齊杏林，王洪巖，吳英偉

(1.陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū)，河北 石家莊 050003;2.中國白城兵器試驗中心，吉林 白城 137001)

0 引言

在引信設(shè)計壽命周期內(nèi)，儲存環(huán)境會使發(fā)火控制部件內(nèi)元器件的某些參數(shù)會發(fā)生漂移，如果性能變化影響到其功能，會導(dǎo)致引信近炸失效。因此，對典型電容近炸引信發(fā)火控制部件儲存壽命進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測具有重要意義。在引信壽命預(yù)測方面，文獻(xiàn)[1]通過建立GM(1，1)模型和殘差修正模型，推導(dǎo)出對引信系統(tǒng)壽命預(yù)測的改進(jìn)算法。文獻(xiàn)[2]將引信在濕熱環(huán)境中儲存，通過打靶檢測獲取引信失效數(shù)據(jù)，進(jìn)而利用可靠性試驗數(shù)據(jù)處理的方法獲引信壽命。文獻(xiàn)[3]運(yùn)用Matlab軟件分別擬合儲存溫度、濕度與引信壽命的曲線關(guān)系，通過建立模型并計算引信壽命。文獻(xiàn)[4]采用加速壽命試驗的方法獲取引信失效數(shù)據(jù)，利用Arrhenius方程外推求出正常應(yīng)力狀態(tài)下引信壽命。這些方法基本達(dá)到了引信壽命預(yù)測的目的，但在壽命預(yù)測過程中僅考慮了加速壽命數(shù)據(jù)或儲存環(huán)境等表象信息，缺乏引信自身指標(biāo)參數(shù)退化致使引信失效分析。本文針對上述問題，并結(jié)合目前對引信發(fā)火控制部件儲存性能退化研究較少，儲存質(zhì)量變化規(guī)律尚不明確的現(xiàn)狀，提出了基于性能退化試驗的引信發(fā)火控制部件壽命預(yù)測方法。

1 基于儲存性能試驗的壽命預(yù)測方法

1.1 基于儲存性能試驗的壽命預(yù)測一般步驟

產(chǎn)品的功能狀況可以由其性能參數(shù)變化程度來表示，隨著儲存時間的增加，性能參數(shù)往往會產(chǎn)生變化，其功能狀態(tài)也會發(fā)生改變，因此可以利用產(chǎn)品儲存過程中性能參數(shù)的變化來進(jìn)行壽命預(yù)測[5]?；趦Υ嫘阅茉囼灥膲勖A(yù)測方法首先應(yīng)通過儲存性能試驗獲得其退化數(shù)據(jù)，找到性能退化敏感參數(shù)，選取性能退化分布模型，然后通過數(shù)據(jù)處理確定退化軌跡模型，進(jìn)而預(yù)測發(fā)火控制部件的儲存壽命。壽命預(yù)測步驟如下：

1) 進(jìn)行發(fā)火控制部件儲存性能試驗，收集性能退化數(shù)據(jù)；

2) 確定性能退化敏感參數(shù)，結(jié)合產(chǎn)品相關(guān)性能指標(biāo)確定失效閾值；

3) 采用分布假設(shè)檢驗法選取性能退化分布模型；

4) 數(shù)據(jù)處理計算相關(guān)參數(shù)，利用最小二乘法估計參數(shù)方程曲線的系數(shù)求出性能退化軌跡模型；

5) 最后，將性能退化軌跡模型帶入退化分布模型結(jié)合產(chǎn)品失效閾值和可靠度即可預(yù)測發(fā)火控制部件壽命。預(yù)測流程如圖1所示。

1.2 性能退化敏感參數(shù)的確定

為了判斷產(chǎn)品的退化情況，通常選取幾個主要的指標(biāo)作為性能退化敏感參數(shù)，當(dāng)其中一個或多個參數(shù)超過失效閾值時即發(fā)生失效。在選取性能退化敏感參數(shù)時，一般應(yīng)滿足下列條件：

1) 有明確的定義且易于監(jiān)測；

2) 退化量數(shù)據(jù)可以進(jìn)行統(tǒng)計處理；

3) 在實際應(yīng)用上能提供相關(guān)設(shè)計信息；

4) 隨著時間的增加參數(shù)變化程度和趨勢明顯，能很好體現(xiàn)出產(chǎn)品性能狀態(tài)。

1.3 性能退化分布模型及退化軌跡模型

常見的與引信同類型的高可靠長壽命產(chǎn)品性能退化分布模型有正態(tài)分布模型和威布爾分布模型[6]。

正態(tài)分布模型：當(dāng)y≥Df時產(chǎn)品發(fā)生失效，就可以得到產(chǎn)品可靠性與性能退化量分布之間的關(guān)系為：

(1)

