基于參考應(yīng)力下魚雷綜合試驗(yàn)剖面設(shè)計(jì)

張百勇，劉 凱，孫 炯，林 洋

(1. 海軍工程大學(xué) 兵器工程系，湖北 武漢 430033；2. 海軍工程大學(xué) 科研部，湖北 武漢，430033)

基于參考應(yīng)力下魚雷綜合試驗(yàn)剖面設(shè)計(jì)

張百勇1，劉 凱2，孫 炯2，林 洋1

(1. 海軍工程大學(xué) 兵器工程系，湖北 武漢 430033；2. 海軍工程大學(xué) 科研部，湖北 武漢，430033)

文章首先對(duì)魚雷壽命、貯存、任務(wù)剖面進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)出魚雷在不同階段的剖面圖，進(jìn)而分析了魚雷在運(yùn)輸、庫房（技術(shù)陣地）貯存、艇上裝載和實(shí)航各個(gè)階段所受到的應(yīng)力以及各應(yīng)力對(duì)魚雷壽命的影響，最后按照一定的規(guī)則對(duì)多個(gè)任務(wù)的試驗(yàn)剖面數(shù)據(jù)進(jìn)行處理合成后得到綜合試驗(yàn)剖面。設(shè)計(jì)所得的綜合試驗(yàn)剖面對(duì)魚雷進(jìn)行可靠性試驗(yàn)有指導(dǎo)意義。

魚雷；環(huán)境應(yīng)力分析；綜合試驗(yàn)剖面；可靠性試驗(yàn)

0 引 言

魚雷武器系統(tǒng)在貯存使用過程中要經(jīng)歷不同環(huán)境的考驗(yàn)，各種環(huán)境通過對(duì)產(chǎn)品的刺激，使其潛在的失效因素被激活，導(dǎo)致產(chǎn)品的性能或者結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，甚至不能完成預(yù)定的功能，致使產(chǎn)品提前失效，從而降低了產(chǎn)品的可靠性，縮短了產(chǎn)品壽命[1]。由于每種環(huán)境因素對(duì)產(chǎn)品失效的影響機(jī)理不同，引起的失效模式也會(huì)不同，以至在不同的環(huán)境條件下產(chǎn)品的壽命與可靠性也會(huì)表現(xiàn)出較大的差異。本文在魚雷武器系統(tǒng)貯存使用和環(huán)境剖面的基礎(chǔ)上，分析了魚雷在各個(gè)階段的剖面以及各應(yīng)力對(duì)其影響，設(shè)計(jì)出魚雷綜合試驗(yàn)剖面。

1 魚雷剖面分析

1.1 壽命剖面

壽命剖面[2]是指魚雷從采購(gòu)到壽命終了或退役這期間內(nèi)經(jīng)歷的所有事件和環(huán)境的時(shí)序描述。產(chǎn)品在使用時(shí)間內(nèi)經(jīng)歷的所有事件都能通過壽命剖面體現(xiàn)。魚雷武器系統(tǒng)的壽命剖面通常包括：采購(gòu)驗(yàn)收、吊裝運(yùn)輸、貯存、維護(hù)、轉(zhuǎn)運(yùn)、裝載、訓(xùn)練、作戰(zhàn)值班等。魚雷典型壽命剖面如圖1所示。

1.2 貯存剖面

依據(jù)魚雷壽命剖面可知，在整個(gè)壽命周期內(nèi)，魚雷主要經(jīng)歷洞庫、技術(shù)陣地貯存和艇上裝載2種環(huán)境。魚雷貯存剖面是指自驗(yàn)收交付以后在庫房或者技術(shù)陣地內(nèi)貯存經(jīng)歷的所有事件[3]，主要包括洞庫貯存、日常維護(hù)、定期檢查等。貯存剖面是裝備壽命剖面的組成部分，是進(jìn)行貯存環(huán)境分析、貯存可靠性設(shè)計(jì)和貯存試驗(yàn)的依據(jù)。魚雷典型的貯存剖面如圖2所示。

1.3 任務(wù)剖面

魚雷任務(wù)剖面是指魚雷從裝載艇上轉(zhuǎn)成一級(jí)戰(zhàn)備雷開始到魚雷發(fā)射或者完成規(guī)定任務(wù)之后卸載解除武裝這期間所經(jīng)歷的所有事項(xiàng)和環(huán)境的描述。魚雷在艇上裝載任務(wù)剖面如圖3所示。

