典型電容近炸引信發(fā)火控制部件儲(chǔ)存壽命預(yù)測(cè)方法

齊杏林，王洪巖，吳英偉

(1.陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū)，河北 石家莊 050003;2.中國(guó)白城兵器試驗(yàn)中心，吉林 白城 137001)

0 引言

在引信設(shè)計(jì)壽命周期內(nèi)，儲(chǔ)存環(huán)境會(huì)使發(fā)火控制部件內(nèi)元器件的某些參數(shù)會(huì)發(fā)生漂移，如果性能變化影響到其功能，會(huì)導(dǎo)致引信近炸失效。因此，對(duì)典型電容近炸引信發(fā)火控制部件儲(chǔ)存壽命進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)具有重要意義。在引信壽命預(yù)測(cè)方面，文獻(xiàn)[1]通過(guò)建立GM(1，1)模型和殘差修正模型，推導(dǎo)出對(duì)引信系統(tǒng)壽命預(yù)測(cè)的改進(jìn)算法。文獻(xiàn)[2]將引信在濕熱環(huán)境中儲(chǔ)存，通過(guò)打靶檢測(cè)獲取引信失效數(shù)據(jù)，進(jìn)而利用可靠性試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的方法獲引信壽命。文獻(xiàn)[3]運(yùn)用Matlab軟件分別擬合儲(chǔ)存溫度、濕度與引信壽命的曲線關(guān)系，通過(guò)建立模型并計(jì)算引信壽命。文獻(xiàn)[4]采用加速壽命試驗(yàn)的方法獲取引信失效數(shù)據(jù)，利用Arrhenius方程外推求出正常應(yīng)力狀態(tài)下引信壽命。這些方法基本達(dá)到了引信壽命預(yù)測(cè)的目的，但在壽命預(yù)測(cè)過(guò)程中僅考慮了加速壽命數(shù)據(jù)或儲(chǔ)存環(huán)境等表象信息，缺乏引信自身指標(biāo)參數(shù)退化致使引信失效分析。本文針對(duì)上述問(wèn)題，并結(jié)合目前對(duì)引信發(fā)火控制部件儲(chǔ)存性能退化研究較少，儲(chǔ)存質(zhì)量變化規(guī)律尚不明確的現(xiàn)狀，提出了基于性能退化試驗(yàn)的引信發(fā)火控制部件壽命預(yù)測(cè)方法。

1 基于儲(chǔ)存性能試驗(yàn)的壽命預(yù)測(cè)方法

1.1 基于儲(chǔ)存性能試驗(yàn)的壽命預(yù)測(cè)一般步驟

產(chǎn)品的功能狀況可以由其性能參數(shù)變化程度來(lái)表示，隨著儲(chǔ)存時(shí)間的增加，性能參數(shù)往往會(huì)產(chǎn)生變化，其功能狀態(tài)也會(huì)發(fā)生改變，因此可以利用產(chǎn)品儲(chǔ)存過(guò)程中性能參數(shù)的變化來(lái)進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)[5]?；趦?chǔ)存性能試驗(yàn)的壽命預(yù)測(cè)方法首先應(yīng)通過(guò)儲(chǔ)存性能試驗(yàn)獲得其退化數(shù)據(jù)，找到性能退化敏感參數(shù)，選取性能退化分布模型，然后通過(guò)數(shù)據(jù)處理確定退化軌跡模型，進(jìn)而預(yù)測(cè)發(fā)火控制部件的儲(chǔ)存壽命。壽命預(yù)測(cè)步驟如下：

1) 進(jìn)行發(fā)火控制部件儲(chǔ)存性能試驗(yàn)，收集性能退化數(shù)據(jù)；

2) 確定性能退化敏感參數(shù)，結(jié)合產(chǎn)品相關(guān)性能指標(biāo)確定失效閾值；

3) 采用分布假設(shè)檢驗(yàn)法選取性能退化分布模型；

4) 數(shù)據(jù)處理計(jì)算相關(guān)參數(shù)，利用最小二乘法估計(jì)參數(shù)方程曲線的系數(shù)求出性能退化軌跡模型；