當(dāng)y≤Df時產(chǎn)品發(fā)生失效，可以得到產(chǎn)品可靠性與性能退化量分布的關(guān)系為：

(2)

威布爾分布模型：當(dāng)y≥Df時產(chǎn)品發(fā)生失效，產(chǎn)品可靠性與性能退化量分布的關(guān)系為：

(3)

當(dāng)y≤Df時產(chǎn)品發(fā)生失效，產(chǎn)品可靠性與性能退化量分布的關(guān)系為：

(4)

式(1)—式(4)中,y為性能退化量；Df為產(chǎn)品失效閾值；μy(t)為樣本均值；σy(t)為樣本均方差；my(t)為形狀參數(shù)；ηy(t)為尺度參數(shù)；R(t)為可靠度。

退化軌跡模型可以很好的描述產(chǎn)品性能退化的過程。常見的有線性、凸型和凹型三種退化軌跡模型[7]，通?？梢酝ㄟ^對數(shù)轉(zhuǎn)換等方程變形將凸型和凹形退化軌跡模型都轉(zhuǎn)換為線性模型，并大大簡化分析過程。

2 發(fā)火控制部件儲存性能試驗及結(jié)果分析

發(fā)火控制部件儲存性能試驗結(jié)合該電容近炸引信相關(guān)性能要求確定試驗檢測項目；依據(jù)各部件工作原理結(jié)合模擬信號確定檢測方法并進(jìn)行相關(guān)參數(shù)檢測；根據(jù)統(tǒng)計分析需要和相關(guān)國軍標(biāo)確定試驗樣本量。

2.1 發(fā)火控制部件檢測項目及檢測方法

發(fā)火控制部件是指由探測器、定時器等組成的部件。參考該電容近炸引信在生產(chǎn)驗收過程中性能要求確定主要檢測定時器部件的定時器電流ID、接電時間TJ、工作電流IG、系統(tǒng)功能FX和探測器部件的檢波電壓VJ、點火脈沖寬度PW、炸高H共7項目[8]，檢測項目及含義如表1所示。

表1 發(fā)火控制部件檢測項目及含義

Tab.1 Testing item and meaning of firing control unit

部件名稱檢測項目含義定時器部件定時器電流ID定時器接電前輸入的直流電流接電時間TJ從開始輸入電壓到定時器計時完成并接電為下級電路提供工作電壓所經(jīng)過的時間工作電流IG定時器接電后正常工作輸入的直流電流系統(tǒng)功能FX目標(biāo)仿真信號作用到引信上時雷管座上測到的點火脈沖寬度及幅值探測器部件檢波電壓VJ彈目距離信息的電容變化轉(zhuǎn)化成的電壓信號點火脈沖寬度PW作用到雷管上的點火脈沖炸高H一定仿真落速下引信炸高

用專用扳手從引信中旋出安保機(jī)構(gòu)和傳爆序列，擰出連接引信體和風(fēng)帽體的四個鉚接螺釘，并分離引信體和電子頭，取出電雷管和擊針，再將電子頭裝入不含電雷管和擊針的引信體中，成待測狀態(tài)，即為發(fā)火控制部件。將裝定一定時間的發(fā)火控制部件放入綜合參數(shù)仿真測試系統(tǒng)中，輸入目標(biāo)仿真信號，即可測量定時器部件的定時器電流ID、接電時間TJ、工作電流IG、系統(tǒng)功能FX。

將檢測后的發(fā)火控制部件電子頭和引信體重新分離，用臺式鉆床鉆掉定時器部件上焊點，取下定時器部件和電源部件即為探測器部件。將探測器部件放入仿真箱中，將目標(biāo)仿真信號作用到探測器上，測量檢波電壓VJ和點火脈沖寬度PW；按照規(guī)定落速將目標(biāo)信號作用到探測器上，對其進(jìn)行仿真測試，計算160 m/s,220 m/s,280 m/s和340 m/s四種典型仿真落速下的對應(yīng)炸高，并分別記為H1,H2,H3,H4。

