趨勢分析方法在火工品壽命評估中的應用

麻宏亮，張 蕊，李 芳，付東曉，都振華，孫新申

（陜西應用物理化學研究所 應用物理化學國家級重點實驗室，陜西 西安，710061）

火工品壽命[1]是指在規(guī)定的貯存條件下和規(guī)定的貯存時間內(nèi)，其保持規(guī)定功能不變的時間，即貯存可靠性壽命?；鸸て穳勖u估通常采用加速壽命試驗和壽命監(jiān)控的方法。目前，我國一般通過加速壽命試驗（71℃，28～30d）并結合產(chǎn)品的驗收試驗預測火工品10a的貯存壽命[2]。10a后，通過加速壽命試驗，結合產(chǎn)品的性能試驗，再進行適當?shù)难訅?。該方法只能評價在一定的時間內(nèi)產(chǎn)品性能是否正常，無法給出火工品壽終的時間。

美國通常采用壽命監(jiān)控的方法來評估火工品的壽命。壽命監(jiān)控測試[3]一般是定期地對火工品進行一系列試驗，以分析火工品在一段時間后的性能，并評估該火工品是否可以繼續(xù)使用，以及給出使用時間的建議，壽命監(jiān)控測試主要由環(huán)境試驗、無損檢測和性能檢測3方面構成。通常在火工品出廠時并不直接給出產(chǎn)品的貯存壽命，而是在使用前通過壽命監(jiān)控方法和加速壽命試驗給出1a或3a的壽命[3]。該方法評估壽命保守可靠性高，但該方法測試周期長、費用高。

近年來，美國人嘗試應用趨勢線分析方法對火工品進行壽命評估[4]。該方法是利用同一批次的火工品在不同貯存條件和貯存時間（自然貯存或加速貯存）下的定量性能參數(shù)，或壽命監(jiān)控測試中的試驗結果，例如作用時間、輸出壓力、發(fā)火感度等參數(shù)，進行統(tǒng)計分析處理，分析性能參數(shù)在貯存過程中的退化趨勢，并初步預估火工品的壽命。該方法不局限于試驗的樣本量以及產(chǎn)品貯存的時間跨度，而且可對自然貯存的火工品進行壽命趨勢預測，為火工品的貯存壽命的評估提供一種新的思路和方法。本文研究了趨勢線分析的統(tǒng)計計算方法，并利用經(jīng)高溫貯存后某點火頭和某隔板點火器，以及自然環(huán)境貯存多年的某電點火器的性能測試數(shù)據(jù)，研究了基于趨勢線分析的火工品壽命評估方法的適用性。

1 趨勢線分析法的計算方法

趨勢線分析方法是通過統(tǒng)計方法獲得火工品關鍵性能參數(shù)隨貯存時間變化的壽命趨勢圖。該方法的基本流程是利用最小二乘法確定火工品不同時期關鍵性能參數(shù)的回歸模型。通過構造樞軸量計算火工品性能參數(shù)估計量在一定置信度和可靠度下的容忍區(qū)間，將關鍵性能參數(shù)的技術指標和計算獲得的容忍上限或下限的交點作為該火工品的預估壽命點，其對應的時間即為該火工品的預估壽命。

1.1 不同時間下關鍵性能參數(shù)的回歸分析

式（1）中：b為截距，m為回歸系數(shù)。

1.2 關鍵性能參數(shù)的容忍區(qū)間

在給出關鍵性能參數(shù)的回歸模型后，通過構造樞軸量求得置信度為γ、可靠度為β下任意時刻關鍵性能參數(shù)的容忍區(qū)間，其中，容忍上限[6-7]：

容忍下限：

圖1 某火工品的典型性能變化趨勢圖Fig.1 Typical performance change chart of some initiator

2 模擬貯存試驗數(shù)據(jù)的趨勢線分析

為了研究趨勢線分析方法在火工品壽命評估中的應用，本文利用某電點火頭和某隔板起爆器的加速壽命試驗的性能試驗數(shù)據(jù)開展相關研究。

2.1 某電點火頭模擬貯存試驗數(shù)據(jù)的趨勢線分析

電點火頭為橋絲式火工品，橋絲上蘸火工藥劑，并涂覆防潮漆。在高溫條件下，防潮漆受熱會發(fā)生熔化現(xiàn)象，導致點火頭的作用時間變化甚至超差。因此，在保證點火頭失效機理不變的前提下，應盡可能地縮短試驗周期，故確定模擬貯存試驗的溫度為95℃，初步確定取樣間隔為14d，共取4次。由于用于趨勢線分析的火工品性能參數(shù)需定量，且應考慮試驗的便捷性，因此，確定電點火頭的測試項目為作用時間。該電點火頭作用時間應不超過 50ms，即為壽命趨勢線分析方法中的火工品性能參數(shù)的規(guī)格上限。依據(jù)GJB 5309.21-2004規(guī)定的作用時間測試方法進行試驗。結果見表1。利用表1的數(shù)據(jù)，進行趨勢線分析。圖2給出了電點火頭作用時間在置信度為 0.9、可靠度為0.9下的壽命趨勢分布圖。從圖2中可知，隨著貯存時間的增加，作用時間呈現(xiàn)增大趨勢。容許上限與作用時間規(guī)格上限交點處的預估壽命為98d。

