某產(chǎn)品峰值壓力和時(shí)間超差分析

摘 要：某產(chǎn)品在驗(yàn)收試驗(yàn)P-t發(fā)火輸出過(guò)程中，出現(xiàn)峰值壓力和時(shí)間超差的現(xiàn)象。通過(guò)理論分析、故障排查和試驗(yàn)驗(yàn)證，最終找出了峰值壓力和時(shí)間超差的原因。

關(guān)鍵詞：P-t發(fā)火輸出；峰值壓力和時(shí)間；超差；原因

某產(chǎn)品進(jìn)行P-t發(fā)火輸出試驗(yàn)時(shí)， 其中一發(fā)產(chǎn)品P-t曲線形狀出現(xiàn)異常，峰值壓力降低及峰壓時(shí)間增長(zhǎng)，峰值壓力及時(shí)間分別為5.2MPa和50.2ms（如圖1），正常曲線見(jiàn)圖2。由于發(fā)火輸出試驗(yàn)的結(jié)果對(duì)考核產(chǎn)品的性能穩(wěn)定性及可靠性具有重要作用。因此，必須找出產(chǎn)品P-t曲線異常的原因。首先應(yīng)對(duì)產(chǎn)品P-t曲線測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行全面排查，分析是否是測(cè)試原因造成峰值壓力及峰壓時(shí)間均超差。

1 P-t曲線測(cè)試影響因素分析

產(chǎn)品P-t曲線測(cè)試系統(tǒng)由密閉爆發(fā)器、壓電晶體傳感器、電荷放大器、數(shù)字示波器、脈沖發(fā)生器及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等部分組成，產(chǎn)品在密閉爆發(fā)器中進(jìn)行定容燃燒，壓力不斷增加，壓力傳感器將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成電荷信號(hào)，通過(guò)電荷放大器將電荷信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，由數(shù)據(jù)采集卡（瞬態(tài)記錄儀）采集，再經(jīng)計(jì)算機(jī)程序轉(zhuǎn)換處理，得到燃燒過(guò)程的壓力-時(shí)間曲線（即p-t曲線）。

根據(jù)產(chǎn)品P-t曲線測(cè)試系統(tǒng)的工作原理分析，引起產(chǎn)品峰值壓力和時(shí)間超差可能會(huì)有兩種情況，其一，測(cè)試系統(tǒng)儀器本身異常；其二，在P-t曲線測(cè)試過(guò)程中人為操作失誤。從這兩種可能的情況主要分析了三個(gè)部分的問(wèn)題：

（1）對(duì)試驗(yàn)所使用的傳感器、電荷放大器、脈沖發(fā)生器、示波器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等儀器的性能是否完好進(jìn)行檢查。

（2）對(duì)發(fā)火電流、傳感器靈敏度、電荷放大器的參數(shù)設(shè)置的檢查。

（3）對(duì)產(chǎn)品測(cè)壓容器的容積、密封性和容腔是否干燥的檢查。建立測(cè)試系統(tǒng)故障樹(shù)如圖3。

2 故障排查及定位

2.1 測(cè)試系統(tǒng)儀器本身異常

2.1.1 傳感器異常

（1）傳感器性能異常。試驗(yàn)所使用的傳感器在計(jì)量與檢定周期內(nèi)。在產(chǎn)品P-t曲線出現(xiàn)異常后，對(duì)所用傳感器進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定，結(jié)果顯示傳感器靈敏度值準(zhǔn)確，線形度良好。因此，可以排除傳感器性能差引起曲線異常的可能。

（2）傳感器孔暢通性異常。針對(duì)產(chǎn)品峰值壓力降低的現(xiàn)象，可能是產(chǎn)品發(fā)火后產(chǎn)生的殘?jiān)氯麄鞲衅骺?。針?duì)這個(gè)原因，我們首先對(duì)產(chǎn)品發(fā)火后的殘?jiān)M(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)發(fā)火后產(chǎn)生的殘?jiān)c其它正常的并沒(méi)有明顯的不同，無(wú)論從殘?jiān)臄?shù)量和尺寸的大小，都與正常的一致。從拆卸下來(lái)的測(cè)壓容器檢查來(lái)看，傳感器孔位置并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)有堵塞的殘?jiān)榱诉M(jìn)一步驗(yàn)證殘?jiān)鼘?duì)傳感器孔的堵塞問(wèn)題，用3發(fā)產(chǎn)品進(jìn)行了試驗(yàn)，用同一個(gè)容器，在不進(jìn)行任何清理的情況下連續(xù)試驗(yàn)，所試的3發(fā)產(chǎn)品P-t曲線均正常，而且試驗(yàn)過(guò)程未發(fā)現(xiàn)有傳感器孔堵塞的現(xiàn)象。因此，排除了傳感器孔堵塞的可能。

2.1.2 電荷放大器異常

試驗(yàn)所使用的電荷放大器在計(jì)量與檢定周期內(nèi)。在產(chǎn)品P-t曲線出現(xiàn)異常后，用該套測(cè)試設(shè)備對(duì)同批的一發(fā)裝入清理干凈的測(cè)壓容器內(nèi)的產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果符合要求。因此，可以排除電荷放大器性能異常引起曲線異常。

