基于薄弱環(huán)節(jié)的發(fā)動(dòng)機(jī)加速貯存試驗(yàn)研究

文 | 第二炮兵裝備研究院 李祥臣 易當(dāng)祥 趙韶平 張國(guó)彬

基于薄弱環(huán)節(jié)的發(fā)動(dòng)機(jī)加速貯存試驗(yàn)研究

文 | 第二炮兵裝備研究院 李祥臣 易當(dāng)祥 趙韶平 張國(guó)彬

對(duì)基于薄弱環(huán)節(jié)的發(fā)動(dòng)機(jī)加速貯存試驗(yàn)的理論依據(jù)和發(fā)動(dòng)機(jī)加速貯存試驗(yàn)的基本流程進(jìn)行了介紹，在對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)薄弱環(huán)節(jié)的確定方法和薄弱環(huán)節(jié)失效機(jī)理分析的基礎(chǔ)上，提出了材料、部組件和整機(jī)層層遞進(jìn)的加速貯存試驗(yàn)方案和基于物理老化、化學(xué)老化和使用載荷驗(yàn)證的發(fā)動(dòng)機(jī)加速貯存試驗(yàn)一體化設(shè)計(jì)方法。

薄弱環(huán)節(jié)；發(fā)動(dòng)機(jī)；加速貯存試驗(yàn)

1.言

加速貯存試驗(yàn)是在不改變產(chǎn)品的失效機(jī)理的前提下，用加大應(yīng)力的方法加速產(chǎn)品失效過(guò)程，在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到長(zhǎng)時(shí)間自然貯存的效果。由于整機(jī)產(chǎn)品包含著多種元器件和材料，導(dǎo)致組件貯存失效的因素或機(jī)理比較復(fù)雜，無(wú)法滿足加速壽命試驗(yàn)的單失效機(jī)理要求，如果任選一種加速應(yīng)力去做試驗(yàn)，其結(jié)果難以反映實(shí)際情況，影響了整機(jī)加速貯存試驗(yàn)的研究與應(yīng)用。目前，整機(jī)的加速貯存試驗(yàn)設(shè)計(jì)主要是采取基于薄弱環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)思路。俄羅斯（前蘇聯(lián)）、烏克蘭等國(guó)家在“加速貯存試驗(yàn)”和“加運(yùn)輸試驗(yàn)”等技術(shù)的應(yīng)用方面取得了卓著成效，是前整機(jī)產(chǎn)品加速貯存壽命試驗(yàn)技術(shù)最成熟的國(guó)家。

基于薄弱環(huán)節(jié)的加速貯存試驗(yàn)的理論依據(jù)是木桶原理。根據(jù)木桶原理，任何一種產(chǎn)品的壽命都取決于該產(chǎn)品中易失效件的壽命，無(wú)論產(chǎn)品的其他關(guān)鍵件、重要件或性能設(shè)計(jì)怎樣優(yōu)越，一旦影響產(chǎn)品性能的任何一個(gè)零部件或元器件發(fā)生失效，該產(chǎn)品的壽命即告終結(jié)，因此產(chǎn)品貯存壽命取決于它的薄弱環(huán)節(jié)中易失效件的可靠貯存壽命。那么，找出薄弱環(huán)節(jié)后，整機(jī)產(chǎn)品的加速貯存壽命試驗(yàn)就轉(zhuǎn)化為零部件或元器件的加速貯存壽命試驗(yàn)。試驗(yàn)的關(guān)鍵是對(duì)產(chǎn)品薄弱環(huán)節(jié)的分析。

2.動(dòng)機(jī)薄弱環(huán)節(jié)分析

目前確定產(chǎn)品長(zhǎng)期貯存可靠性薄弱環(huán)節(jié)的方法通常有以下5種：相似產(chǎn)品法、使用信息統(tǒng)計(jì)分析法、排列圖法、故障樹分析法和故障模式影響及其危害性分析（FMECA）法[1]。

2.1.似產(chǎn)品法

相似產(chǎn)品法對(duì)新研制的電容器件，若有貯存歷史的相似產(chǎn)品時(shí)，可用分析對(duì)比的方法確定易失效件，尋找薄弱環(huán)節(jié)，分析失效原因。

