引信磁流變液解除保險機構貯存壽命評估方法

胡明，王炅，吳小瑯

（南京理工大學機械工程學院，江蘇南京210094）

引信磁流變液解除保險機構貯存壽命評估方法

胡明，王炅，吳小瑯

（南京理工大學機械工程學院，江蘇南京210094）

針對引信磁流變液解除保險機構貯存后使用的安全性和可靠性問題，提出一種貯存壽命評估方法，并對其進行壽命評估。通過貯存穩(wěn)定性實驗，分析在惡劣環(huán)境下存貯對磁流變液的屈服應力和黏度的影響以及對引信磁流變液解除保險機構的性能影響。實驗結果表明長時間的高溫會導致磁流變液中的鐵磁顆粒沉降團聚，說明高溫可加速引信磁流變液解除保險機構失效；通過建立貯存壽命加速模型，提出適用于引信磁流變液解除保險機構貯存壽命的評估方法；采用這種評估方法對引信磁流變液解除保險機構在正常貯存條件下的可靠貯存壽命進行評估。評估結果表明：引信磁流變液解除保險機構的可靠貯存壽命為15.2 a，具有較好的貯存性能，滿足引信的可靠性和安全性要求。

兵器科學與技術；引信；磁流變液；解除保險機構；貯存；失效；壽命評估方法

0　引言

磁流變液是近幾十年里迅速發(fā)展的一種智能材料，它是由高磁導率、低磁滯性的微小軟磁性顆粒和非導磁性液體混合而成的懸浮體。在無磁場時，它有很好的流動性和牛頓流體特性；在外加磁場時，呈現(xiàn)類固體狀態(tài)，有一定的流動性和非牛頓流體特性，并且磁場引起的這種變化是可逆的。磁流變液的這種特性使其具有廣泛的工程和軍事應用前景［1-3］，可應用于前沖炮的反后坐裝置、車輛懸架、飛機擺振控制的減擺器、引信磁流變液解除保險機構等。

引信磁流變液解除保險機構［3］是一種新型的延期解除保險機構，該機構通過后坐力卸載外加磁場來實現(xiàn)磁流變液的固體與液體（簡稱固液）轉變，從而實現(xiàn)機構從保險狀態(tài)到待發(fā)狀態(tài)的轉變；在炮彈飛行過程中，磁流變液在離心力的作用下從小孔中泄流，實現(xiàn)延期解除保險的目的?？梢?，磁流變液對該引信機構的影響甚大。

彈藥在戰(zhàn)時消耗量極大，因此在和平時期要有足夠的儲備。引信作為彈藥的關鍵部件，在貯存過程中會受到環(huán)境應力的影響，它的性能必然會發(fā)生一定的變化，引信是否滿足其貯存要求，是人們十分關注的問題。一般要求引信適應溫度范圍為-45℃～70℃［4］，貯存年限在15 a到20 a后，各項性能仍應合乎要求。為此，許多學者對引信貯存壽命進行了研究，段亦彬［5］基于Matlab軟件算法對引信壽命進行了預測，彭志凌等［6］基于加速壽命實驗對引信貯存壽命進行了評估，朱洪濤等［7］基于系統(tǒng)間相似方法對引信貯存壽命進行了評估，申爭光等［8］提出了彈上設備加速壽命實驗中加速因子的估計方法。保險機構是引信的重要組成部分，它的貯存壽命關系著引信的貯存壽命。對于引信磁流變液解除保險機構，磁流變液是其貯存易損部件，這和其他引信的貯存易損部件不同，所以以上對引信壽命評估的方法不一定適用于引信磁流變液解除保險機構。為此，提出一種適用于引信磁流變液解除保險機構的貯存壽命評估方法并對其進行壽命評估。

1　引信磁流變液解除保險機構的貯存穩(wěn)定性

1.1引信磁流變液解除保險機構貯存穩(wěn)定性實驗

磁流變液是引信磁流變液解除保險機構的貯存易損部件，黏度和屈服應力是磁流變液的主要兩個特性，若磁流變液的黏度和屈服應力在貯存一定時間后有較大變化，將直接影響引信磁流變液解除保險機構的可靠性和安全性，所以應從磁流變液的黏度和屈服應力方面，研究引信磁流變液解除保險機構貯存壽命評估方法。高低溫環(huán)境對磁流變液的黏度和屈服應力會有一定影響［9-10］，但經過長時間的高低溫環(huán)境實驗后，磁流變液性能是否會有不可逆變化，需進一步研究。實驗采用HSLH/P-100型高低溫交變濕熱試驗箱進行，研究長時間的極端溫度對引信解除保險機構專用磁流變液的屈服應力和黏度的影響以及對引信磁流變液解除保險機構性能的影響，從而建立引信磁流變液解除保險機構貯存壽命加速模型。

