某型燃燒手榴彈作用可靠性失效分析

張德華，李海慶，潘會平，孫宏濤，李玉柱，韓 瑋，劉 敏

(山西北方晉東化工有限公司，山西 陽泉 045000)

彈藥失效診斷與控制是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，它要求應(yīng)用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，在人力、物力、財(cái)力以及時(shí)間允許的條件下，對產(chǎn)品在全壽命周期內(nèi)(即從設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、運(yùn)輸、貯存、使用維護(hù)直到報(bào)廢期間)發(fā)生的失效，或可能發(fā)生的失效進(jìn)行診斷，從管理、機(jī)制和技術(shù)等方面提出控制措施，以便消除或盡量減少彈藥失效，最終保證彈藥發(fā)揮最佳效能[1]。

某型燃燒手榴彈是一種用于近距離作戰(zhàn)，主要用以實(shí)施縱火或熔燒金屬，焚毀敵方軍事設(shè)施和目標(biāo)的輕武器特種彈藥。在靶場鑒定試驗(yàn)中，該產(chǎn)品出現(xiàn)作用可靠率不滿足戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)要求的問題。由于該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，影響其可靠作用的因素較多，因此在分析問題、查找故障原因上有一定難度。本文采用故障樹分析方法對該彈藥發(fā)生的故障問題進(jìn)行了分析，建立了產(chǎn)品作用可靠率降低的故障樹，并結(jié)合產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和試驗(yàn)故障現(xiàn)象進(jìn)行分析，準(zhǔn)確診斷出失效原因與機(jī)理，有效解決了問題，及時(shí)對故障進(jìn)行了歸零，同時(shí)提出了具體控制措施，使同類失效問題得到了有效控制。

1 故障現(xiàn)象

2013年11月，某型燃燒手榴彈進(jìn)行鑒定試驗(yàn)，靶場試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見表1。由表1可知，在進(jìn)行常溫和低溫條件的投擲作用可靠性2個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目(各100枚)中，分別出現(xiàn)了不同程度的作用可靠率不達(dá)標(biāo)現(xiàn)象(要求作用率≥97%)。

表1 靶場試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

故障現(xiàn)象如下：1)低溫條件下，中硬地面試驗(yàn)后有1枚彈體上部連接件與彈殼分離，造成上部已被引燃的裝藥層被帶出殼體，導(dǎo)致裝藥燃燒中斷；2)其余11枚未正常作用彈體的連接件泄壓孔處均有破孔或輕微燒焦現(xiàn)象，且彈體上部明顯發(fā)熱。

2 問題定位

因產(chǎn)品組成相對復(fù)雜，產(chǎn)品作用過程中受到的內(nèi)外環(huán)境影響因素多，故障原因多樣，全面找出故障原因并對故障準(zhǔn)確定位并歸零有一定難度；為此，采用故障樹分析方法，根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)象、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及作用機(jī)理建立了故障樹，并對產(chǎn)生故障的可能原因進(jìn)行了全面的分析定位，為故障歸零提供了依據(jù)。

2.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與作用原理

圖1 裝藥結(jié)構(gòu)示意圖

該燃燒手榴彈主要由裝藥彈體和延時(shí)引信組成。裝藥彈體由連接件、裝藥殼體等組成。裝藥彈體的點(diǎn)傳火序列依次由點(diǎn)火藥、引燃劑、過渡藥和燃燒劑組成(見圖1)。彈殼采用冷軋鋼板加工成型，裝藥后連接件與殼體合裝后滾溝封邊密封連接。全彈工作原理為延時(shí)引信發(fā)火并輸出火焰，依次引燃裝藥表層的點(diǎn)火藥、引燃劑，然后點(diǎn)燃下一層的過渡藥，最終過渡藥引燃燃燒劑，通過燃燒劑燃燒作用完成毀傷功能。

2.2 產(chǎn)品歷史情況

該型燃燒手榴彈經(jīng)歷將近4年的研制工作，至靶場鑒定試驗(yàn)前，工廠累計(jì)試制、試驗(yàn)該產(chǎn)品約500余枚，從未發(fā)生過彈體裝藥斷火、瞎火等非正常作用現(xiàn)象。