2.2.用信息中統(tǒng)計(jì)分析法

產(chǎn)品薄弱環(huán)節(jié)的確定，可以從使用信息中統(tǒng)計(jì)分析得出失效模式比率的數(shù)據(jù)，找出相對(duì)失效頻數(shù)最大的失效模式，即找到了薄弱環(huán)節(jié)。

2.3.列圖法

排列圖，又叫主次圖、巴雷特圖如圖1 所示。將其應(yīng)用到失效模式分析，以縱坐標(biāo)表示某一失效模式的失效數(shù)占總失效數(shù)的百分?jǐn)?shù)，也叫相對(duì)頻數(shù)；以橫坐標(biāo)表示各種失效模式，并按失效頻數(shù)的大小，以對(duì)應(yīng)的直方圖高低依次排列，最后將直方形的百分?jǐn)?shù)從左到右累加起來(lái)得一曲線。

一般情況將累積百分?jǐn)?shù)的0%～80% 的失效模式稱為關(guān)鍵失效模式；占80%～90% 的失效模式稱為主要失效模式；占90%～100% 的失效模式稱為次要失效模式。找到了關(guān)鍵失效模式，即找到薄弱環(huán)節(jié)。

2.4.障樹分析法

通過(guò)對(duì)可能造成系統(tǒng)故障的各種因素（包括硬件、軟件、環(huán)境、人為因素等）進(jìn)行分析，畫出邏輯圖（即故障樹），從而確定系統(tǒng)故障原因的各種可能組合方式及其發(fā)生概率，以計(jì)算系統(tǒng)故障概率。故障樹分析法一般用在比較大的系統(tǒng)故障分析方面。

2.5.障模式影響及其危害性分析（FMECA）法

故障模式影響及其危害性分析，考慮的因素較全面，除考慮失效模式出現(xiàn)的概率之外，還考慮了故障模式對(duì)產(chǎn)品的安全性可靠性影響的嚴(yán)重程度，應(yīng)用起來(lái)很簡(jiǎn)單實(shí)用。

根據(jù)失效物理基本理論，導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)在貯存階段任何構(gòu)件失效 （故障），都是由其貯存環(huán)境的影響和內(nèi)在因素的變化而造成的，導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)的貯存可靠性就是由易發(fā)生失效的構(gòu)件（薄弱環(huán)節(jié)）的可靠性決定的。采用以上五種分析方法，結(jié)合導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際貯存經(jīng)驗(yàn)，確定固體發(fā)動(dòng)機(jī)容易發(fā)生失效的構(gòu)件主要有殼體、藥柱、噴管、密封結(jié)構(gòu)、粘接界面[2]。

(4)已知SCl2的沸點(diǎn)為50℃。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,將三頸燒瓶中混合物分離開(kāi)的實(shí)驗(yàn)操作名稱是____。若反應(yīng)中消耗的Cl2的體積為896mL(標(biāo)準(zhǔn)狀況,SO2足量),最后得到純凈的SOCl26.76g,則SOCl2的產(chǎn)率為_(kāi)___(保留兩位有效數(shù)字)。

金屬殼體主要失效模式是銹蝕、掉漆；復(fù)合材料殼體主要失效模式有分層、 裂紋（表面和內(nèi)部），材料基體膨脹或開(kāi)裂、空隙。主要影響其承載能力和氣密性，導(dǎo)致殼體的機(jī)能下降或失效。

固體推進(jìn)劑藥柱的失效模式隨環(huán)境應(yīng)力不同表現(xiàn)為：在外界應(yīng)力作用下， 產(chǎn)生裂紋、 空隙及撕裂， 在低溫下還表現(xiàn)為變硬、變脆和脫粘，高濕下變軟等。 對(duì)力學(xué)性能的影響主要表現(xiàn)在藥柱拉伸強(qiáng)度下降，延伸率上升，對(duì)燃速、燃燒溫度、 燃燒室壓強(qiáng)等燃燒特性也產(chǎn)生很大影響。

噴管主要失效模式有絕熱層脫粘， 密封處密封材料性能下降， 柔性防熱套 3 層漆布粘接在一起，噴管材料出現(xiàn)腐蝕等。導(dǎo)致出現(xiàn)漏氣穿火現(xiàn)象，抗燒蝕性下降，力學(xué)性能下降，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低。

密封結(jié)構(gòu)主要失效模式有橡膠 O 形密封圈的老化、破損、撕裂、切口、磨損、鍛痕、裂紋、破裂、過(guò)分擦傷、變形；螺栓組件的斷裂、疲勞破壞、應(yīng)力松弛等會(huì)導(dǎo)致密封失效，發(fā)生泄漏。