魚雷實(shí)航任務(wù)剖面是指魚雷從發(fā)射管射出，到命中目標(biāo)或者航行終了為止這期間內(nèi)所經(jīng)受的事件或者環(huán)境按照一定時(shí)間順序進(jìn)行的描述。魚雷在航行過程中的任務(wù)剖面圖如圖4所示。

2 魚雷壽命剖面環(huán)境應(yīng)力及其影響分析

魚雷的貯存、使用環(huán)境要求是依據(jù)魚雷相應(yīng)的產(chǎn)品說明書得到的，比如，某型魚雷使用說明書中規(guī)定：1）艙室溫度：0 ℃～50 ℃；2）工作溫度：低溫–2 ℃，高溫37 ℃；3）貯存溫度：低溫–40 ℃，高溫80 ℃；4）相對(duì)濕度：≤95%RH。

本文基于上述環(huán)境條件對(duì)魚雷各階段進(jìn)行應(yīng)力分析，制定綜合試驗(yàn)剖面。

2.1 魚雷運(yùn)輸環(huán)境及影響分析

部隊(duì)從魚雷生產(chǎn)廠家采購(gòu)魚雷后，一般采用包裝箱形式運(yùn)輸，運(yùn)輸主要方式有陸路運(yùn)輸、水路運(yùn)輸和空中運(yùn)輸。運(yùn)輸過程中影響魚雷壽命的自然因素主要是溫度、濕度、太陽輻射、降水和風(fēng)速[4]，自然因素的量值選取如表1所示。

表 1 自然因素的量值Tab. 1 Magnitude of natural factor

對(duì)魚雷運(yùn)輸來說，由于水路運(yùn)輸和空運(yùn)相對(duì)復(fù)雜且較少使用，本文只對(duì)陸路運(yùn)輸進(jìn)行研究。陸路運(yùn)輸中一般有公路和鐵路2種運(yùn)輸方式，在運(yùn)輸過程中除受自然因素的影響外，還受到振動(dòng)、沖擊的影響，在公路運(yùn)輸中不同的路面產(chǎn)生的振動(dòng)、沖擊不同，根據(jù)GJB150.16–1986，公路運(yùn)輸垂直軸方向的典型振動(dòng)曲線如圖5所示。

鐵路運(yùn)輸中振動(dòng)、沖擊相對(duì)較平穩(wěn)，但在火車啟動(dòng)、緊急制動(dòng)過程中振動(dòng)、沖擊相對(duì)較大[5]，振動(dòng)曲線如圖6所示。

2.2 魚雷庫房（技術(shù)陣地）貯存環(huán)境及影響分析

魚雷在洞庫或技術(shù)陣地貯存過程中，主要影響其壽命的環(huán)境因素為溫度和濕度，一般規(guī)定魚雷庫房貯存溫度為15 ℃～35 ℃，相對(duì)濕度控制在20%～80%。根據(jù)魚雷貯存環(huán)境要求，魚雷在貯存過程中有專用的包裝箱，包裝箱內(nèi)有干燥劑且要進(jìn)行抽真空充氮?dú)馓幚怼Ｔ隰~雷貯存過程中，濕度不大且變化較小，因此影響魚雷雷內(nèi)組件貯存壽命的環(huán)境應(yīng)力主要為溫度應(yīng)力。

魚雷在庫房（技術(shù)陣地）長(zhǎng)期的貯存過程中，由于溫度應(yīng)力等因素的作用，表面和內(nèi)部都會(huì)發(fā)生緩慢的物理和化學(xué)變化，例如，元器件出現(xiàn)老化，絕緣特性下降，電阻值變大，性能參數(shù)出現(xiàn)超差現(xiàn)象等。另外一些敏感的元器件經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的貯存后都會(huì)出現(xiàn)參數(shù)漂移的現(xiàn)象，導(dǎo)致其性能無法滿足使用要求。

2.3 艇上裝載環(huán)境及影響分析

魚雷在潛艇上裝載時(shí)，主要受潮濕、鹽霧、高溫、低溫以及綜合應(yīng)力等環(huán)境因素的影響，各環(huán)境應(yīng)力對(duì)魚雷的影響見表2。

表 2 艇上裝載環(huán)境對(duì)魚雷的影響Tab. 2 The loading circumstance influence on torpedo

2.4 魚雷實(shí)航環(huán)境及影響分析

魚雷從發(fā)射管發(fā)射出去到命中目標(biāo)或者航程終了過程中主要受到溫度、濕度、鹽霧、水壓、電應(yīng)力和振動(dòng)的影響，這一階段魚雷所受到的應(yīng)力是設(shè)計(jì)綜合試驗(yàn)剖面的重點(diǎn)。各環(huán)境應(yīng)力對(duì)魚雷的影響如表3所示。

