基于趨勢分析法的火工品可靠儲存壽命估計

宣兆龍，王耀冬，李翰朋

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基于趨勢分析法的火工品可靠儲存壽命估計

宣兆龍，王耀冬，李翰朋

（軍械工程學(xué)院，河北石家莊，050003）

針對加速壽命試驗(yàn)預(yù)估得到的火工品可靠儲存壽命與實(shí)際相差較大、精度較低的問題，對某型火工品進(jìn)行了自然環(huán)境長儲試驗(yàn)。將檢測得到的關(guān)鍵性能參數(shù)進(jìn)行了最小二乘回歸分析，并利用非中心分布建立相應(yīng)的容忍區(qū)間，結(jié)合性能指標(biāo)的失效閾值，得到火工品的可靠儲存壽命估計值。所得結(jié)果表明，該方法得到的壽命估計值大于通過加速壽命試驗(yàn)得到的火工品設(shè)計可靠儲存壽命，考慮了火工品儲存過程中的實(shí)際情況，準(zhǔn)確性更高，為該火工品及相關(guān)彈藥產(chǎn)品的延壽提供了依據(jù)。

火工品；長儲試驗(yàn)；趨勢分析；儲存壽命；加速壽命試驗(yàn)

火工品的設(shè)計儲存壽命一般由生產(chǎn)工廠利用加速壽命試驗(yàn)預(yù)估得到，加速壽命試驗(yàn)[1]通過超出正常應(yīng)力水平的加速應(yīng)力，在較短的時間內(nèi)獲得產(chǎn)品壽命信息，因此，廣泛應(yīng)用在產(chǎn)品設(shè)計定型和鑒定試驗(yàn)。但是，由實(shí)際反饋發(fā)現(xiàn)，加速壽命試驗(yàn)所得壽命估計值較產(chǎn)品的實(shí)際儲存壽命相差較大，一般較為保守。自然環(huán)境長儲試驗(yàn)[2]是將彈藥放在自然環(huán)境下長期儲存，在確定好的時間間隔對其進(jìn)行各性能指標(biāo)的檢測，并通過一定的統(tǒng)計分析方法，評估彈藥的儲存壽命。自然環(huán)境長儲試驗(yàn)盡管耗時較長，但直接考核彈藥自身的壽命情況，能夠準(zhǔn)確反映產(chǎn)品在自然環(huán)境下的性能變化，精度較高。因此，本文對某型火工品在標(biāo)準(zhǔn)軍用庫房中，進(jìn)行了為期8a的自然環(huán)境長儲試驗(yàn)，并檢測得到該火工品的關(guān)鍵性能參數(shù)。

Lien C Yang[3]在評估火工品儲存壽命時，首次提出了趨勢分析法，該方法以同一批次的火工品為研究對象，對不同儲存時間下檢測得到的定量性能參數(shù)，進(jìn)行最小二乘法回歸模型分析[4]，得到性能參數(shù)退化趨勢線，并在一定置信度和可靠度下，利用非中心分布[5]對其建立容忍區(qū)間。以性能指標(biāo)的失效閾值與容忍區(qū)間的上限或下限的交點(diǎn)，作為火工品的可靠壽命預(yù)測點(diǎn)，其對應(yīng)的時間即為可靠儲存壽命。該方法受儲存時間跨度的影響較小，適用于自然長儲試驗(yàn)或加速壽命試驗(yàn)下的壽命預(yù)測。因此，本文利用該方法對火工品長儲試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，預(yù)估火工品的可靠儲存壽命。

1 趨勢線分析法

1.1 關(guān)鍵性能參數(shù)的回歸分析

已知該火工品的關(guān)鍵性能參數(shù)為延期時間，設(shè)不同試驗(yàn)時間1,2,……t下，檢測得到相應(yīng)的延期時間為1,2,……Y，利用最小二乘法擬合，得到試驗(yàn)時間與延期時間的線性回歸模型：

=1+2（1）

式（1）中：1為回歸系數(shù)，2為截距。

1.2 關(guān)鍵性能參數(shù)的容忍區(qū)間

在回歸模型的基礎(chǔ)上，令置信水平1-=0.9，可靠度=0.95，自由度為-2，建立延期時間的容忍區(qū)間，得到容忍上限：

=1+2+··1-γ,n-2,()（2）

容忍下限：=1+2-··1-γ,n-2,()（3）

（4）

（5）

式（2）~（5）中：是回歸模型中儲存時間的函數(shù)；是均方根誤差；是偏心率為的非中心分布；Z是標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布“上分位點(diǎn)” Z在=時，即條件下的值，經(jīng)查標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布表[6]得Z=1.645。當(dāng)1>0時，容忍上限與該性能參數(shù)的失效閾值上限的交點(diǎn)，對應(yīng)的時間即為火工品可靠儲存壽命預(yù)估值。當(dāng)1<0時，容忍下限與該性能參數(shù)的失效閾值下限的交點(diǎn)，對應(yīng)的時間即為火工品可靠儲存壽命預(yù)估值。

2 長儲試驗(yàn)數(shù)據(jù)