2.3 故障分析

從可靠性邏輯關(guān)系來分析該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，產(chǎn)品主要由延時(shí)引信和裝藥彈體構(gòu)成，同時(shí)裝藥彈體中的點(diǎn)傳火和裝藥序列也呈串聯(lián)關(guān)系，即其中任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障都將導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)故障。根據(jù)該產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、工作原理，綜合分析可能導(dǎo)致燃燒手榴彈未正常作用故障的各種可能因素，建立了燃燒手榴彈非正常作用故障樹(見圖2)，按照故障樹對所有底事件進(jìn)行了逐項(xiàng)排查。

圖2 某型燃燒手榴彈非正常作用故障樹

2.3.1 引信故障

取靶試中的故障彈拆除引信后進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)所有引信均正常作用，并可靠引燃點(diǎn)火藥，因此可以排除引信故障的原因。

2.3.2 殼體口部壁厚尺寸超差

本批產(chǎn)品用零部件加工完成后，均按圖樣尺寸要求全數(shù)普驗(yàn)，經(jīng)檢驗(yàn)合格后方投入使用。本次故障排查過程中重新檢查了生產(chǎn)檢驗(yàn)原始記錄，殼體尺寸均符合圖樣要求，無超差現(xiàn)象。

試驗(yàn)現(xiàn)場，取連接件與彈殼分離的故障彈，檢測其殼體收口處壁厚尺寸均滿足圖樣要求，因此可以排除因殼體口部壁厚尺寸超差(小于圖樣尺寸下限)導(dǎo)致收口后彈體連接強(qiáng)度不足的可能性。

2.3.3 收口處翻邊尺寸較窄

彈體封裝采用了收口翻邊工藝，圖樣收口處翻邊尺寸要求為1～2 mm。本批產(chǎn)品試制時(shí)，該工序由成型模具保證此尺寸，未進(jìn)行全數(shù)檢驗(yàn)，因此本次故障排查時(shí)，對本批剩余產(chǎn)品進(jìn)行了翻邊尺寸檢查，發(fā)現(xiàn)有個(gè)別產(chǎn)品存在不符合要求現(xiàn)象。挑出翻邊尺寸較窄的5枚彈體(收口處翻邊尺寸<1 mm)進(jìn)行可靠性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如下：3枚彈體正常作用，2枚彈體作用后連接件與彈殼分離，與靶試時(shí)故障彈現(xiàn)象基本一致。因此，可以確定彈體收口處翻邊尺寸超差(低于工藝要求下限)，收口處束縛力降低，導(dǎo)致彈體連接強(qiáng)度不足是本次故障發(fā)生的原因之一。

2.3.4 藥劑點(diǎn)火能量不足

檢查該批產(chǎn)品生產(chǎn)原始記錄表明，用于該批產(chǎn)品裝配的所有藥劑的理化性能、燃燒熱等各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均無異常。

2.3.4.1 點(diǎn)火藥點(diǎn)火能量不足

解剖泄壓孔處有燒焦或破孔現(xiàn)象的故障彈后，觀察其彈體裝藥，發(fā)現(xiàn)點(diǎn)火藥、引燃劑以及過渡藥表層的藥劑均已被引燃，表明點(diǎn)火藥已可靠引燃下一級的引燃劑，因此，可排除點(diǎn)火藥點(diǎn)火能量不足的可能性。

2.3.4.2 引燃劑點(diǎn)火能量不足

通過觀察解剖后的故障彈體裝藥可以看到，點(diǎn)火藥、引燃劑已充分燃燒，其下一級的過渡藥表層也被可靠引燃，而原始記錄表明藥劑符合使用要求；因此，可以排除引燃劑點(diǎn)火能量不足的可能性。

2.3.5 藥劑水分超差

查閱生產(chǎn)裝配前各種藥劑水分含量測試記錄(見表2)，結(jié)果表明，均滿足工藝要求(工藝要求均為≤0.8%)。

表2 生產(chǎn)裝配前藥劑水分含量測試結(jié)果表

隨機(jī)取鑒定批剩余裝藥彈體10枚，解剖后對各裝藥層取樣進(jìn)行水分含量分析，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。表3中各種藥劑水分含量工藝要求均為≤0.8%。

表3 彈體裝藥水分含量測試結(jié)果表

由表3試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，與生產(chǎn)裝配前相比較，被解剖樣品中的引燃劑和過渡藥都存在水分含量上升，甚至超出工藝要求范圍的現(xiàn)象。