3 綜合試驗(yàn)剖面設(shè)計(jì)

綜合試驗(yàn)剖面是產(chǎn)品所受環(huán)境應(yīng)力和試驗(yàn)時(shí)間的關(guān)系圖，是遵循特定的原則將多個(gè)任務(wù)剖面的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理合成得到的綜合剖面圖[6]。綜合試驗(yàn)剖面是通過模擬產(chǎn)品實(shí)際環(huán)境條件，能有效地檢驗(yàn)產(chǎn)品，尋找出產(chǎn)品在設(shè)計(jì)、元器件使用和生產(chǎn)工藝上面的薄弱環(huán)節(jié)，進(jìn)而分析原因，找出解決辦法[7]。綜合試驗(yàn)剖面設(shè)計(jì)過程如圖7所示。

表 3 實(shí)航環(huán)境對(duì)魚雷的影響Tab. 3 The operating circumstance influence on torpedo

3.1 溫度循環(huán)應(yīng)力分析

通過分析魚雷在貯存和使用過程中所受溫度應(yīng)力的影響，在溫度應(yīng)力中有高低溫循環(huán)[8]，高溫循環(huán)包括高溫工作循環(huán)和高溫貯存循環(huán)，低溫循環(huán)應(yīng)包括低溫工作循環(huán)和低溫貯存循環(huán)。

1）高溫影響

高溫能夠加快魚雷非金屬材料老化、氧化，物理性能降低；加快橡膠等密封材料變形，使密封性能變差，絕緣失效；零部件之間潤(rùn)滑性能降低，磨損加劇；各組件受熱容易發(fā)生膨脹和變形，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件發(fā)生損壞。

2）低溫影響

低溫容易使材料脆化，強(qiáng)度降低，出現(xiàn)斷裂和硬化的現(xiàn)象；密封材料受冷收縮變形，導(dǎo)致密封性能降低，容易引起泄露；油脂類材料受冷可能出現(xiàn)固化現(xiàn)象，導(dǎo)致潤(rùn)滑性能下降。

3）交變溫度影響

交替變化的溫度，對(duì)魚雷組件影響較大，特別是精密儀器連接部位，由于不同材料的膨脹系數(shù)不同，會(huì)使非金屬密封件、連接處間隙發(fā)生改變，使魚雷穩(wěn)定性降低。

在試驗(yàn)剖面的制定中，對(duì)于持續(xù)時(shí)間較短的溫度應(yīng)力應(yīng)予以刪除，因?yàn)轸~雷還沒來得及冷透或熱透就結(jié)束了，對(duì)魚雷影響較小，可以忽略。對(duì)于溫度變化率不大的（小于5 ℃/min），應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)地處理（增加到5 ℃/min），參考相關(guān)文獻(xiàn)，在溫度加速壽命試驗(yàn)中，高溫和低溫各占總試驗(yàn)時(shí)間的一半。

3.2 濕度應(yīng)力分析

由于魚雷運(yùn)輸持續(xù)時(shí)間較短，在貯存過程中要經(jīng)過密封充氮處理，所以濕度對(duì)魚雷的影響主要集中在魚雷艇上裝載和實(shí)航階段，這兩階段都發(fā)生在海上，海上不僅濕度大，而且鹽分高，促使魚雷元器件金屬表面發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，加快腐蝕；吸收潮氣后，火工品、魚雷外殼、安全結(jié)構(gòu)的防靜電層的絕緣效果會(huì)下降，甚至喪失功能；對(duì)電子元器件來說，高濕度會(huì)導(dǎo)致介電常數(shù)增大；橡膠等非金屬材料吸濕后，會(huì)導(dǎo)致霉變和老化變質(zhì)。表4中描述了溫度和濕度的施加過程。

表 4 溫濕度應(yīng)力施加程序Tab. 4 The routine of applying temperature and humidity press

3.3 振動(dòng)應(yīng)力分析

魚雷在運(yùn)輸、吊裝、裝運(yùn)、艇上裝載和實(shí)航過程中都會(huì)受到不同程度振動(dòng)應(yīng)力的影響。運(yùn)輸過程中振動(dòng)應(yīng)力的大小主要受路面平整程度的影響；沖擊表示載荷的一種急劇變化，主要出現(xiàn)在運(yùn)輸過程中的加速和急剎車，裝載階段出現(xiàn)跌落的情況。魚雷在艇上裝載振動(dòng)情況可以參照GJB899A–2009中相關(guān)部分進(jìn)行應(yīng)力施加。魚雷實(shí)航階段的振動(dòng)應(yīng)力參考相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)制定。