在實驗開始之前，采用NXS-11B型旋轉黏度計對磁流變液進行特性測量，然后密封好所有實驗試件并放入實驗箱中。將引信專用磁流變液在溫度變化條件下放置28 d（包括兩個14 d的循環(huán)），即70℃和-45℃的極限條件下交替放置，并具有95％相對濕度。實驗結束后，把實驗試件在常溫下靜止2 h，用旋轉黏度計測試磁流變液的黏度和屈服應力變化情況，并分析懸浮相的電子顯微形貌。

1.2貯存穩(wěn)定性實驗對磁流變液黏度的影響

經過貯存穩(wěn)定性實驗后，磁流變液的黏度隨剪切速率變化曲線如圖1和圖2所示。圖1為在70℃經過14 d后磁流變液（1號～5號樣品）的黏度-剪切速率特性曲線，圖2為在70℃和-45℃交替放置28 d后磁流變液（6號～10號樣品）的黏度-剪切速率特性曲線。

圖1　經過高溫后磁流變液的黏度-剪切速率特性曲線Fig.1 Characteristic curves of viscosity and shear rate of the magnetorheological fluid after high temperature experiment

從圖1和圖2可以看出:1）經過貯存穩(wěn)定性實驗的磁流變液基本保持原有的黏度特性；2）經過貯存穩(wěn)定性實驗的磁流變液的黏度整體變低，黏度平均降低5％；3）在低剪切速率下，磁流變液的黏度降低程度較大，黏度變化可達20％，在較高剪切速率下，黏度的降低程度較小，黏度變化為2％；4）經過高低溫后與高溫后的磁流變液黏度相對比，發(fā)現(xiàn)磁流變液的黏度基本無變化，說明較長時間的低溫不會對磁流變液的黏度造成不可逆變化。其原因是:引信解除保險機構專用磁流變液在長時間的惡劣環(huán)境作用下，其內部結構遭到了破壞，使磁流變液更加容易發(fā)生沉降團聚，從而使磁流變液的黏度降低；鐵磁顆粒在加入基液之前，一般呈團聚狀態(tài)，由于相互沖擊或摩擦導致鐵磁顆粒表面存在大量的正負電荷，在加入基液后，鐵磁顆粒分散在基液中，處于極不穩(wěn)定的狀態(tài)。在高溫條件下，布朗運動加劇促使鐵磁顆粒相互碰撞而團聚，長時間的作用會導致鐵磁顆粒團聚沉降，導致鐵磁顆粒直徑變相增大，從而使磁流變液黏度降低，在高剪切速率下，這種沉降團聚狀態(tài)會受到一定的破壞，使得測得的黏度變化較小。

圖2　經過高低溫后磁流變液的粘度-剪切速率特性曲線Fig.2 Characteristic curves of viscosity and shear rate of the magnetorheological fluid after high and low temperature experiments

對于引信磁流變液解除保險機構，磁流變液的黏度關系著該機構的可靠性，在炮彈飛行過程中磁流變液受到很大的離心力作用，導致磁流變液泄流時的剪切速率遠遠大于100 s-1.可見，經過貯存穩(wěn)定性實驗后磁流變液的黏度變化低于2％，根據磁流變液泄流時間計算公式［11］:

式中:Rb為液筒半徑；l為磁流變液長度；r為泄流孔半徑；ρ為磁流變液密度；μ為磁流變液黏度；F為平均離心力。按文獻［12］中某火炮彈道參數為例，當磁流變液黏度降低2％，會導致延期解除保險時間降低約2％.可見，高溫會對引信磁流變液解除保險機構的可靠性造成永久性的影響，當引信磁流變液解除保險機構長時間處于高溫環(huán)境下時，會使其失效。

1.3貯存穩(wěn)定性實驗對磁流變液屈服應力的影響

經過貯存穩(wěn)定性實驗后，磁流變液剪切應力隨剪切速率變化曲線如圖3和圖4所示。圖3為在70℃條件下放置14 d后磁流變液（11號～15號樣品）的剪切應力-剪切速率特性曲線，圖4為在70℃和-45℃條件下交替放置28 d后磁流變液（16號～20號樣品）的剪切應力-剪切速率特性曲線。

圖3　經過高溫后磁流變液的剪切應力-剪切速率特性曲線Fig.3 Characteristic curves of shear stress and shear rate of the magnetorheological fluid after high temperature experiment