推進(jìn)劑／襯層、絕熱層／殼體之間的粘接界面脫粘是最主要的失效模式，也是固體導(dǎo)彈失效的重要原因之一。脫粘破壞了原藥型設(shè)計(jì)的燃燒規(guī)律，使用中導(dǎo)致燃面增大、壓力增高，嚴(yán)重者引起發(fā)動(dòng)機(jī)穿火、爆炸[3]。

3.體發(fā)動(dòng)機(jī)加速貯存試驗(yàn)技術(shù)

發(fā)動(dòng)機(jī)加速貯存試驗(yàn)是按照產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的組成形式，同時(shí)根據(jù)以往型號(hào)貯存過(guò)程出現(xiàn)的問(wèn)題，采用非金屬材料、部組件、整機(jī)加速貯存層層遞進(jìn)的方式。通過(guò)對(duì)非金屬材料、部組件失效模式和失效機(jī)理的研究，確定產(chǎn)品的薄弱環(huán)節(jié)。在非金屬材料及其表征試件、部組件及模擬件的加速貯存試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，模擬導(dǎo)彈的實(shí)際貯存環(huán)境，結(jié)合部組件加速貯存試驗(yàn)后的地面試驗(yàn)驗(yàn)證各項(xiàng)測(cè)試數(shù)據(jù)，安排發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)的加速貯存試驗(yàn)，進(jìn)行整機(jī)貯存期綜合評(píng)估。同時(shí)，通過(guò)對(duì)各級(jí)試驗(yàn)結(jié)果的分析、驗(yàn)證，結(jié)合自然貯存試驗(yàn)的結(jié)果，給出發(fā)動(dòng)機(jī)貯存期評(píng)估結(jié)論，其基本試驗(yàn)流程見(jiàn)圖2。

3.1.金屬材料加速貯存試驗(yàn)

非金屬材料加速貯存試驗(yàn)，主要考核非金屬材料和粘接界面在規(guī)定的應(yīng)力下的老化特性，其主要目的是：a) 選取合適的表征參數(shù)；b)獲得產(chǎn)品試驗(yàn)的極限值（溫度、振動(dòng)等）；c) 獲得產(chǎn)品特定溫度相對(duì)常溫的加速因子；d)獲得產(chǎn)品特征表征參數(shù)的變化趨勢(shì)，進(jìn)而得到產(chǎn)品的失效機(jī)理。

部組件級(jí)貯存試驗(yàn)是在材料貯存試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，既是對(duì)材料級(jí)貯存試驗(yàn)結(jié)論的驗(yàn)證，又在更高的層次上，對(duì)產(chǎn)品的性能指標(biāo)進(jìn)行考核。部組件相對(duì)于整機(jī)來(lái)講結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，失效模式比整機(jī)少，其失效模式和機(jī)理一般是單一的，所以要確定能有效地加速失效而又不大改變失效機(jī)理的應(yīng)力就容易得多。

3.3.動(dòng)機(jī)整機(jī)加速貯存試驗(yàn)

發(fā)動(dòng)機(jī)的加速試驗(yàn)要綜合考慮導(dǎo)彈使用的剖面，主要的環(huán)境應(yīng)力有溫度循環(huán)、熱老化和運(yùn)輸振動(dòng)、沖擊等使用力學(xué)載荷。以某薄弱環(huán)節(jié)最低極限值（溫度、振動(dòng)）作為加速應(yīng)力極限值，以某種材料或部組件的活化能確定加速貯存試驗(yàn)周期，開(kāi)展發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)加速貯存試驗(yàn)，在特征年進(jìn)行試車，考核發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能，驗(yàn)證貯存后發(fā)動(dòng)機(jī)滿足使用載荷的能力，進(jìn)行貯存期評(píng)估。

4.用實(shí)例

某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)開(kāi)展加速貯存試驗(yàn)，進(jìn)行產(chǎn)品的失效模式和失效機(jī)理的研究，給出貯存期15年的評(píng)估結(jié)論。

