火炮機械系統(tǒng)可靠性強化試驗方案探討

楊艷峰，鄭堅，狄長春，王東

（1.95856部隊，南京210028；2.軍械工程學(xué)院，石家莊050003；3.總參陸航研究所，北京101121）

火炮機械系統(tǒng)可靠性強化試驗方案探討

楊艷峰1，2，鄭堅2，狄長春2，王東3

（1.95856部隊，南京210028；2.軍械工程學(xué)院，石家莊050003；3.總參陸航研究所，北京101121）

目的嘗試將可靠性強化試驗理論引入其可靠性研究中，提高火炮機械系統(tǒng)的可靠性。方法首先分析可靠性強化試驗的發(fā)展動態(tài)及其應(yīng)用于機械系統(tǒng)的必要性，而后在對其理論依據(jù)進行分析的基礎(chǔ)上，明確火炮機械系統(tǒng)可靠性強化試驗研究的目的。結(jié)果依據(jù)火炮機械系統(tǒng)的主要失效模式，制定了包含機械工作原理分析等7個步驟的可靠性強化試驗方案，詳細分析了各環(huán)節(jié)的內(nèi)容及作用。結(jié)論研究結(jié)果為可靠性強化試驗在火炮機械系統(tǒng)中的應(yīng)用提供一定理論支撐。

火炮；機械系統(tǒng)；可靠性強化試驗

可靠性通常指設(shè)備或系統(tǒng)在其壽命期內(nèi)，在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi)完成規(guī)定任務(wù)的能力，而可靠性試驗是對產(chǎn)品的可靠性進行調(diào)查、分析和評價的一種手段，一般分為工程試驗和統(tǒng)計試驗兩大類[1]。工程試驗主要用于檢測零部件的缺陷、確定其使用壽命、實現(xiàn)可靠性增長。統(tǒng)計試驗的目的則是通過試驗驗證產(chǎn)品是否達到規(guī)定的可靠性要求。

由于傳統(tǒng)可靠性試驗存在周期長、效率低、耗費高等缺點，加之高可靠長壽命已經(jīng)成為重大系統(tǒng)或裝備的發(fā)展目標(biāo)，因此，傳統(tǒng)的可靠性試驗技術(shù)和方法已經(jīng)無法滿足這一需求。從20世紀(jì)80年代末開始，加速試驗技術(shù)的發(fā)展逐漸成為實現(xiàn)高可靠長壽命的有效手段。

可靠性強化試驗（RET）作為工程試驗，就是一種以激發(fā)故障為目的的新型加速應(yīng)力試驗技術(shù)方法，很好地彌補了傳統(tǒng)可靠性試驗技術(shù)在時間和經(jīng)費上不能與系統(tǒng)設(shè)計、研制需求相適應(yīng)的不足。與加速壽命試驗不同，RET不僅僅是通過施加遠大于技術(shù)條件規(guī)定的應(yīng)力而快速地進行試驗，而是在此基礎(chǔ)上開展故障或失效分析，并進行優(yōu)化和改進，來提高設(shè)備或系統(tǒng)的可靠性。

針對火炮機械零部件可靠性試驗周期長、效費比低的問題，筆者從火炮機械系統(tǒng)RET理論方面進行探索，力圖為火炮機械系統(tǒng)在設(shè)計或使用階段RET的實施提供有力的理論支撐。

1 RET研究動態(tài)

1.1 國內(nèi)外發(fā)展動態(tài)

目前，國外特別是美國、德國等發(fā)達國家已將RET技術(shù)廣泛應(yīng)用于交通、計算機、能源和軍事等領(lǐng)域[2—3]。一方面，國外為機械、電子工業(yè)部門提供設(shè)計制造和試驗服務(wù)的公司，如德國的TUV Provide Service、美國的QualMark等，將RET作為一種重要的可靠性保障服務(wù)提供給客戶[4]。另一方面，國外機械、電子、航空航天等行業(yè)的產(chǎn)品供應(yīng)商，如福特、惠普、波音等，已經(jīng)高度認識到RET在其產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性保障方面的重要性，把RET作為發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計缺陷、及時改進和優(yōu)化、提高產(chǎn)品質(zhì)量、贏得用戶和市場的重要技術(shù)手段。

由于國外對我國的技術(shù)封鎖，極大地限制了RET技術(shù)在國內(nèi)的發(fā)展。國內(nèi)在RET技術(shù)方面的研究與應(yīng)用比較晚。20世紀(jì)90年代初，一些學(xué)者通過對外訪問、技術(shù)交流等途徑了解到國外對加速試驗的重視。21世紀(jì)初國內(nèi)陸續(xù)發(fā)表了一些RET技術(shù)的介紹類、跟蹤研究類文章[5—6]。近幾年，隨著對RET技術(shù)發(fā)展和研究的深入，國內(nèi)開始了獨立探索和應(yīng)用[7—9]。

