期組合件在可靠度為0.95（置信度為0.9）的可靠壽命為11.28a，延期時(shí)間為354ms，以此為失效判據(jù)，當(dāng)測(cè)得延期藥的延期時(shí)間為280ms時(shí)，代入圖6的預(yù)測(cè)模型，得到此時(shí)延期組合件的可靠度為0.975，剩余壽命為4.2a，因此，在實(shí)際儲(chǔ)存過程中，只需完成對(duì)延期藥延期時(shí)間的測(cè)定，就可獲得該延期組合件的可靠度評(píng)估及剩余壽命預(yù)測(cè)。

5 結(jié)語

設(shè)計(jì)針對(duì)火工品和火工藥劑的步降試驗(yàn)方案，既提高了試驗(yàn)效率又解決了以往加速壽命試驗(yàn)及檢測(cè)只對(duì)火工品整體進(jìn)行，忽略相同條件下火工藥劑性能變化的問題，增大了壽命預(yù)測(cè)的信息量和可靠性。通過對(duì)試驗(yàn)后火工品的定性與定量檢測(cè)，建立火工品可靠度變化曲線；通過對(duì)試驗(yàn)后火工藥劑的定量檢測(cè)，建立其性能退化曲線，將可靠度變化曲線與性能退化曲線相結(jié)合，得到火工品的剩余壽命預(yù)測(cè)模型。在實(shí)際儲(chǔ)存過程中，無需對(duì)火工品進(jìn)行整體、大量的性能檢測(cè)，只需對(duì)火工藥劑進(jìn)行定量測(cè)試，所得結(jié)果代入建立的剩余壽命預(yù)測(cè)模型，即可得到火工品此時(shí)的可靠度及剩余壽命。實(shí)例分析表明，該方法降低了壽命預(yù)測(cè)的難度和工作量，為火工品儲(chǔ)存質(zhì)量檢測(cè)時(shí)機(jī)的確定和剩余壽命預(yù)測(cè)提供了新的方法和思路。

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Residual Life Prediction Method of Initiating Explosive Device Based on Qualitative and Quantitative Tests

WANG Yao-dong, YU Wei-bo, XUAN Zhao-long, LI Han-peng

（Ordnance Engineering College, Shijiazhuang, 050003）

To increase life expectancy information and to solve the accelerate life test and detection only for initiating explosive device, the step down stress accelerated life test of initiating explosive device and initiating explosive charge was proposed. Through qualitative and quantitative detection, the reliability change curve of initiating explosive device and degeneration curve of charge were obtained. Then the initiating explosive device residual life budget model was estabilished based on the combination of degeneration curve and failure criterion. The analysis of example indicates that this method can reduce the difficulty and workload of the life prediction.

Initiating explosive device; Step down stress accelerated life test; Qualitative; Quantitative; Residual life

1003-1480（2016）05-0037-05

TJ450.1

A

2016-05-17

王耀冬（1991 -），男，在讀碩士研究生，主要從事彈藥保障與安全技術(shù)研究。