在設(shè)計(jì)試驗(yàn)剖面時(shí)，為方便制定，對(duì)于振動(dòng)應(yīng)力較小的（即W0小于0.1（m/s2）2/Hz）增大到0.1（m/s2）2/Hz。

3.4 電應(yīng)力分析

根據(jù)壽命剖面，魚雷在貯存期間的檢修、維護(hù)保養(yǎng)，任務(wù)期間的射前自檢、發(fā)射航行都要經(jīng)受電應(yīng)力。電應(yīng)力對(duì)魚雷的影響，一方面，通電時(shí)間的長(zhǎng)短會(huì)影響電子組件的使用壽命。魚雷在出廠時(shí)，設(shè)計(jì)方會(huì)給出電應(yīng)力的上限電壓和下限電壓，超過此范圍就會(huì)造成電子組件性能破壞。另一方面，在高濕度高鹽度情況下，通電會(huì)增大魚雷各組件的損傷。

魚雷在進(jìn)行通斷電循環(huán)試驗(yàn)時(shí)，要根據(jù)實(shí)際任務(wù)情況輸入電壓變化循環(huán)，一般第1階段循環(huán)電壓為1.1倍的標(biāo)準(zhǔn)電壓，第2階段為標(biāo)準(zhǔn)電壓，第3階段為0.9倍的標(biāo)稱電壓[9]，時(shí)間按1:2:1的比例進(jìn)行施加。

為了真實(shí)反映魚雷的工作狀態(tài)，在進(jìn)行通斷電循環(huán)試驗(yàn)時(shí)，要對(duì)輸入電壓進(jìn)行拉偏，其偏離值為魚雷使用說明書中要求的上限電壓和下限電壓。如果產(chǎn)品在通電過程中出現(xiàn)故障，可以中斷此循環(huán)，重復(fù)輸入此電壓，看故障是否與輸入電壓有關(guān)。

3.5 綜合試驗(yàn)剖面的制定

根據(jù)魚雷的可靠性試驗(yàn)環(huán)境條件分析可以得到溫度、濕度、振動(dòng)及電應(yīng)力的綜合環(huán)境可靠性試驗(yàn)剖面，典型的魚雷可靠性試驗(yàn)剖面如圖8所示。

4 結(jié) 語

本文從魚雷壽命、貯存、任務(wù)剖面入手，設(shè)計(jì)出魚雷在不同時(shí)期的剖面圖，分析了魚雷在運(yùn)輸、庫房（技術(shù)陣地）貯存、艇上裝載和實(shí)航各個(gè)階段所受到的應(yīng)力以及各個(gè)應(yīng)力對(duì)魚雷壽命的影響，進(jìn)而得到制定綜合試驗(yàn)剖面必不可少的各個(gè)應(yīng)力數(shù)據(jù)，最后按照一定的規(guī)則對(duì)多個(gè)任務(wù)的應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行處理合成后得到綜合試驗(yàn)剖面。該綜合試驗(yàn)剖面對(duì)于設(shè)計(jì)魚雷可靠性試驗(yàn)有指導(dǎo)意義。

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The design profile for torpedo synthetically testing under reference stress

ZHANG Bai-yong1, LIU Kai2, SUN Jiong2, LIN Yang1
(1. Department of Weapon Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China;2. Office of Research and Development, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

Firstly, this paper analyzed the torpedo’s life, the storage and mission profileand then the profile of a single torpedo in the different periods of section was designed, then analyzed the press that torpedo

and it’s influence on torpedo during transportation, stored in warehouse or technical positions, loaded in battleships and every period in real use situations. Finally, according to some certain rules, a synthesized test profile was generated by the processing of data which were collected from several experiment mission’s test profile. The final designed synthesized test profile has guiding meaning for the torpedo’s reliability testing projects.

torpedo；environment stress analysis；synthetical testing profile；reliability testing

TJ630

A

1672 – 7649(2017)09 – 0174 – 05

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.09.035

2016 – 08 – 22；

2016 – 09 – 29

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51579242)

張百勇(1990 – )，男，碩士研究生，研究方向?yàn)槲淦飨到y(tǒng)運(yùn)用與保障工程。