1.2 國內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，RET在我國從理論到試驗設(shè)備再到具體的實踐已經(jīng)得到一定的發(fā)展，尤其是電子類產(chǎn)品的可靠性強化試驗開展得較多[10—11]，其理論研究和應(yīng)用研究均比較完善。機械類產(chǎn)品的可靠性強化試驗開展得較少，應(yīng)用不太成熟。其主要原因是機械產(chǎn)品的壽命分布類型復(fù)雜和失效模式多樣，建立相應(yīng)的加速模型，進行數(shù)值模擬和試驗難度都很大，相關(guān)理論和技術(shù)還很欠缺；而且絕大多數(shù)機械產(chǎn)品不能使用常規(guī)的可靠性強化試驗設(shè)備，如高低溫循環(huán)試驗箱、多自由度振動試驗臺等，需要研制針對機械工作原理和失效形式的可靠性強化試驗設(shè)備。因此，針對不同的機械系統(tǒng)，研制開發(fā)相配套的可靠性強化試驗設(shè)備以及試驗技術(shù)具有緊迫性和必要性。

在軍用領(lǐng)域，RET技術(shù)尚未被人們普遍了解和接受，但在裝備可靠性研制試驗中可以采用加速應(yīng)力的方法，以縮短試驗周期，降低試驗費用?，F(xiàn)有文獻中，對RET在武器裝備上的應(yīng)用的報道相對較少。近幾年針對火炮機械系統(tǒng)具體機構(gòu)零部件也開展了RET研究的一些探索[12—14]，但還沒有針對機械系統(tǒng)如何開展RET提出一個通用的試驗方案。

2 RET理論依據(jù)

2.1 理論依據(jù)

RET技術(shù)的理論依據(jù)是故障物理學(xué)[15]，把故障和失效當(dāng)作主要研究對象，通過人為施加逐漸增大的環(huán)境應(yīng)力和工作應(yīng)力來主動激發(fā)產(chǎn)品故障和暴露產(chǎn)品設(shè)計中的薄弱環(huán)節(jié)，從而達到對產(chǎn)品設(shè)計缺陷盡早發(fā)現(xiàn)和修正的目的。

2.2 試驗?zāi)康姆治?/p>

RET以提高系統(tǒng)可靠性為目的而將激發(fā)的機制引入試驗中，進而縮短試驗時間，快速獲取系統(tǒng)可靠性特征。在產(chǎn)品設(shè)計研制過程中，RET越來越多地得到應(yīng)用，不僅增加了產(chǎn)品的固有可靠性，而且提高了可靠性試驗的效費比。對于已經(jīng)設(shè)計并投入生產(chǎn)使用的產(chǎn)品來說，由于設(shè)計和定型試驗階段僅將產(chǎn)品是否能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期功能作為試驗重點，所設(shè)計的產(chǎn)品工作應(yīng)力域度比較窄，而沒有將產(chǎn)品在壽命周期內(nèi)性能的良好性考慮在內(nèi)，由此造成的產(chǎn)品低可靠性直接影響產(chǎn)品的正常使用。因此，可以將RET應(yīng)用到已經(jīng)使用較長時間的產(chǎn)品可靠性研究中。

對于設(shè)計研制階段火炮機械系統(tǒng)而言，RET的目的就是為了提高系統(tǒng)的固有可靠性；而對于已經(jīng)定型使用的火炮來說，則是為了實現(xiàn)系統(tǒng)可靠性的增長。

3 火炮機械系統(tǒng)RET方案

火炮機械系統(tǒng)可靠性強化試驗，就是要通過一定的技術(shù)手段來加快零部件失效進程，縮短零部件可靠性試驗周期，短時間內(nèi)有效激發(fā)故障或暴露零部件設(shè)計和制造的薄弱環(huán)節(jié)，為零部件設(shè)計的改進和可靠性增長提供依據(jù)。對于火炮機械系統(tǒng)中的裝置或機構(gòu)而言，從其零部件自身來說，其失效機制主要為磨損和疲勞。磨損發(fā)生在兩個相互作用的零件表面，而疲勞則是由零件承受循環(huán)載荷作用不斷形成的，二者皆是一個逐漸累積的過程，直到失效，即零件壽命終結(jié)。據(jù)此，在前期研究[12]的基礎(chǔ)上，文中制定了火炮機械系統(tǒng)可靠性強化試驗方案，如圖1所示。主要包括：機械工作原理分析、機械失效機理分析、失效加速性驗證、RET技術(shù)研究、RET方案的制定和實施、強化試驗效果的評估、系統(tǒng)可靠性分析與增長研究等。

