基于FTA法的79式7.62mm沖鋒槍可靠性分析

王振興， 原梅妮， 張 明， 向豐華

（中北大學機電工程學院，山西 太原 030051）

1 79式7.62 mm沖鋒槍的概述

79式7.62mm沖鋒槍是我國自主設(shè)計生產(chǎn)的輕型沖鋒槍，在過去的30年乃至今天一直是我國單兵作戰(zhàn)武器中的重要力量。槍械的可靠性是指槍械在規(guī)定操作條件下，保證安全以及在槍械壽命期內(nèi)保持原有性能的能力［1］。可靠性低的武器不但會降低任務(wù)效能，而且在壽命周期內(nèi)會增加大量額外的使用和保障費用［2］。保證槍械的可靠性就是保證士兵的生命安全，也是提高軍隊在戰(zhàn)爭中取勝概率的條件。因此對槍械的可靠性研究是極具現(xiàn)實意義的工作［3］。

2 79式7.62 mm沖鋒槍的主要及工作原理

79式7.62mm沖鋒槍采用導氣式自動方式，槍機回轉(zhuǎn)式閉鎖。主要機構(gòu)由閉鎖機構(gòu)、加速機構(gòu)、供彈機構(gòu)、退殼機構(gòu)、擊發(fā)機構(gòu)、發(fā)射機構(gòu)和保險機構(gòu)組成。槍械通過各個機構(gòu)的共同配合完成送彈、閉鎖、擊發(fā)、開鎖、退殼一系列動作，從而完成槍械的射擊。

自動機裝彈入膛后，通過擊錘擊打槍機內(nèi)的機針撞擊彈丸底部，完成擊發(fā)點火。79式7.62mm沖鋒槍采用的是擊錘回轉(zhuǎn)式擊發(fā)機構(gòu)，擊針裝在槍機的擊針孔里，由擊針銷限制前后移動行程。當槍機完成推彈入膛后，槍機前端的擊針縮回到擊針孔內(nèi)并在槍機框后端露出機針時，此刻扣動扳機，解脫擊錘，則撞擊擊針完成擊發(fā)動作。

3 79式7.62 mm沖鋒槍的可靠性分析

槍械可靠性是反映槍械的耐用度、可靠程度以及無故障完成任務(wù)的能力。它反映的是槍械在規(guī)定的使用條件下和使用指標下，完成任務(wù)的可靠性［4］。通常槍械可靠度指的是槍械的使用可靠度，即槍械在使用過程中無故障的完成在規(guī)定條件下預(yù)定指標動作的能力。

3.1 槍械可靠性的特征量

槍械可靠性的特征量是用來表示槍械產(chǎn)品總體可靠性高低的各種可靠性數(shù)量指標的總稱。對于一般產(chǎn)品來說可靠性特征可以采取可靠度、失效率、平均壽命作為特征量［5］。對于槍械這種修理產(chǎn)品來講，一般采用可靠度來作為衡量槍械產(chǎn)品總體可靠性高低的數(shù)量指標，但為了突出故障特征，可以用失效率來表示［6］。

3.2 槍械可靠度的計算

槍械可靠度是指槍械在規(guī)定的條件下和射彈數(shù)內(nèi)，完成規(guī)定功能的概率，一般記為R（t）。由于可靠度是一個概率值，故R（t）大于零小于1。槍械不可靠度是指槍械在規(guī)定的條件下和射彈數(shù)內(nèi)，未完成規(guī)定功能（即發(fā)生故障）的概率，表示槍械累積故障概率對時間的變化率，一般記為F（t）。因為完成規(guī)定功能與未完成規(guī)定功能是對立事件，按概率互補定理可得：

槍械故障率是指工作到某時刻尚未發(fā)生故障的槍械，在該時間后單位時間內(nèi)發(fā)生故障的概率，一般記為λ（t）。

F的值一般要通過產(chǎn)品的大量試驗來確定。假設(shè)N0個產(chǎn)品從0時刻開始在規(guī)定的條件下連續(xù)工作，r（t）表示時間從0到t產(chǎn)品累積失效個數(shù)，則從0到t時刻產(chǎn)品的累積失效概率為：

從而可知可靠度為：

由此可知：

r（t）和R（t）均是（0，∞］區(qū)間內(nèi)的單調(diào)函數(shù)。

3.2.1 失效率（故障率）

失效率是指工作到某時刻尚未失效的產(chǎn)品，在該時刻后單位時間內(nèi)發(fā)生失效的概率，記作λ（t），易知λ（t）可表示為：

式中：Ns（t）為表示t時刻尚未失效的產(chǎn)品數(shù)，則Ns（t）＝N0－r（t）；dr（t）為t時刻后，在dt時間內(nèi)失效的產(chǎn)品數(shù)。