2.2 樣本量確定

為考核引信在不同儲存環(huán)境下長儲后的性能狀態(tài)，廠家實際儲存時引信分為有包裝筒密封和無包裝筒密封兩種儲存狀態(tài)，以下簡稱密封和非密封。在抽取試驗樣本時，要注意每個年份點上的抽樣樣品的生產(chǎn)條件和儲存環(huán)境基本相同[9-11]。根據(jù)產(chǎn)品實際各年份儲存數(shù)量情況和性能退化分析所需樣本量要求，結(jié)合GJB166-86《引信制造與驗收技術(shù)條件》，確定樣本量情況如表2所示。

表2 試驗樣本量情況

Tab.2 Circumstance of the sample quantity for experiment

儲存時間/年2345678密封/發(fā)8888888非密封/發(fā)10101010101010

2.3 試驗結(jié)果分析

將試驗結(jié)果取各年份數(shù)據(jù)的平均值與生產(chǎn)驗收原始數(shù)據(jù)進(jìn)行對比連線作圖。試驗共對儲存時間為2～8年每年8發(fā)密封10發(fā)非密封引信開展性能測試，檢測了定時器部件的ID,TJ,IG,FX共4項參數(shù)和探測器部件的VJ,PW、和不同落速下的炸高H1,H2,H3,H4。

結(jié)果顯示，密封和非密封狀態(tài)下各性能參數(shù)變化趨勢相近；TJ,IG,FX,PW始終維持在相對穩(wěn)定水平，無明顯變化；ID有明顯的增大趨勢；VJ,H1,H2,H3,H4都有較為明顯的減小趨勢，其中H1最接近于炸高最低要求。因此，只分析160 m/s落速時炸高H1。ID變化趨勢如圖2、圖3所示；炸高H1變化趨勢如圖4、圖5所示；VJ變化趨勢如圖6、圖7所示。

如圖2、圖3可知在密封狀態(tài)時各年份ID增大幅度在1%～6%之間，非密封狀態(tài)時各年份ID增大幅度在1%～7%之間，雖未發(fā)生失效，但都有較明顯的退化趨勢，因而可以確定ID為性能退化敏感參數(shù)。

從圖4、圖5可以看出，密封狀態(tài)和非密封狀態(tài)下長期儲存后探測器部件160 m/s落速時炸高H1都呈減小趨勢，退化規(guī)律明顯且距離炸高最低要求較近，因此可以認(rèn)定炸高H1為性能退化敏感參數(shù)。從圖6、圖7中可以看出，密封與非密封狀態(tài)檢波電壓VJ都有比較小的下降趨勢，其中密封狀態(tài)下變化幅度小于5%，非密封狀態(tài)下變化幅度小于7%，兩種狀態(tài)均滿足引信檢波電壓VJ要求，但性能略有退化。因此可以認(rèn)定VJ為性能退化敏感參數(shù)。

試驗結(jié)果表明ID，H1和VJ為發(fā)火控制部件性能退化敏感參數(shù)，且包裝筒密封與非密封對其性能退化影響不大。

3 發(fā)火控制部件儲存壽命預(yù)測

利用Matlab軟件采用K-S檢驗法對各性能退化敏感參數(shù)分別進(jìn)行正態(tài)分布和威布爾分布的分布假設(shè)檢驗[12]。經(jīng)檢驗發(fā)現(xiàn)，定時器部件ID和探測器部件的H1，VJ均較好符合威布爾分布，因此采用威布爾分布模型進(jìn)行壽命預(yù)測。

3.1 密封狀態(tài)下定時器部件儲存壽命預(yù)測

1) 采用部分?jǐn)?shù)據(jù)計算定時器部件ID在各個儲存年份的形狀參數(shù)m與尺度參數(shù)η。

采用最佳線性無偏估計BLUE法求出定時器部件ID在各個儲存年份的形狀參數(shù)和尺度參數(shù)如表3所示。

表3 定時器ID在各儲存年份的形狀參數(shù)和尺度參數(shù)

Tab.3 Shape and Scale Parameters of timer IDunder different storage years

儲存年份/年形狀參數(shù)m尺度參數(shù)η018.411 019.020 3221.818 419.612 3323.768 519.862 1424.953 420.152 8522.053 920.485 9626.097 820.742 4729.474 120.931 9834.932 821.211 0