5) 最后，將性能退化軌跡模型帶入退化分布模型結(jié)合產(chǎn)品失效閾值和可靠度即可預(yù)測(cè)發(fā)火控制部件壽命。預(yù)測(cè)流程如圖1所示。

1.2 性能退化敏感參數(shù)的確定

為了判斷產(chǎn)品的退化情況，通常選取幾個(gè)主要的指標(biāo)作為性能退化敏感參數(shù)，當(dāng)其中一個(gè)或多個(gè)參數(shù)超過(guò)失效閾值時(shí)即發(fā)生失效。在選取性能退化敏感參數(shù)時(shí)，一般應(yīng)滿足下列條件：

1) 有明確的定義且易于監(jiān)測(cè)；

2) 退化量數(shù)據(jù)可以進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理；

3) 在實(shí)際應(yīng)用上能提供相關(guān)設(shè)計(jì)信息；

4) 隨著時(shí)間的增加參數(shù)變化程度和趨勢(shì)明顯，能很好體現(xiàn)出產(chǎn)品性能狀態(tài)。

1.3 性能退化分布模型及退化軌跡模型

常見(jiàn)的與引信同類(lèi)型的高可靠長(zhǎng)壽命產(chǎn)品性能退化分布模型有正態(tài)分布模型和威布爾分布模型[6]。

正態(tài)分布模型：當(dāng)y≥Df時(shí)產(chǎn)品發(fā)生失效，就可以得到產(chǎn)品可靠性與性能退化量分布之間的關(guān)系為：

(1)

當(dāng)y≤Df時(shí)產(chǎn)品發(fā)生失效，可以得到產(chǎn)品可靠性與性能退化量分布的關(guān)系為：

(2)

威布爾分布模型：當(dāng)y≥Df時(shí)產(chǎn)品發(fā)生失效，產(chǎn)品可靠性與性能退化量分布的關(guān)系為：

(3)

當(dāng)y≤Df時(shí)產(chǎn)品發(fā)生失效，產(chǎn)品可靠性與性能退化量分布的關(guān)系為：

(4)

式(1)—式(4)中,y為性能退化量；Df為產(chǎn)品失效閾值；μy(t)為樣本均值；σy(t)為樣本均方差；my(t)為形狀參數(shù)；ηy(t)為尺度參數(shù)；R(t)為可靠度。

退化軌跡模型可以很好的描述產(chǎn)品性能退化的過(guò)程。常見(jiàn)的有線性、凸型和凹型三種退化軌跡模型[7]，通?？梢酝ㄟ^(guò)對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換等方程變形將凸型和凹形退化軌跡模型都轉(zhuǎn)換為線性模型，并大大簡(jiǎn)化分析過(guò)程。

2 發(fā)火控制部件儲(chǔ)存性能試驗(yàn)及結(jié)果分析

發(fā)火控制部件儲(chǔ)存性能試驗(yàn)結(jié)合該電容近炸引信相關(guān)性能要求確定試驗(yàn)檢測(cè)項(xiàng)目；依據(jù)各部件工作原理結(jié)合模擬信號(hào)確定檢測(cè)方法并進(jìn)行相關(guān)參數(shù)檢測(cè)；根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析需要和相關(guān)國(guó)軍標(biāo)確定試驗(yàn)樣本量。

2.1 發(fā)火控制部件檢測(cè)項(xiàng)目及檢測(cè)方法

發(fā)火控制部件是指由探測(cè)器、定時(shí)器等組成的部件。參考該電容近炸引信在生產(chǎn)驗(yàn)收過(guò)程中性能要求確定主要檢測(cè)定時(shí)器部件的定時(shí)器電流ID、接電時(shí)間TJ、工作電流IG、系統(tǒng)功能FX和探測(cè)器部件的檢波電壓VJ、點(diǎn)火脈沖寬度PW、炸高H共7項(xiàng)目[8]，檢測(cè)項(xiàng)目及含義如表1所示。