3.2.2 平均壽命

平均壽命是壽命特征量的一種，常見的壽命分析包括平均壽命、可靠壽命、中位壽命和特征壽命。而平均壽命是產(chǎn)品壽命分布的集中趨勢的尺度，是產(chǎn)品壽命體現(xiàn)的較好方式，對于不同性質(zhì)產(chǎn)品的意義是不一樣的。對于不可修復的產(chǎn)品，發(fā)生失效即意味著產(chǎn)品壽命終止，那么它的平均壽命是實際使用壽命，即產(chǎn)品失效前正常使用的時間，簡稱TMTF。而對于可修復的產(chǎn)品，平均壽命是修復前所使用的時間，即兩次相鄰發(fā)生的故障之間正常工作的時間，也常被稱為無故障工作時間，簡稱TMBF。

通過兩種不同產(chǎn)品的定義可知，槍械屬于可修復產(chǎn)品，平均壽命指的是兩次相鄰故障間的平均工作時間。平均壽命的估計值為所有產(chǎn)品的工作時間與總失效產(chǎn)品數(shù)的比值。

設(shè)樣品總數(shù)為n，全部試驗到失敗，把它們的n個壽命觀測值分為K組，每組為Δnfj，并以每組的壽命組中值ti作為該組樣品的工作時間，則樣品總的工作時間可近似的表示為ΣtiΔnfj，則平均壽命的估計值為：

3.3 79式7.62mm沖鋒槍的故障分析

槍械故障是指槍械或槍械的一部分，不能或?qū)⒉荒芡瓿深A(yù)定功能的時間或狀態(tài)。槍械加權(quán)故障是指實際故障數(shù)和故障加權(quán)系數(shù)相結(jié)合后的故障數(shù)。它是評價槍械可靠性中故障率的指標。

3.3.1 79式7.62mm沖鋒槍的故障形式

79式7.62mm沖鋒槍的故障形式是基于南京理工大學祝玉平的《影響79式7.62mm輕型沖鋒槍壽命的原因分析研究》文章中針對79式?jīng)_鋒槍進行的132支［8］。試驗中出現(xiàn)破損的槍支60支（107件次），有些破損是在按規(guī)定指標進行的壽命試驗考核合格后為考核壽命極限進行的超壽命期試驗中發(fā)生的，射彈發(fā)數(shù)在5 000發(fā)以外的均是超壽命期試驗。這些破損共發(fā)生在機框、擊針、機心、結(jié)套、機匣、活塞、限制片簧、擊錘、彈匣套、準星座、擊針銷、襯鐵等12個零（部）件上。其中最嚴重的是機框、擊針、機心、結(jié)套等8個零（部）件。故障分析實驗數(shù)據(jù)及實驗結(jié)果，以及79式7.62mm沖鋒槍的主要故障形式如下頁表1所示。

3.3.2 79式7.62mm沖鋒槍的平均壽命計算

79式?jīng)_鋒槍屬于可修復產(chǎn)品，因此根據(jù)前文中槍械平均壽命的估計值公式對79式?jīng)_鋒槍的平均壽命進行估計。根據(jù)祝玉平的《影響79式7.62mm輕型沖鋒槍壽命的原因分析研究》文章中針對79式?jīng)_鋒槍進行的132支79式?jīng)_鋒槍的壽命測試由試驗的結(jié)果計算平均壽命。

樣品總數(shù)為132，107支試驗到失敗，把壽命觀測數(shù)據(jù)分為8組，每組個數(shù)為不同失效形式的個數(shù)和全壽命的個數(shù)，以每組的壽命組中值作為該組樣品的工作時間。從統(tǒng)計表中找到槍機框壽命的中值為3 360發(fā)，共31組數(shù)據(jù)；擊針壽命的中值為4 929發(fā)，共13組數(shù)據(jù)；機心壽命的中值為5 000發(fā)，共24組數(shù)據(jù)；結(jié)套壽命的中值為5 000發(fā)，共19組數(shù)據(jù)；活塞壽命中值為3 314，共6組數(shù)據(jù)；機匣壽命中值為3 360，共5組數(shù)據(jù)；五個零件壽命的中值為4 000，共5組數(shù)據(jù)；限制片簧壽命中值為3 755發(fā)，共4組數(shù)據(jù)。

表1 79式7.62mm沖鋒槍壽命測試專項實驗統(tǒng)計

由主要構(gòu)件壽命的中值估計79式7.62mm沖鋒槍的平均壽命為：

根據(jù)79式7.62mm沖鋒槍的專項測試結(jié)果，通過相關(guān)公式進行計算，得出79式?jīng)_鋒槍的平均壽命為4251.8發(fā)。

4 79式7.62 mm沖鋒槍可靠度計算

FTA分析法是以系統(tǒng)不能正常工作（即總體故障）為分析的目標，通過分析總系統(tǒng)下屬的子系統(tǒng)是否出現(xiàn)故障、故障出現(xiàn)的原因，推斷系統(tǒng)內(nèi)所有子系統(tǒng)及部件可能存在的失效，通過整理總系統(tǒng)與子系統(tǒng)及部件間的關(guān)系，將總系統(tǒng)與子系統(tǒng)出現(xiàn)故障的聯(lián)系用樹狀圖表示出來的分析方法。