2) 求出定時器部件ID性能退化量分布參數(shù)方程系數(shù)

根據(jù)表3所示，畫出ID退化量的形狀參數(shù)和尺度參數(shù)隨時間變化的擬合曲線圖如8所示。

從表3和圖8可以看出，定時器部件ID性能退化量的形狀參數(shù)、尺度參數(shù)基本呈線性關(guān)系，因此，選擇線性模型，并利用最小二乘法估計參數(shù)方程曲線的系數(shù)k1，k2，求出形狀參數(shù)和尺度參數(shù)的性能退化軌跡表達(dá)式為[9]：

ηy(t)=19.051 86+0.274 4t

(5)

my(t)=17.663 5+1.720 085t

(6)

將式(5)、式(6)代入式(3)中，可以求得有包裝筒密封狀態(tài)下，定時器部件ID性能退化量服從威布爾分布時的可靠度函數(shù)為：

(7)

已知引信作用可靠度一般不低于0.9，根據(jù)工廠驗收指標(biāo)確定ID失效閾值為指標(biāo)上限，將失效閾值和可靠度0.9代入式(7)可求得定時器部件基于ID性能退化下的預(yù)測壽命為38.824年。

3.2 密封狀態(tài)下探測器部件儲存壽命預(yù)測

同理，可求探測器部件基于H1，VJ的形狀參數(shù)和尺度參數(shù)的性能退化軌跡表達(dá)式分別為：

ηyH1(t)=0.755 68-0.004 21t

(8)

(9)

ηyVJ(t)=16.1565 1-0.2719 5t

(10)

(11)

將式(8)—式(11)代入式(4)中，可以求得探測器部件H1，VJ性能退化量服從威布爾分布時的可靠度函數(shù)分別為：

(12)

(13)

根據(jù)工廠驗收指標(biāo)確定探測器部件H1，VJ失效閾值為指標(biāo)下限，將失效閾值和可靠度0.9分別代入式(12)、式(13)可求得探測器部件基于H1，VJ性能退化下的預(yù)測壽命分別為20.707年和22.482年。

同理可求，無包裝筒密封狀態(tài)下定時器部件基于ID性能退化下的預(yù)測壽命為37.984年，探測器部件基于H1，VJ性能退化下的預(yù)測壽命分別為20.165年和21.786年。定時器部件和探測器部件密封與非密封狀態(tài)預(yù)測壽命如表4所示。

表4 不同部件在不同狀態(tài)下的預(yù)測壽命

Tab.4 Prediction life of different parts under different conditions

部件名稱預(yù)測壽命/年密封非密封定時器部件定時器電流ID38.82437.984探測器部件炸高H120.70720.165檢波電壓VJ22.48221.786

因為電子關(guān)鍵部件最短壽命反映整體壽命，從表4可以看出有包裝筒密封、無包裝筒密封時該引信發(fā)火控制部件儲存壽命為探測器部件基于H1性能退化下的儲存壽命分別為20.707年、20.165年。通過對比各部件在不同存儲狀態(tài)下的壽命可以發(fā)現(xiàn)有無包裝筒密封狀態(tài)下壽命預(yù)測結(jié)果相差不大，進(jìn)一步說明引信自身密封的重要性。

4 結(jié)論

本文提出了基于儲存性能試驗的引信發(fā)火控制部件壽命預(yù)測方法。該方法基于儲存性能試驗確定了ID，VJ和H1為引信發(fā)火控制部件性能退化敏感參數(shù)，且引信有無包裝筒密封對其性能退化幾乎沒有影響。并利用Matlab軟件采用K-S檢驗法對性能參數(shù)分別進(jìn)行正態(tài)分布和威布爾分布的分布假設(shè)檢驗，確定采用威布爾退化分布模型，利用威布爾退化分布模型求出了ID，H1和VJ對應(yīng)的儲存壽命。預(yù)測結(jié)果表明，該電容近炸引信發(fā)火控制部件在可靠度取值為0.9時，有包裝筒密封狀態(tài)下儲存壽命為20.707年，無包裝筒密封狀態(tài)下儲存壽命為20.165年。本研究對準(zhǔn)確掌握庫存同種或同類電容近炸引信質(zhì)量狀況具有重要的參考意義，同時文中的數(shù)據(jù)分析處理方法也對其他同類型產(chǎn)品的儲存壽命預(yù)測研究具有一定參考價值。

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