4.1.排的非金屬材料的熱老化加速貯存試驗(yàn)(試驗(yàn)項(xiàng)目見(jiàn)表1)，考核非金屬材料的熱老化性能。

4.2.排發(fā)動(dòng)機(jī)殼體、燃燒室、噴管、柔性接頭等部組件進(jìn)行加速老化試驗(yàn)。以發(fā)動(dòng)機(jī)殼體為例，該發(fā)動(dòng)機(jī)為非金屬纖維纏繞的復(fù)合材料殼體，其主要失效模式有分層、裂紋（表面和內(nèi)部），材料基體膨脹或開(kāi)裂、空隙。主要影響其承載能力和氣密性，導(dǎo)致殼體的機(jī)能下降或者失效，貯存試驗(yàn)以此作為考核的指標(biāo)，試驗(yàn)的流程見(jiàn)圖3。

4.3.機(jī)的加速貯存試驗(yàn)方案：安排6臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行物理加速老化、熱化學(xué)加速老化和振動(dòng)、沖擊等使用載荷試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程如圖4。

物理加速老化剖面為5℃～51℃循環(huán)，每個(gè)溫度保溫24小時(shí)，共作兩個(gè)循環(huán)。

以推進(jìn)劑最高極限溫度70℃作為發(fā)動(dòng)機(jī)熱老化溫度的試驗(yàn)依據(jù)，取60℃作為熱加速老化溫度；以導(dǎo)彈密封環(huán)的作為發(fā)動(dòng)機(jī)的老化薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，7天相當(dāng)于常溫1年，在老化84天（相當(dāng)于常溫12年）之后進(jìn)行地面試車。

根據(jù)導(dǎo)彈實(shí)際使用載荷，安排汽車運(yùn)輸試驗(yàn)，公路等級(jí)4級(jí)，運(yùn)輸里程按照每年200公里（12年，2400公里），運(yùn)輸試驗(yàn)結(jié)束后，進(jìn)行最大沖擊量20g的沖擊試驗(yàn)。然后進(jìn)行地面試車，檢驗(yàn)工作性能。

通過(guò)非金屬材料、部組件和發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)的加速試驗(yàn)，摸清導(dǎo)彈各個(gè)薄弱環(huán)節(jié)的時(shí)效機(jī)理，并分別對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的物理老化性能、化學(xué)老化性能和使用載荷進(jìn)行考核和驗(yàn)證，獲得了發(fā)動(dòng)機(jī)12年貯存期的評(píng)估。通過(guò)與自然貯存信息的相互驗(yàn)證，進(jìn)一步提高了結(jié)論的可信度。

5.論

基于薄弱環(huán)節(jié)的整機(jī)加速貯存試驗(yàn)方法，是在對(duì)產(chǎn)品的失效機(jī)理不夠清楚、加速貯存試驗(yàn)技術(shù)和方法不夠成熟的情況下采取的一種較為穩(wěn)妥可信的試驗(yàn)方法。在材料、元器件、部組件加速貯存試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行失效模式與機(jī)理研究，獲得產(chǎn)品的加速因子，確定整機(jī)的薄弱環(huán)節(jié)，以此作為整機(jī)加速試驗(yàn)設(shè)計(jì)的依據(jù)，同時(shí)對(duì)各個(gè)層次的試驗(yàn)結(jié)論相互驗(yàn)證，增加了結(jié)論的可信度。

表1.動(dòng)機(jī)非金屬材料加速貯存試驗(yàn)項(xiàng)目表

[1] 林震，李憲姍，姜同敏，程永生.整機(jī)產(chǎn)品加速貯存壽命試驗(yàn)研究思路探討[J].航空標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量，2006，38-41.

[2] 常新龍，孫兵曉，馬章海，胡寬. 固體發(fā)動(dòng)機(jī)失效模式分析及貯存可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系研究[J]. 質(zhì)量與可靠性，2008（5），24-27。

[3] 靳娜， 婁壽春. 地空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)可靠性分析及指標(biāo)論證研究 [J] . 裝備技術(shù)指揮學(xué)院學(xué)報(bào)，2006（6），35-40.

Research on Accelerated Storage Test of Solid Rocket Motor Based on Weak Links

The theoretical principle of accelerated storage test based on weak links and its basic flow chart is introduced. Based on the analysis of weak links and a method of determining the weak link failure mechanism, the article puts forward a method of accelerated storage test made up by material, component and appliance, and an integration design method based on physical aging, chemical aging and the use of load verification engine.

weak link；solid rocket motor；accelerated storage test

李祥臣（1969.12-），碩士，主要從事可靠性與貯存延壽研究。