表1 某電點火頭高溫貯存后作用時間測試結果Tab.1 Test result of function time of some electro matchhead after high temperature storage

圖2 某電點火頭作用時間高溫貯存后變化趨勢圖Fig.2 Chart of function time change of some electro matchhead after high temperature storage

2.2 隔板起爆器模擬貯存試驗數(shù)據(jù)的趨勢線分析

針對某隔板起爆器開展了溫度 80℃、濕度 95%條件下的模擬貯存試驗，并利用建立的趨勢線分析方法研究了該起爆器2個關鍵性能參數(shù)——輸出壓力和作用時間的變化規(guī)律。分別采用了銅柱測壓法和靶線法，測得了經(jīng)模擬貯存后的隔板起爆器的輸出壓力和作用時間。如表2所示。利用建立的趨勢線分析方法，計算了2個性能參數(shù)的變化趨勢，輸出壓力的規(guī)格限為 3.2～9.5 MPa，作用時間僅有規(guī)格上限1ms。圖3（a）和圖3（b）分別為該隔板起爆器經(jīng)溫濕度貯存后的輸出壓力和作用時間在置信度和可靠度均為0.9下的趨勢分析結果。從圖3中可以看出，輸出壓力隨貯存時間呈下降趨勢，因此，僅利用輸出壓力的規(guī)格下限 3.2MPa與容忍下限的交點作為貯存壽命的預估值，在該貯存環(huán)境下的預估壽命約為98d。而作用時間隨貯存時間呈上升趨勢，在該貯存環(huán)境下的預估壽命約為 1 991d。由分析可見，火工品有諸多技術指標，每種指標隨時間的退化趨勢不同，因此按每種技術指標判定失效時間不同。按保守估計，以輸出壓力的變化趨勢預測該隔板點火器在模擬貯存條件下的壽命約為98d。

3 自然環(huán)境貯存試驗數(shù)據(jù)趨勢線分析

針對在自然貯存條件下（庫房條件）貯存了多年的某電點火器進行了性能試驗，測試了試驗樣品的電阻及作用時間，如表3所示。

表2 某隔板起爆器貯存后的輸出壓力和作用時間測試結果Tab.2 Test results of output pressure and function time of some through-bulkhead initiator after storage

圖3 某隔板起爆器經(jīng)貯存后的性能變化趨勢圖Fig.3 Chart of performance change of some through-bulkhead initiator after storage

圖4為某電點火器在自然環(huán)境下貯存后的電阻和作用時間的趨勢線分析結果。

由圖4（a）可見電阻隨著貯存時間呈現(xiàn)下降趨勢，結合該點火器電阻的技術指標（0.5～1.5Ω）計算得預估壽命約為83a。圖4（b）顯示作用時間隨著貯存時間呈上升趨勢，將1ms作為作用時間的技術指標上限計算得預估壽命約為160a。保守估計，該點火器在自然貯存環(huán)境下的預估壽命約為83a。

表3 某電點火器自然貯存后性能測試結果Tab.3 Performance test results of some electric ignitor after natural storage test

圖4 某點火器自然貯存后的性能變化趨勢圖Fig.4 Chart of performance change of some electric ignitor after natural storage test

4 結語

利用趨勢線分析方法可以獲得火工品經(jīng)歷一段貯存后的性能變化趨勢，同時可以初步估計火工品的壽命，這對于經(jīng)歷自然貯存后火工品的定壽具有重要意義。利用不同性能參數(shù)，采用趨勢線分析計算得到的壽命預測值往往不同，建議保守估計，采用預測值較小的作為火工品的預估壽命。

[1]王凱民,張學舜.火工品工程設計與試驗[M].北京:國防工業(yè)出版社,2010.

[2]GJB 736.8-90 火工品試驗方法71°C試驗法[S].國防科學技術工業(yè)委員會,1990.

[3]MIL-STD-1576 Electroexplosive subsystems, safety requirements and test methods for space system[S].U.S. Air Force,1984.

[4]Yang, L.C., Miller, D.M.. Advanced applications of statistical methods in testing of energetic components and systems[R].AAIA-2005-4039, 2005.

[5]師義民,徐偉,等.數(shù)理統(tǒng)計[M].北京:科學出版社,2009.

[6]陳希儒.高等數(shù)理統(tǒng)計 [M].北京:科學出版社,1999.

[7]Graybill,F.A.and Iyer,H.K. Regression analysis concept and application[M]. Duxbury Press:Blemont CA,1994.