2.1.3 發(fā)火電流異常

在產(chǎn)品P-t曲線出現(xiàn)異常后，對(duì)整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行檢查，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)線路上有短路分流的情況，用該套測(cè)試設(shè)備對(duì)同批的一發(fā)裝入清理干凈的測(cè)壓容器內(nèi)的產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果符合要求。因此，可以排除發(fā)火電流分流引起曲線異常的可能。

2.1.4 測(cè)壓容器密封性差

如果容器密封性差，產(chǎn)品在容器中發(fā)火時(shí)會(huì)出現(xiàn)漏氣，造成產(chǎn)品峰值壓力偏低。試驗(yàn)前傳感器和產(chǎn)品均用試驗(yàn)工藝要求的力矩扳手旋緊，在產(chǎn)品P-t曲線出現(xiàn)異常后，將產(chǎn)品從容器中取出，產(chǎn)品上裝有工藝要求尺寸的紫銅墊圈，在剛打開(kāi)容器的壓蓋時(shí)，就聽(tīng)見(jiàn)有氣體排出的聲音，說(shuō)明容器密封性良好。又將一發(fā)產(chǎn)品裝入容器內(nèi)，傳感器和產(chǎn)品均不用扭力扳手旋緊，結(jié)果顯示壓力曲線形狀和正常壓力曲線的形狀基本一致，只是壓力降低，時(shí)間正常。因此，我們排除了容器密封性差引起曲線異常的可能。

2.2 人為操作不當(dāng)

2.2.1 各設(shè)備試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置錯(cuò)誤

在產(chǎn)品P-t曲線出現(xiàn)異常后，檢查發(fā)火電流、傳感器靈敏度、電荷放大器的參數(shù)設(shè)置均與摸底和試生產(chǎn)時(shí)設(shè)置一致，未發(fā)現(xiàn)有設(shè)置錯(cuò)誤的情況，在產(chǎn)品P-t曲線出現(xiàn)異常后，用該套測(cè)試設(shè)備對(duì)同批的一發(fā)裝入清理干凈的測(cè)壓容器內(nèi)的產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果符合要求。因此，我們可以排除試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置錯(cuò)誤引起曲線異常的可能。

2.2.2 測(cè)壓容器的使用錯(cuò)誤

如果測(cè)壓容器容積大于技術(shù)條件的規(guī)定，則可能會(huì)造成產(chǎn)品峰值壓力偏低。在摸底和試生產(chǎn)時(shí)對(duì)使用的測(cè)壓容器進(jìn)行了編號(hào)和容積滴定。在產(chǎn)品P-t曲線出現(xiàn)異常后，檢查了容器，發(fā)現(xiàn)與摸底和試生產(chǎn)使用的是同一容器，并再次對(duì)其容積進(jìn)行了滴定，測(cè)壓容器容積符合公差要求。因此，排除了測(cè)壓容器使用錯(cuò)誤，容積偏大造成產(chǎn)品峰值壓力偏低的可能。

2.2.3 測(cè)壓容器容腔內(nèi)有水潮濕

在試驗(yàn)工藝中規(guī)定了每一發(fā)產(chǎn)品發(fā)火后必須先清理測(cè)壓容器容腔內(nèi)的殘?jiān)?，然后用清水洗干凈，最后用棉紗或衛(wèi)生紙擦拭干凈并用吹風(fēng)機(jī)吹干，方可用于下一發(fā)產(chǎn)品試驗(yàn)。針對(duì)試驗(yàn)中要求用水清洗測(cè)壓容器容腔的規(guī)定，同時(shí)結(jié)合異常曲線的形狀，可能是操作人員遺漏了將用水洗過(guò)的測(cè)壓容器容腔進(jìn)行清理吹干，從而引起了產(chǎn)品P-t曲線的異常。

針對(duì)這個(gè)原因，做了相應(yīng)的驗(yàn)證試驗(yàn)，所試的6發(fā)產(chǎn)品P-t曲線均出現(xiàn)異常的現(xiàn)象，而且曲線的形狀和趨勢(shì)均與故障曲線相同。因此，產(chǎn)品P-t曲線出現(xiàn)異常正是由于測(cè)壓容器用水清洗后容腔內(nèi)水分未清理干凈，容腔潮濕造成的。

3 機(jī)理分析

通過(guò)造成曲線異常原因的逐一排查，最終發(fā)現(xiàn)是由于測(cè)壓容器容腔用水清洗后未清干，容腔內(nèi)有水造成容腔潮濕，從而導(dǎo)致曲線異常。在P-t曲線試驗(yàn)過(guò)程中，產(chǎn)品的作用過(guò)程是：測(cè)試系統(tǒng)給產(chǎn)品供電，產(chǎn)品橋絲發(fā)熱，到一定燃燒點(diǎn)，藥燃燒，產(chǎn)生高壓高熱氣體，使產(chǎn)品發(fā)火爆炸，由于測(cè)壓容器內(nèi)有少量的水液存在，溫度比高壓高熱氣體要低很多，這時(shí)容腔內(nèi)殘留的水就成了吸熱的介質(zhì)。