表1 發(fā)火控制部件檢測(cè)項(xiàng)目及含義

Tab.1 Testing item and meaning of firing control unit

部件名稱(chēng)檢測(cè)項(xiàng)目含義定時(shí)器部件定時(shí)器電流ID定時(shí)器接電前輸入的直流電流接電時(shí)間TJ從開(kāi)始輸入電壓到定時(shí)器計(jì)時(shí)完成并接電為下級(jí)電路提供工作電壓所經(jīng)過(guò)的時(shí)間工作電流IG定時(shí)器接電后正常工作輸入的直流電流系統(tǒng)功能FX目標(biāo)仿真信號(hào)作用到引信上時(shí)雷管座上測(cè)到的點(diǎn)火脈沖寬度及幅值探測(cè)器部件檢波電壓VJ彈目距離信息的電容變化轉(zhuǎn)化成的電壓信號(hào)點(diǎn)火脈沖寬度PW作用到雷管上的點(diǎn)火脈沖炸高H一定仿真落速下引信炸高

用專(zhuān)用扳手從引信中旋出安保機(jī)構(gòu)和傳爆序列，擰出連接引信體和風(fēng)帽體的四個(gè)鉚接螺釘，并分離引信體和電子頭，取出電雷管和擊針，再將電子頭裝入不含電雷管和擊針的引信體中，成待測(cè)狀態(tài)，即為發(fā)火控制部件。將裝定一定時(shí)間的發(fā)火控制部件放入綜合參數(shù)仿真測(cè)試系統(tǒng)中，輸入目標(biāo)仿真信號(hào)，即可測(cè)量定時(shí)器部件的定時(shí)器電流ID、接電時(shí)間TJ、工作電流IG、系統(tǒng)功能FX。

將檢測(cè)后的發(fā)火控制部件電子頭和引信體重新分離，用臺(tái)式鉆床鉆掉定時(shí)器部件上焊點(diǎn)，取下定時(shí)器部件和電源部件即為探測(cè)器部件。將探測(cè)器部件放入仿真箱中，將目標(biāo)仿真信號(hào)作用到探測(cè)器上，測(cè)量檢波電壓VJ和點(diǎn)火脈沖寬度PW；按照規(guī)定落速將目標(biāo)信號(hào)作用到探測(cè)器上，對(duì)其進(jìn)行仿真測(cè)試，計(jì)算160 m/s,220 m/s,280 m/s和340 m/s四種典型仿真落速下的對(duì)應(yīng)炸高，并分別記為H1,H2,H3,H4。

2.2 樣本量確定

為考核引信在不同儲(chǔ)存環(huán)境下長(zhǎng)儲(chǔ)后的性能狀態(tài)，廠家實(shí)際儲(chǔ)存時(shí)引信分為有包裝筒密封和無(wú)包裝筒密封兩種儲(chǔ)存狀態(tài)，以下簡(jiǎn)稱(chēng)密封和非密封。在抽取試驗(yàn)樣本時(shí)，要注意每個(gè)年份點(diǎn)上的抽樣樣品的生產(chǎn)條件和儲(chǔ)存環(huán)境基本相同[9-11]。根據(jù)產(chǎn)品實(shí)際各年份儲(chǔ)存數(shù)量情況和性能退化分析所需樣本量要求，結(jié)合GJB166-86《引信制造與驗(yàn)收技術(shù)條件》，確定樣本量情況如表2所示。

表2 試驗(yàn)樣本量情況

Tab.2 Circumstance of the sample quantity for experiment

儲(chǔ)存時(shí)間/年2345678密封/發(fā)8888888非密封/發(fā)10101010101010

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

將試驗(yàn)結(jié)果取各年份數(shù)據(jù)的平均值與生產(chǎn)驗(yàn)收原始數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比連線作圖。試驗(yàn)共對(duì)儲(chǔ)存時(shí)間為2～8年每年8發(fā)密封10發(fā)非密封引信開(kāi)展性能測(cè)試，檢測(cè)了定時(shí)器部件的ID,TJ,IG,FX共4項(xiàng)參數(shù)和探測(cè)器部件的VJ,PW、和不同落速下的炸高H1,H2,H3,H4。