2.3.5.1 點(diǎn)火藥水分超差

該點(diǎn)火藥為制式點(diǎn)火藥劑，由表2和表3數(shù)據(jù)對比可知，點(diǎn)火藥的水分含量在裝配前后未發(fā)生變化。該型點(diǎn)火藥吸濕性非常小，性能優(yōu)良。在研制期間，按照相關(guān)國軍標(biāo)要求，對該藥劑進(jìn)行吸濕性能試驗(yàn)，將點(diǎn)火藥放入底部盛有飽和硝酸鉀溶液的干燥器內(nèi)進(jìn)行吸濕作用，試驗(yàn)環(huán)境溫度為(20±3) ℃，持續(xù)恒溫，24 h后取樣進(jìn)行水分含量測試，其水分含量僅為0.13%，吸濕性極小，所以點(diǎn)火藥不存在水分超差的可能，且所有故障彈的點(diǎn)火藥層均完全燃燒并可靠引燃下一級的引燃劑裝藥，因此，可以排除點(diǎn)火藥水分超差影響裝藥燃燒的可能性。

2.3.5.2 引燃劑水分超差

取鑒定批剩余的引燃劑進(jìn)行持續(xù)吸濕處理后，按照實(shí)彈裝藥序列和密度，分別壓制20發(fā)藥柱(平均分為2組)進(jìn)行發(fā)火性能驗(yàn)證試驗(yàn)，每組平均試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表4。

表4 引燃劑吸濕處理后發(fā)火性能試驗(yàn)結(jié)果

由表4試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)引燃劑水分含量達(dá)到1.12%時(shí)，所有試樣均正常作用，未出現(xiàn)引燃劑未被點(diǎn)燃或過渡藥斷火現(xiàn)象；同時(shí)，對靶場鑒定試驗(yàn)中出現(xiàn)的故障彈解剖后觀察其彈體裝藥，發(fā)現(xiàn)點(diǎn)火藥、引燃劑以及過渡藥表層的藥劑均已被引燃，都是在過渡藥燃燒過程中發(fā)生斷火，現(xiàn)象一致。所以，可排除因引燃劑水分含量超差導(dǎo)致裝藥彈體作用不可靠的可能性。

2.3.5.3 過渡藥水分超差

取鑒定批剩余的過渡藥進(jìn)行持續(xù)吸濕處理后，按照實(shí)彈裝藥序列和密度，分別壓制20發(fā)藥柱(平均分為2組)進(jìn)行發(fā)火性能驗(yàn)證試驗(yàn)，每組平均試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表5。

表5 過渡藥吸濕處理后發(fā)火性能試驗(yàn)結(jié)果

由表5試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)過渡藥水分含量達(dá)到0.94%時(shí)，燃燒過程中在過渡藥層出現(xiàn)燃燒中斷現(xiàn)象，有90%的試樣能夠正常完成全部燃燒過程；當(dāng)水分含量增至1.5%時(shí)，僅有10%的試樣過渡藥能夠持續(xù)完成全部燃燒過程。試驗(yàn)現(xiàn)象表明，水分含量的增加會導(dǎo)致過渡藥持續(xù)燃燒的難度增大，斷火概率增大。

結(jié)合上述水分含量超差的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，引燃劑和過渡藥都存在因吸濕、受潮導(dǎo)致水分含量超出工藝要求范圍的現(xiàn)象。由于投擲試驗(yàn)中的故障彈均是在過渡藥層中部出現(xiàn)燃燒中斷現(xiàn)象，表明在引燃劑水分含量略高出工藝要求上限時(shí)，過渡藥表層藥面仍能被可靠引燃；同時(shí)結(jié)合表4和表5試驗(yàn)結(jié)果，可以確認(rèn)過渡藥水分超差是導(dǎo)致本次故障發(fā)生的原因之一。

2.3.5.4 燃燒劑水分超差

據(jù)表2和表3測試數(shù)據(jù)可以看出，裝藥彈體中燃燒劑水分含量未發(fā)現(xiàn)有超出工藝要求(≤0.8%)的現(xiàn)象。裝藥彈體中燃燒劑的水分含量與生產(chǎn)裝配前相比也基本無明顯變化，表明燃燒劑未發(fā)生水分含量超差現(xiàn)象，可以排除燃燒劑水分超差造成產(chǎn)品燃燒中斷的可能性。