已知該火工品設(shè)計可靠儲存壽命為11a，延期時間的失效閾值為（1±0.3）s，一般裝配于彈藥中，受彈體的保護(hù)，彈藥置于庫房中進(jìn)行儲存。因此，對火工品可靠儲存壽命進(jìn)行估計時，為模擬其在彈藥中的狀態(tài)，提高壽命估計精度，將每一發(fā)火工品都用內(nèi)包裝袋密封，將密封后的一定數(shù)量的火工品放入一定容積的鐵箱中，再將鐵箱放入木質(zhì)包裝箱中；所有包裝入箱后的火工品完全按照部隊庫房標(biāo)準(zhǔn)儲存在專用庫房中，溫度控制在-5~30℃，相對濕度控制在30%~70%。每隔1a時間，在試驗(yàn)樣品中隨機(jī)取出3發(fā)火工品，進(jìn)行延期時間的性能檢測，檢測所得結(jié)果如表1所示。

表1 火工品長儲試驗(yàn)數(shù)據(jù) (s)

Tab.1 Long-term storage test data of initiators

注：延期時間指標(biāo)為（1±0.3）s。

3 壽命估計

對火工品長儲試驗(yàn)所得的延期時間數(shù)據(jù)，進(jìn)行趨勢線分析，應(yīng)用MATLAB中的最小二乘擬合以及分布語句編輯程序[7]，得到延期時間的回歸模型和容忍區(qū)間，如圖1所示。

圖1 火工品延期時間趨勢分析圖

圖1中：（1）1=0.009 5，置信區(qū)間為[0.002 0，0.016 9]，2=0.922 2，置信區(qū)間為[0.873 7，0.970 7]，說明火工品的延期時間隨儲存時間的延長而逐漸增大，且變化極為緩慢；（2）可決系數(shù)2=0.195 2，說明回歸模型對于觀測值的擬合程度較差，這是由于每一觀測點(diǎn)的多個觀測值之間的差異造成的；（3）顯著性水平=0.014 5＜0.05，說明回歸模型對于觀測值沒有發(fā)生顯著性變化，可以用于壽命預(yù)測；（4）均方根誤差=0.063 6，說明預(yù)測值與觀測值之間的誤差較??；（5）延期時間容忍上限與失效閾值上限=1.3的交點(diǎn)為（29.1，1.3）。綜合以上分析，初步預(yù)估得到該火工品的可靠儲存壽命為29.1a，這與在研制期間經(jīng)過71℃法得到的可靠儲存壽命19a有較大差異。

4 結(jié)論

針對某型火工品進(jìn)行了為期8a的長儲試驗(yàn)，所得延期時間的精度更高、更貼近實(shí)際，彌補(bǔ)了加速壽命試驗(yàn)所得性能參數(shù)精度較低的不足。利用趨勢分析法，對長儲試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了最小二乘回歸分析，并利用非中心分布建立相應(yīng)的容忍區(qū)間，結(jié)合性能指標(biāo)的失效閾值，估計得到火工品的可靠儲存壽命為29.1a，大于設(shè)計可靠儲存壽命11a。本研究對即將到達(dá)設(shè)計儲存年限火工品的壽命估計及延壽提供了依據(jù)，隨著長儲試驗(yàn)的繼續(xù)進(jìn)行，所得數(shù)據(jù)越多，可靠儲存壽命的評估精度越高。

[1] 張詳坡,尚建忠,陳循,等.三參數(shù)Weibull分布競爭失效場合加速壽命試驗(yàn)統(tǒng)計分析[J].兵工學(xué)報,2013,34(12): 1 603-1 610.

[2] S. Eriksen E. Stroesoee. An examination of deterioration of ammunition by storage[R]. AD-A055897,1978.

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

[4] 朱麗梅,姜永,黃雪,等. 概率論與數(shù)理統(tǒng)計[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社,2014.

[5] 王巖,隋思漣.數(shù)理統(tǒng)計與MATLAB數(shù)據(jù)分析[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社,2014.

[6] 中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究所. 可靠性試驗(yàn)用表[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社,1987.

[7] 趙海濱. MATLAB應(yīng)用大全[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社,2012.

Storage Life Evaluation of Initiating Explosive Device Based on Trend Analysis

XUAN Zhao-long, WANG Yao-dong, LI Han-peng

（Ordnance Engineering College, Shijiazhuang, 050003）

Aimed at the reliable storage life of the initiating explosive device by accelerated life test is different from the actual one, and the precision is low, a natural environment long-storage test for a certain type of initiating explosive device was conducted. Least squares regression analysis was carried out on the key performance parameters. By using the non-central-distribution, the corresponding tolerance interval was established. Combining the failure threshold of the performance index, the reliable storage life estimation of the initiating explosive device was obtained. The results show that the life estimation obtained by this method is higher than that of accelerated life test. This method considered the actual situation during the storage, and has more accurate. This paper provides the basis for the extension of the initiating explosive device and their related ammunition products.

Initiating explosive device；Long storage test；Trend analysis；Storage life；Accelerated life test

1003-1480（2017）02-0012-03

TJ450.1

A

2017-01-06

宣兆龍（1976- ），男，副教授，從事彈藥保障與安全技術(shù)研究。