圖4　經過高低溫后磁流變液的剪切應力-剪切速率特性曲線Fig.4 Characteristic curves of shear stress and shear rate of the magnetorheological fluid after high and low temperature experiments

從圖3和圖4可以看出:1）經過貯存穩(wěn)定性實驗的磁流變液基本保持原有的屈服特性，屈服區(qū)域沒有改變；2）在屈服前和屈服區(qū)域，磁流變液的剪切應力有所降低，平均降低4.5％，在屈服后區(qū)域，磁流變液的剪切應力整體降低，降低程度約為20％；3）經過高低溫后和經過高溫后磁流變液黏度相對比，發(fā)現(xiàn)磁流變液的屈服應力有所降低，說明高溫和低溫都會對磁流變液的屈服應力造成不可逆變化。其原因是:磁流變液屈服的本質是外界的作用力大于磁流變液內部的鐵磁顆粒之間的作用力。當磁流變液長時間處于惡劣環(huán)境下，添加劑內部的分子結構遭到一定的破壞［13］，使得鐵磁顆粒更加容易沉降團聚，同時使鐵磁顆粒之間的作用力降低，導致磁流變液的屈服應力降低。當鐵磁顆粒沉降團聚時，鐵磁顆粒無法均勻地分布在基液中，間接性地增大了鐵磁顆粒的大小，致使磁流變液屈服應力降低。

對于引信磁流變液解除保險機構，磁流變液的屈服應力關系著引信磁流變液解除保險機構勤務處理時的安全性。當屈服應力較低時，引信磁流變液解除保險機構可能在較低的離心力作用下，甚至在意外跌落的情況下，磁流變液開始泄流?？梢?，高低溫會對引信磁流變液解除保險機構的安全性造成永久性的影響，當引信磁流變液解除保險機構長時間處于高低溫環(huán)境下時，會使其失效。

1.4電子顯微驗證

將貯存穩(wěn)定性實驗前和實驗后的磁流變液進行固液分離，分析懸浮相的掃描電鏡形貌，如圖5和圖6所示。

圖5　實驗前懸浮相形貌（放大5 000倍）Fig.5 SEM morphology of suspended phase before experiment（5 000×）

實驗前后磁流變液的懸浮相粒度和形貌無明顯變化，實驗前的懸浮相已經出現(xiàn)少量團聚現(xiàn)象，實驗后的懸浮相團聚現(xiàn)象更加明顯。這與實驗后磁流變液的屈服應力和黏度降低的原因分析相符，說明長時間的極端溫度會使磁流變液中的鐵磁顆粒沉降團聚，這是造成引信磁流變液解除保險機構貯存后失效的主要原因。

圖6　實驗后懸浮相形貌（放大5 000倍）Fig.6 SEM morphology of suspended phase after experiment（5 000×）

2　引信磁流變液解除保險機構貯存壽命評估

2.1引信磁流變液解除保險機構貯存壽命評估方法的提出

通過磁流變液貯存穩(wěn)定性實驗發(fā)現(xiàn)，長時間的高溫導致磁流變液中的鐵磁顆粒沉降團聚，對磁流變液的黏度和屈服應力造成永久性影響。對于磁流變液，其基載液黏度和溫度的關系符合Arrhenius模型公式:

式中:μc為基載液黏度；A為常數；E為活化能；R為氣體常數；T為絕對溫度。

基載液黏度的降低會使得磁流變液中的鐵磁顆粒更加容易沉降團聚，根據斯托克斯法則有:

式中:vp為粒子的沉降團聚的速度；rp為粒子半徑；ρp為粒子密度；ρc為基載液的密度；g為重力加速度。

把（3）式代入（2）式，可得

（5）式經過變換處理后，可得引信磁流變液解除保險機構貯存壽命加速模型:

式中:ηi為引信磁流變液解除保險機構特征壽命，i=0，1，2，3，4；β1和β2為待定參數。

該模型表明引信磁流變液解除保險機構壽命特征的對數與溫度倒數存在線性關系，這與加速壽命實驗［6］的壽命與應力溫度的關系相符合。因此，可用加速壽命實驗來對引信磁流變液解除保險機構貯存壽命進行評估。

2.2引信磁流變液解除保險機構加速壽命實驗及實驗結果

在加速壽命實驗開始之前，對磁流變液試件進行原始數據測量記錄，作為判斷引信磁流變液解除保險機構是否失效的參考，加速壽命的總時間t為90 d，根據溫度摸底實驗結果，按步進應力次序先后，磁流變液加速壽命實驗的應力水平選擇為:

第1應力水平T1:333 K（60℃）；

第2應力水平T2:339 K（66℃）；

第3應力水平T3:345 K（72℃）；

第4應力水平T4:351 K（78℃）。

相對濕度應力水平按正常磁流變液貯存環(huán)境中的相對濕度值確定，一般取65％.在每個實驗階段結束后，取出實驗試件，在常溫下靜止2 h后，測試其流變性能。假設磁流變液的失效分布函數服從威布爾分布:

式中:mi為形狀參數。

根據Nelson原理［14］可知，磁流變液在進行較高應力水平實驗之前已進行了較低應力水平的實驗，這部分的實驗時間不能忽略，需要折算到較高應力水平下的時間。

（8）式表示經過時間折算后，每個實驗階段對應的失效分布函數。對于引信磁流變液解除保險機構，經過長期貯存后，易導致磁流變液沉降團聚，從而影響機構的安全性和可靠性，對實驗后的試件進行黏度和屈服應力測試，作為判斷磁流變液是否失效的依據。實驗結果如表1所示。

表1　各階段實驗條件及結果Tab.1 Experimental conditions and results at different stages

將表1中的數據進行時間折算處理后，按照文獻［15］所述的Powell方法，可得到結果如表2所示。

表2　各階段形狀參數和壽命特征Tab.2 Shape parameters and life characteristics atdifferent stages

加速應力和特征壽命服從加速模型lnηi=β1+ β2/T，經過數據擬合并結合（7）式和（8）式，得到在常溫下（293 K）的形狀參數m0=2.39和壽命特征η0=14 588，擬合曲線如圖7所示。把常溫下的形狀參數和壽命特征值帶入（7）式，得到磁流變液在常溫下的壽命分布:

圖7　加速應力-特征壽命擬合曲線Fig.7 Fitted curve of accelerated stress and life characteristics

正常貯存環(huán)境條件下可靠性分布函數為

要求磁流變液的貯存壽命Ts滿足:

式中:RL為貯存可靠度下限；γ為置信水平。

在計算處理時，認為^R（t）近似服從均值為R（t），方差為D（^R（t））的正態(tài)分布。由（10）式經過變換可得

記μγ為標準正態(tài)分布的γ上側分位點，于是Ts滿足:

將^m、^η、RL、γ、μγ代入，用數值迭代法求出該磁流變液在正常貯存環(huán)境條件下的貯存壽命。經過計算，在置信水平γ=0.90，可靠度下限RL=0.85時，該引信磁流變液解除保險機構的可靠貯存壽命等于15.2 a.

3　結論

通過貯存穩(wěn)定性實驗分析了在惡劣環(huán)境下存貯對磁流變液的屈服應力和黏度的影響以及對引信磁流變液解除保險機構性能的影響。研究結果表明:長時間的高溫能使磁流變液中的鐵磁顆粒沉降團聚，從而導致引信磁流變液解除保險機構貯存失效，說明高溫可加速引信磁流變液解除保險機構失效，從而建立貯存壽命加速模型，提出了適用于引信磁流變液解除保險機構的壽命評估方法。最后，采用這種壽命評估方法對引信磁流變液解除保險機構的貯存壽命進行了評估。評估結果表明，在置信水平γ=0.90，可靠度下限RL=0.85時，引信磁流變液解除保險機構的可靠貯存壽命為15.2 a，滿足引信的貯存壽命要求。

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Estimation Method for Storage Life of Magnetorheological Fluid Fuze Arm ing Device

HU Ming，WANG Jiong，WU Xiao-lang
（School of Mechanical Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，Jiangsu，China）

An estimation method is proposed to study the safety and reliability of magnetorheological fluid（MRF）arming device using after a long-term storage，by which the storage life of MRF fuze arming device is estimated.The effect of harsh environment on the yield stress and viscosity of MRF and the performance of fuze arming device is analyzed through storage stability experiment.The experimental results show that a long-time high temperature results in sedimentating and aggregating the ferromagnetic particles in MRF，and speeding up the failure of MRF fuze arming device.An estimation method for the storage life of MRF fuze arming device is presented by establishing an accelerated storage life model.The reliable storage life of MRF fuze arming device under normal storage condition is estimated by the proposed method.The estimated results indicate that the reliable storage life of MRF fuze arming device is15.2 years.

ordnance science and technology；fuze；magnetorheological fluid；arming device；storage；failure；storage life estimation method

TJ430.4

A

1000-1093（2016）09-1606-06

10.3969/j.issn.1000-1093.2016.09.008

2015-11-26

國家自然科學基金項目（51175265）

胡明（1989—），男，博士研究生。E-mail:18652088301@163.com；王炅（1964—），男，教授，博士生導師。E-mail:wjiongz@njust.edu.cn