圖1 火炮機械系統(tǒng)可靠性強化試驗方案Fig.1 RET scheme of gun mechanical system

3.1 機械工作原理分析

在機械系統(tǒng)中，機構(gòu)或零部件的工作原理可以統(tǒng)稱為機械工作原理，是指機構(gòu)或零部件在所處系統(tǒng)中發(fā)揮其功能和完成任務(wù)的動作過程。這一工作過程是根據(jù)使用要求、技術(shù)條件及工作環(huán)境等情況，在機械產(chǎn)品設(shè)計時所擬定的來實現(xiàn)賦予產(chǎn)品的功能、性能及用途。因此，對于一個機械系統(tǒng)，弄清機構(gòu)或零部件的工作原理也就明確了機械的設(shè)計本質(zhì)，這是在實施可靠性強化試驗之前需要做的基礎(chǔ)性工作。

3.2 機械失效機理分析

機械的失效機理指機構(gòu)或零部件失去其自身功能用途的原因[16]。失效機理是導(dǎo)致失效的物理、化學(xué)、熱力學(xué)或其他過程的表征。該過程是不同形式的應(yīng)力作用在部件上造成零件局部損傷或整體性能的下降，最終導(dǎo)致機構(gòu)甚至整個系統(tǒng)的功能喪失，即失效。對于火炮機械系統(tǒng)來說，磨損和疲勞是常見的失效機理，那么，機械失效機理分析就是要明確零部件失效的原因及其表征，為RET的可行性分析和具體試驗技術(shù)研究提供依據(jù)。

3.3 失效加速性驗證

機械失效是否具有加速性是可靠性強化試驗應(yīng)用于火炮機械系統(tǒng)的可行性直觀地表征，也可以描述為火炮機械系統(tǒng)是否具有強化試驗的可能性。對于一個失效過程不具備加速性的機械系統(tǒng)，也就不適合進行可靠性強化試驗。在失效機理明確的前提下，要考慮系統(tǒng)中機械零部件的工作應(yīng)力是否可以強化，強化應(yīng)力的實現(xiàn)是否容易等，尋求并建立適用于該機械強化試驗的理論依據(jù)和實現(xiàn)方法。

3.4 強化試驗技術(shù)確定

在分析確定了機械失效具有加速性的前提下，需要對機械失效機理做進一步分析，研究影響機械失效的因素以及可以改變這些因素的途徑和方法，進而確定相應(yīng)的強化試驗技術(shù)。例如，在火炮炮閂中，擋彈板軸和撥動軸是磨損導(dǎo)致失效的兩相互作用零件，彼此之間的作用強度是決定磨損進程的因素之一，為加快失效可以從改變試驗機構(gòu)的作用強度上來研究確定強化試驗技術(shù)。

3.5 強化試驗實施

強化試驗的實施包括試驗方案的制定和具體的實施過程。在確定了強化試驗的技術(shù)后，依據(jù)研究任務(wù)制定強化試驗方案的具體實施過程，主要包括以下內(nèi)容。

1）試驗前準(zhǔn)備。主要包括試驗場地的確定及環(huán)境條件的標(biāo)定，試驗對象的選取，試驗設(shè)備的檢查和調(diào)試等。

2）強化應(yīng)力的施加。指強化試驗應(yīng)力的選取和應(yīng)力水平的確定，以及施加的方式。

3）試驗數(shù)據(jù)的采集。為了研究火炮機械系統(tǒng)各零部件在退化失效過程中的動態(tài)特性，需要在試驗中對相關(guān)指標(biāo)進行測量。

3.6 強化試驗效果評估

為評估強化應(yīng)力下試驗效果，引入強化系數(shù)的概念，即將強化應(yīng)力下的試驗結(jié)果與正常應(yīng)力下的試驗結(jié)果相比。對于強化系數(shù)小即強化試驗效果不明顯，且還未達到極限應(yīng)力的，可以及時地提高強化應(yīng)力水平。