結(jié)果顯示，密封和非密封狀態(tài)下各性能參數(shù)變化趨勢(shì)相近；TJ,IG,FX,PW始終維持在相對(duì)穩(wěn)定水平，無(wú)明顯變化；ID有明顯的增大趨勢(shì)；VJ,H1,H2,H3,H4都有較為明顯的減小趨勢(shì)，其中H1最接近于炸高最低要求。因此，只分析160 m/s落速時(shí)炸高H1。ID變化趨勢(shì)如圖2、圖3所示；炸高H1變化趨勢(shì)如圖4、圖5所示；VJ變化趨勢(shì)如圖6、圖7所示。

如圖2、圖3可知在密封狀態(tài)時(shí)各年份ID增大幅度在1%～6%之間，非密封狀態(tài)時(shí)各年份ID增大幅度在1%～7%之間，雖未發(fā)生失效，但都有較明顯的退化趨勢(shì)，因而可以確定ID為性能退化敏感參數(shù)。

從圖4、圖5可以看出，密封狀態(tài)和非密封狀態(tài)下長(zhǎng)期儲(chǔ)存后探測(cè)器部件160 m/s落速時(shí)炸高H1都呈減小趨勢(shì)，退化規(guī)律明顯且距離炸高最低要求較近，因此可以認(rèn)定炸高H1為性能退化敏感參數(shù)。從圖6、圖7中可以看出，密封與非密封狀態(tài)檢波電壓VJ都有比較小的下降趨勢(shì)，其中密封狀態(tài)下變化幅度小于5%，非密封狀態(tài)下變化幅度小于7%，兩種狀態(tài)均滿足引信檢波電壓VJ要求，但性能略有退化。因此可以認(rèn)定VJ為性能退化敏感參數(shù)。

試驗(yàn)結(jié)果表明ID，H1和VJ為發(fā)火控制部件性能退化敏感參數(shù)，且包裝筒密封與非密封對(duì)其性能退化影響不大。

3 發(fā)火控制部件儲(chǔ)存壽命預(yù)測(cè)

利用Matlab軟件采用K-S檢驗(yàn)法對(duì)各性能退化敏感參數(shù)分別進(jìn)行正態(tài)分布和威布爾分布的分布假設(shè)檢驗(yàn)[12]。經(jīng)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，定時(shí)器部件ID和探測(cè)器部件的H1，VJ均較好符合威布爾分布，因此采用威布爾分布模型進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)。

3.1 密封狀態(tài)下定時(shí)器部件儲(chǔ)存壽命預(yù)測(cè)

1) 采用部分?jǐn)?shù)據(jù)計(jì)算定時(shí)器部件ID在各個(gè)儲(chǔ)存年份的形狀參數(shù)m與尺度參數(shù)η。

采用最佳線性無(wú)偏估計(jì)BLUE法求出定時(shí)器部件ID在各個(gè)儲(chǔ)存年份的形狀參數(shù)和尺度參數(shù)如表3所示。

表3 定時(shí)器ID在各儲(chǔ)存年份的形狀參數(shù)和尺度參數(shù)

Tab.3 Shape and Scale Parameters of timer IDunder different storage years

儲(chǔ)存年份/年形狀參數(shù)m尺度參數(shù)η018.411 019.020 3221.818 419.612 3323.768 519.862 1424.953 420.152 8522.053 920.485 9626.097 820.742 4729.474 120.931 9834.932 821.211 0

2) 求出定時(shí)器部件ID性能退化量分布參數(shù)方程系數(shù)

根據(jù)表3所示，畫(huà)出ID退化量的形狀參數(shù)和尺度參數(shù)隨時(shí)間變化的擬合曲線圖如8所示。

從表3和圖8可以看出，定時(shí)器部件ID性能退化量的形狀參數(shù)、尺度參數(shù)基本呈線性關(guān)系，因此，選擇線性模型，并利用最小二乘法估計(jì)參數(shù)方程曲線的系數(shù)k1，k2，求出形狀參數(shù)和尺度參數(shù)的性能退化軌跡表達(dá)式為[9]：

ηy(t)=19.051 86+0.274 4t

(5)

my(t)=17.663 5+1.720 085t

(6)

將式(5)、式(6)代入式(3)中，可以求得有包裝筒密封狀態(tài)下，定時(shí)器部件ID性能退化量服從威布爾分布時(shí)的可靠度函數(shù)為：

(7)