根據(jù)公式：

Q=cm△t （1）

Q：熱量J；

C：水的比熱容4.2×103J/[kg×℃]；

m：水的質(zhì)量kg；

△t：變化的溫度℃。

可以得出水吸收的熱量為：Q吸=c水m水△t1

假設(shè)在測(cè)壓容器容腔內(nèi)干燥情況下藥燃燒產(chǎn)生熱量為Q1，那么在測(cè)壓容器容腔內(nèi)有水狀態(tài)下，總熱量

Q2=Q1-Q吸=c燃?xì)鈓燃?xì)狻鱰2 （2）

由根據(jù)公式（2）得出測(cè)壓容器容腔內(nèi)有水狀態(tài)下，藥燃燒后熱量減少，溫度降低。

在密閉爆發(fā)器實(shí)驗(yàn)中，火藥氣體具有高溫高壓的性質(zhì)，p、T與比容w之間的函數(shù)關(guān)系不能用理想氣體狀態(tài)方程pV=nRT來(lái)表示，必須采用真實(shí)氣體狀態(tài)方程，常用的是范德瓦爾（Van der wals）方程；

（p+■）（w-？琢）=RT （3）

式中，a：反映分子間的吸引力的物理量；

α：余容；

R：氣體常數(shù)；

w：氣體比容。

由于氣體的溫度很高，分之間的吸引力很小，故式中a/w2項(xiàng)可以忽略不計(jì)，于是范德瓦爾（Van der waals）方程可以簡(jiǎn)化為：

p（w-α）=RT （4）

根據(jù)公式（4） 得出P與T成正比，根據(jù)公式（2）藥燃燒后熱量減少，溫度降低，結(jié)合公式（4）和公式（2）可以得出：溫度降低時(shí)，壓強(qiáng)變小，所以產(chǎn)品峰值壓力降低。

因?yàn)闇y(cè)壓容器內(nèi)有水液存在，藥與水接觸的面吸濕受潮，延遲藥完全燃燒時(shí)間，同時(shí)藥燃燒面積減少。

根據(jù)公式：r=△l/△t （5）

式中， r：燃速；

△l：燃燒距離；

△t：燃燒時(shí)間。

由公式（5）可以看出：當(dāng)藥燃燒面積減少，燃燒時(shí)間延長(zhǎng)的情況下，藥本身的燃速必然減緩，所以曲線上升段平緩，峰壓時(shí)間延長(zhǎng)。

4 故障復(fù)現(xiàn)

在明確了故障機(jī)理后，進(jìn)行了相關(guān)的驗(yàn)證試驗(yàn)，同時(shí)也讓故障得以復(fù)現(xiàn)。首先用3發(fā)產(chǎn)品進(jìn)行P-t曲線試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)時(shí)，測(cè)壓容器均用水清洗，但容腔不進(jìn)行擦拭吹干處理，直接進(jìn)行產(chǎn)品的裝配和發(fā)火。試驗(yàn)結(jié)果顯示：產(chǎn)品P-t曲線均明顯出現(xiàn)異常，其后，又用3發(fā)與異常曲線產(chǎn)品同批生產(chǎn)的產(chǎn)品進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果顯示：產(chǎn)品P-t曲線也出現(xiàn)了與異常曲線相同的曲線形狀。

我們將測(cè)壓容器容腔清洗干凈，用衛(wèi)生紙擦拭干凈并用吹風(fēng)機(jī)吹干之后，又用與該產(chǎn)品同批的6發(fā)產(chǎn)品進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)6發(fā)產(chǎn)品的曲線完全正常，峰值壓力和時(shí)間數(shù)據(jù)符合技術(shù)要求。

由驗(yàn)證試驗(yàn)可以看出將測(cè)壓容器容腔清洗干凈，用衛(wèi)生紙擦拭干凈并用吹風(fēng)機(jī)吹干之后，產(chǎn)品的峰值壓力和時(shí)間值以及曲線走勢(shì)均恢復(fù)正常。

5 結(jié)束語(yǔ)

從故障復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)過(guò)程來(lái)看，在測(cè)壓容器容腔內(nèi)有少量水液存在的情況下，均出現(xiàn)了與異常的產(chǎn)品P-t曲線現(xiàn)象相同的情況，其出現(xiàn)的機(jī)率為100%，這足以證明，故障機(jī)理分析和故障定位完全正確，故障曲線被完全復(fù)現(xiàn)出來(lái)。由此可見(jiàn)：在以后的產(chǎn)品峰值壓力和時(shí)間測(cè)試試驗(yàn)中，必須將測(cè)壓容器容腔清洗干凈后，用棉紗或衛(wèi)生紙擦拭干凈并用吹風(fēng)機(jī)吹干才能使用。

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作者簡(jiǎn)介：李玲（1980.8-），女，工程師，本科，從事環(huán)境可靠性測(cè)試工作。