對于火炮機械系統(tǒng)強化試驗而言，強化系數(shù)計算的內(nèi)容因零部件失效模式不同而有所區(qū)別。如磨損失效零部件，其表面在磨損后會出現(xiàn)犁溝或凹坑等磨損形式，且會產(chǎn)生磨屑，故可以將零部件磨損量的多少作為評估不同應(yīng)力水平下強化效果的指標(biāo)。疲勞失效零部件則可以將損傷量或疲勞壽命作為衡量強化效果的指標(biāo)。當(dāng)疲勞失效強化試驗以壽命作為強化效果判別依據(jù)時，不同的機械系統(tǒng)零部件壽命的定義不同。如火炮行走系統(tǒng)，由于工作的連續(xù)性，機械零部件的壽命主要以行駛里程來衡量；而炮閂系統(tǒng)則以機構(gòu)在失效前完成的動作次數(shù)來衡量。

3.7 可靠性分析與增長

通過對強化試驗得到的數(shù)據(jù)進行處理，分析機械零部件的失效規(guī)律，確定火炮機械系統(tǒng)零部件的可靠性特征。對可靠性未能滿足實際工況的薄弱環(huán)節(jié)進行改進。在不改變零部件完成規(guī)定設(shè)計動作的前提下，尋求固有可靠性增加的方法和途徑，如零部件制造工藝優(yōu)化、外形的重新設(shè)計等。改進后再進行強化試驗，驗證零件可靠性是否增加，直到可靠性達到最佳狀態(tài)。

火炮機械系統(tǒng)改進應(yīng)當(dāng)遵從以下原則：機械的改進必須確保所賦予任務(wù)的完成，不能改變設(shè)計任務(wù)；改進應(yīng)當(dāng)在經(jīng)濟可承受的范圍之內(nèi)，實現(xiàn)效費比最優(yōu)。

總之，在火炮機械系統(tǒng)RET中，強化試驗技術(shù)的確定是整個試驗的關(guān)鍵，工作原理和失效機理分析是基礎(chǔ)，加速性驗證是前提，強化試驗效果評估是對試驗可行性的衡量。

4 結(jié)語

文中分析了RET發(fā)展動態(tài)和火炮機械系統(tǒng)RET研究的必要性。依據(jù)RET理論，明確了火炮機械系統(tǒng)RET研究的目的，并結(jié)合火炮機械系統(tǒng)零部件失效的特點，制定了適合于火炮機械系統(tǒng)的RET方案。火炮機械系統(tǒng)RET研究有助于提高火炮裝備可靠性試驗水平，節(jié)約設(shè)計費用，縮短研制周期，實現(xiàn)系統(tǒng)固有可靠性增長。

[1]張敏.可靠性試驗與環(huán)境試驗的關(guān)系[J].防化研究，2007，（3）：61—64. ZHANG Min.The Relation between Reliability Testing and Environment Testing[J].Chemical and Biological Defense，2007，（3）：61—64.

[2]SILVERMAN M.Summary of HALT and HASS Results at an Accelerated Reliability Test Center[C]//Proceedings of Annual Reliability and Maintainability Symposium.Santa Clara：QualMark Corporation，1998：30—36.

[3]JONATHAN L P，ERIK K R.Highly Accelerated Life Testing of Base-metal-electrode Ceramic Chip Capacitors[J].Microelectronics Reliability，2002，42（6）：815—820.

[4]溫熙森，陳循，張春華，等.可靠性強化試驗理論與應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2007. WEN Xi-sen，CHEN Xun，ZHANG Chun-hua，et al.Theory and Application of Reliability Enhancement Testing[M].Beijing：Science Press，2007.

[5]陳循，陶俊勇，張春華.可靠性強化試驗與加速壽命試驗綜述[J].國防科技大學(xué)學(xué)報，2002，24（4）：29—32. CHEN Xun，TAO Jun-yong，ZHANG Chun-hua.Reliability Enhancement Testing and Accelerated Life Testing：An Introductory Review[J].Journal of National University of Defense Technology，2002，24（4）：29—32.

[6]蔣培，陳循，張春華，等.可靠性強化試驗技術(shù)綜述[J].強度與環(huán)境，2003，30（1）：59—64. JIANG Pei，CHEN Xun，ZHANG Chun-hua，et al.Reliability Enhancement Testing[J].Structure&Environment Engineering，2003，30（1）：59—64.

[7]姜海勛，葉建華，李志強.可靠性強化試驗技術(shù)在全壓智能探頭研制中的應(yīng)用[J].裝備環(huán)境工程，2013，10（6）：140—145. JIANG Hai-xun，YE Jian-hua，LI Zhi-qiang.Application ofReliability Enhancement Testing in the Development of Airborne Pressure Probe[J].Equipment Environmental Engineering，2013，10（6）：140—145.

[8]張仰平，卓繼志，李興林，等.ABLT-7型帶座外球面軸承壽命及可靠性強化試驗機[J].軸承，2009（12）：48—50. ZHANG Yang-ping，ZHUO Ji-zhi，LI Xing-lin，et al.Life of ABLT-7 Insert Bearing with Housing and Reliability Enhancement Testing Machine[J].Bearing，2009（12）：48—50.