已知引信作用可靠度一般不低于0.9，根據(jù)工廠驗(yàn)收指標(biāo)確定ID失效閾值為指標(biāo)上限，將失效閾值和可靠度0.9代入式(7)可求得定時(shí)器部件基于ID性能退化下的預(yù)測(cè)壽命為38.824年。

3.2 密封狀態(tài)下探測(cè)器部件儲(chǔ)存壽命預(yù)測(cè)

同理，可求探測(cè)器部件基于H1，VJ的形狀參數(shù)和尺度參數(shù)的性能退化軌跡表達(dá)式分別為：

ηyH1(t)=0.755 68-0.004 21t

(8)

(9)

ηyVJ(t)=16.1565 1-0.2719 5t

(10)

(11)

將式(8)—式(11)代入式(4)中，可以求得探測(cè)器部件H1，VJ性能退化量服從威布爾分布時(shí)的可靠度函數(shù)分別為：

(12)

(13)

根據(jù)工廠驗(yàn)收指標(biāo)確定探測(cè)器部件H1，VJ失效閾值為指標(biāo)下限，將失效閾值和可靠度0.9分別代入式(12)、式(13)可求得探測(cè)器部件基于H1，VJ性能退化下的預(yù)測(cè)壽命分別為20.707年和22.482年。

同理可求，無(wú)包裝筒密封狀態(tài)下定時(shí)器部件基于ID性能退化下的預(yù)測(cè)壽命為37.984年，探測(cè)器部件基于H1，VJ性能退化下的預(yù)測(cè)壽命分別為20.165年和21.786年。定時(shí)器部件和探測(cè)器部件密封與非密封狀態(tài)預(yù)測(cè)壽命如表4所示。

表4 不同部件在不同狀態(tài)下的預(yù)測(cè)壽命

Tab.4 Prediction life of different parts under different conditions

部件名稱(chēng)預(yù)測(cè)壽命/年密封非密封定時(shí)器部件定時(shí)器電流ID38.82437.984探測(cè)器部件炸高H120.70720.165檢波電壓VJ22.48221.786

因?yàn)殡娮雨P(guān)鍵部件最短壽命反映整體壽命，從表4可以看出有包裝筒密封、無(wú)包裝筒密封時(shí)該引信發(fā)火控制部件儲(chǔ)存壽命為探測(cè)器部件基于H1性能退化下的儲(chǔ)存壽命分別為20.707年、20.165年。通過(guò)對(duì)比各部件在不同存儲(chǔ)狀態(tài)下的壽命可以發(fā)現(xiàn)有無(wú)包裝筒密封狀態(tài)下壽命預(yù)測(cè)結(jié)果相差不大，進(jìn)一步說(shuō)明引信自身密封的重要性。

4 結(jié)論

本文提出了基于儲(chǔ)存性能試驗(yàn)的引信發(fā)火控制部件壽命預(yù)測(cè)方法。該方法基于儲(chǔ)存性能試驗(yàn)確定了ID，VJ和H1為引信發(fā)火控制部件性能退化敏感參數(shù)，且引信有無(wú)包裝筒密封對(duì)其性能退化幾乎沒(méi)有影響。并利用Matlab軟件采用K-S檢驗(yàn)法對(duì)性能參數(shù)分別進(jìn)行正態(tài)分布和威布爾分布的分布假設(shè)檢驗(yàn)，確定采用威布爾退化分布模型，利用威布爾退化分布模型求出了ID，H1和VJ對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)存壽命。預(yù)測(cè)結(jié)果表明，該電容近炸引信發(fā)火控制部件在可靠度取值為0.9時(shí)，有包裝筒密封狀態(tài)下儲(chǔ)存壽命為20.707年，無(wú)包裝筒密封狀態(tài)下儲(chǔ)存壽命為20.165年。本研究對(duì)準(zhǔn)確掌握庫(kù)存同種或同類(lèi)電容近炸引信質(zhì)量狀況具有重要的參考意義，同時(shí)文中的數(shù)據(jù)分析處理方法也對(duì)其他同類(lèi)型產(chǎn)品的儲(chǔ)存壽命預(yù)測(cè)研究具有一定參考價(jià)值。

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