應(yīng)用FTA法79式7.62mm沖鋒槍的可靠性進行分析，結(jié)合南京理工大學祝玉平的《影響79式7.62mm輕型沖鋒槍壽命的原因分析研究》文章中132支79式7.62mm沖鋒槍的壽命測試的專項試驗結(jié)果及數(shù)據(jù)。對79式7.62mm沖鋒槍的可靠性進行分析及計算。

4.1 79式7.62mm沖鋒槍故障形式的樹狀圖

將79式?jīng)_鋒槍實驗中出現(xiàn)的故障形式，圖1～3所示。

圖1 機框故障樹狀圖

圖2 機心故障樹狀圖

圖3 機匣故障樹狀圖

4.2 79式7.62mm沖鋒槍的可靠度計算

79式7.62mm沖鋒槍的規(guī)定壽命為5 000發(fā)。槍械能夠完成規(guī)定功能的概率，一般記為R（t）。槍械不可靠度是指槍械在規(guī)定的條件下和規(guī)定的射彈數(shù)內(nèi)，未完成規(guī)定功能的概率，一般記為F（t）。因為完成規(guī)定功能與未完成規(guī)定功能是對立事件，因此：

假設(shè)N0個產(chǎn)品從0時刻開始在規(guī)定的條件下連續(xù)工作，r（t）表示時間從0到t產(chǎn)品累積失效個數(shù)，則從0到t時刻產(chǎn)品的累積失效概率為：

根據(jù)79式7.62mm沖鋒槍的專項實驗中各項機構(gòu)的故障統(tǒng)計表（表1）對各機構(gòu)的故障率進行計算可知，132支沖鋒槍在規(guī)定射擊條件射擊數(shù)不達5 000發(fā)的機框損壞有21件，擊針有8件，機心11件，結(jié)套8件，活塞6件，機匣5件，五個零件5件，限制片彈簧3件。

經(jīng)計算，單個機構(gòu)故障率分別為0.841，0.939，0.917，0.939，0.955，0.962，0.970，0.977。

則79式7.62mm沖鋒槍在射擊5 000發(fā)系統(tǒng)的可靠度為：

79式7.62mm沖鋒槍在規(guī)定射擊條件射擊數(shù)不達4 000發(fā)的機框損壞有19件，擊針有6件，機心5件，結(jié)套4件，活塞4件，機匣4件，五個零件4件，限制片彈簧1件。

因此79式?jīng)_鋒槍射擊4 000發(fā)的可靠度為：

圖4 可靠度曲線

圖5 故障率曲線圖

應(yīng)用機構(gòu)平均失效時間法，計算79式7.62mm沖鋒槍的單發(fā)可靠度。79式?jīng)_鋒槍由8個子系統(tǒng)串聯(lián)構(gòu)成，計算各子系統(tǒng)的平均失效時間。由專項實驗的故障統(tǒng)計表可知機框的平均失效時間為4 637發(fā)，擊針的平均失效時間為4 935發(fā)，機心平均失效時間為4 878發(fā)，結(jié)套平均失效時間為4 955發(fā)，活塞平均失效時間為4 921發(fā)，機匣平均失效時間為4 914發(fā)，五個零件的平均失效時間為4 970發(fā)，限制片彈簧平均失效時間為4 969發(fā)。則系統(tǒng)失效率為：

單發(fā)設(shè)計可靠度為：1－λ＝0.989；

平均失效時間為1／λ＝611.89≈612發(fā)；

即平均612發(fā)可能會出現(xiàn)一處故障。

5 結(jié)語

本文結(jié)合79式?jīng)_鋒槍壽命專項試驗結(jié)果，應(yīng)用FTA法分析了79式?jīng)_鋒槍的主要故障形式，并將各機構(gòu)的故障形式繪制成樹狀圖；以各機構(gòu)的故障統(tǒng)計表為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并對故障統(tǒng)計表中的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計計算，79式7.62mm的平均壽命為4251發(fā)；完成5 000發(fā)射擊的可靠度為0.529，完成4 000發(fā)射擊的可靠度為0.696；應(yīng)用平均失效時間法計算其單發(fā)可靠度為0.989，可能出現(xiàn)故障的時間間隔為612發(fā)。

以上說明79式7.62mm沖鋒槍具有很高的可靠度，計算結(jié)果符合真實情況，優(yōu)良的結(jié)構(gòu)設(shè)計仍是后續(xù)槍械設(shè)計的可靠參考方案。

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