[9]趙帥帥，姚軍.某型滑油溫度傳感器的可靠性強化試驗[J].裝備環(huán)境工程，2012，9（1）：34—38. ZHAO Shuai-shuai，YAO Jun.Reliability Enhancement Test of Lubrication Oil Temperature Sensor[J].Equipment Environmental Engineering，2012，9（1）：34—38.

[10]易難，吳鳳鳳.某型電源裝置可靠性強化試驗條件與方案研究[J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗，2008，26（1）：41—44. YI Nan，WU Feng-feng.The Research of Reliability Enhancement Test Conditions and Its Plan for a Power System[J]. Electronic Product Reliability and Environmental Testing，2008，26（1）：41—44.

[11]何榮華，張亞，李波，等.軍用電子元件的可靠性強化試驗方案研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2009，9（18）：5460—5464. HE Rong-hua，ZHANG Ya，LI Bo，et al.Research Program of Reliability Enhancement Test about Military Electronic Components[J].Science Technology and Engineering，2009，9（18）：5460—5464.

[12]楊艷峰，鄭堅，狄長春，等.某型炮閂系統(tǒng)關(guān)重件可靠性強化試驗仿真研究[J].火炮發(fā)射與控制學(xué)報，2011（4）：9—12 YANG Yan-feng，ZHENG Jian，DI Chang-chun，et al.Simulation and Research of Reliability Enhancement Testing about the Key Components of the Breech System[J].Journal of Gun Launch&Control，2011（4）：9—12.

[13]萬龍，馬吉勝，郝大海，等.某型軍用履帶車輛行駛強化試驗仿真技術(shù)研究[J].軍械工程學(xué)院學(xué)報，2008，20（5）：22—25. WAN Long，MA Ji-sheng，HAO Da-hai，et al.Simulation Research on Intensified Driving Test of Tracked Vehicle[J].Journal of Ordnance Engineering College，2008，20（5）：22—25.

[14]金朝，秦俊奇，狄長春，等.某輸彈機疲勞失效構(gòu)件可靠性強化試驗仿真研究[J].火炮發(fā)射與控制學(xué)報，2011（4）：9—12. JIN Zhao，QIN Jun-qi，DI Chang-chun，et al.Simulation and Research on Reliability Testing of Ramming Mechanism Component[J].Journal of Gun Launch&Control，2011（4）：9—12.

[15]劉加凱，齊杏林，范志鋒.可靠性強化試驗的機理探析[J].裝備環(huán)境工程，2009，6（6）：36—38. LIU Jia-kai，QI Xing-lin，F(xiàn)AN Zhi-feng.Analysis of Reliability Enhancement Testing Mechanism[J].Equipment Environmental Engineering，2009，6（6）：36—38.

[16]孫智，江利，應(yīng)鵬展.失效分析[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005. SUN Zhi，JIANG Li，YING Peng-zhan.Failure Analysis[M]. Beijing：China Machine Press，2005.

Discussion on Reliability Enhancement Test Scheme of Gun Mechanical Systems

YANG Yan-feng1，2，ZHENG Jian2，DI Chang-chun2，WANG Dong3
（1.The Unit 95856，Nanjing 210028，China；2.Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China；3.Army of Aviation Institute，Beijing 101121，China）

Objective To enhance the reliability of the gun mechanical systems by introducing the theory of reliability enhancement test into its reliability research.Methods At first,the development dynamics of reliability enhancement test and its necessity of application in gun mechanical systems were analyzed.Then based on analysis of theoretical evidence for reliability enhancement test technologies,the research purpose of reliability enhancement test on gun mechanical systems was clarified.Results According to the major failure modes of gun mechanical system,a reliability enhancement test scheme including 7 steps such as analysis of mechanical working principle etc was instituted.The content and function of each step in the scheme were analyzed in detail.Conclusion The research results could provide theoretical support for application of reliability enhancement test in gun mechanical systems.

gun；mechanical system；reliability enhancement test

10.7643/issn.1672-9242.2016.02.024

TJ303；TB302.3

：A

1672－9242（2016）02－0134-05

2015-09-18；

2015-10-21

Received：2015-09-18；Revised：2015-10-21

楊艷峰（1988—），男，河北張北人，博士研究生，主要研究研究方向為武器系統(tǒng)可靠性與試驗技術(shù)。

Biography：YANG Yan-feng（1988—），Male，from Zhangbei，Hebei，Doctoral candidate，Research focus：reliability and test technology of weapon system.