3 機(jī)理分析

彈體裝藥內(nèi)部，各種藥劑的燃燒按如下過程進(jìn)行傳遞。

1)點(diǎn)火。延時(shí)引信發(fā)火并輸出火焰，引燃裝藥表層的點(diǎn)火藥。

2)引燃。點(diǎn)火藥點(diǎn)燃引燃劑，引燃劑引燃過渡藥，火焰?zhèn)鞑サ竭^渡藥內(nèi)部，燃燒沿彈體裝藥軸向推進(jìn)。

3)燃燒。過渡藥逐層燃燒完全并點(diǎn)燃主裝藥燃燒劑，燃燒劑燃燒釋放出高溫和大量熱熔渣，最終實(shí)現(xiàn)燃燒毀傷功能。

基于上述作用機(jī)理，分析該產(chǎn)品出現(xiàn)未正常作用現(xiàn)象，導(dǎo)致彈體裝藥斷火的原因如下。

1)彈體收口處連接強(qiáng)度不足。裝藥殼體與連接件收口處翻邊尺寸較窄，有不滿足工藝要求現(xiàn)象，殼體與連接件之間的連接強(qiáng)度降低，出現(xiàn)部分被試彈體在燃燒過程中連接件與殼體分離，燃燒壓力降低，同時(shí)表層已引燃的過渡藥裝藥層被帶出殼體，從而導(dǎo)致彈體裝藥燃燒中斷。

2)過渡藥水分含量超差。過渡藥的燃燒過程綜合了許多吸熱和放熱化學(xué)過程及傳熱物理過程。燃燒狀況受很多因素影響，整個(gè)過程極為復(fù)雜[2]。穩(wěn)態(tài)燃燒的傳播速度基本由反應(yīng)溫度和傳導(dǎo)至未燃物的熱量決定。隨著藥劑中水分含量的升高會消耗熱量，從而減緩燃燒速率，直至不能持續(xù)燃燒而中斷。試驗(yàn)結(jié)果表明，過渡藥水分含量超差就會出現(xiàn)燃燒難以持續(xù)的現(xiàn)象。該類現(xiàn)象在本次故障總數(shù)中所占比例最高，成為主要故障原因。該批產(chǎn)品進(jìn)行生產(chǎn)裝配期間正值夏季，氣候潮濕，雖然在壓藥裝配工房采取了相應(yīng)的措施(對稱裝藥和壓藥工序所在的工房進(jìn)行了防潮密封隔斷改造，工房內(nèi)增加吸濕機(jī)，相對濕度可控制在40%～50%，滿足工藝要求)，但在稱裝藥、壓藥和裝配工序外的轉(zhuǎn)運(yùn)、存儲等工序環(huán)節(jié)未能有效控制環(huán)境濕度；因此存在產(chǎn)品吸濕的可能性。

4 問題復(fù)現(xiàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證上述原因分析的準(zhǔn)確性，進(jìn)行了如下試驗(yàn)。

用鑒定批剩余藥劑按照鑒定批的技術(shù)狀態(tài)重新裝配該產(chǎn)品30枚。裝配之前，將引燃劑和過渡藥進(jìn)行吸濕處理，引燃劑水分含量為0.9%，過渡藥水分含量為0.9%，燃燒劑水分含量為0.6%，彈體合裝時(shí)，保證了收口處翻邊尺寸滿足工藝要求；然后，進(jìn)行了作用可靠性試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)量為常溫、高溫和低溫各10發(fā)。

試驗(yàn)結(jié)果表明，高溫條件下所有被試品試驗(yàn)全部正常作用；常溫和低溫試驗(yàn)中各出現(xiàn)1枚未正常作用現(xiàn)象；全部被試樣品中未再出現(xiàn)連接件被推出裝藥殼體、彈體分離的現(xiàn)象。

解剖2枚故障彈觀察發(fā)現(xiàn)，引信均正常作用，點(diǎn)火藥和引燃劑均被可靠引燃，表層過渡藥也被可靠引燃，但在過渡藥中部斷火。2枚試樣故障現(xiàn)象基本相同，與靶試故障彈試驗(yàn)現(xiàn)象也基本一致。從試驗(yàn)結(jié)果看，復(fù)現(xiàn)了彈體裝藥未被點(diǎn)燃的故障現(xiàn)象。

基于上述排查及驗(yàn)證認(rèn)為，本次試驗(yàn)中彈體裝藥燃燒中斷故障的主要原因是過渡藥水分含量超過工藝上限要求。

5 采取的措施及驗(yàn)證

5.1 采取的措施

根據(jù)故障問題分析結(jié)果，采取如下措施。

1)針對故障彈中收口翻邊尺寸較窄、連接強(qiáng)度降低的現(xiàn)象，進(jìn)行了提高可靠性裕度的設(shè)計(jì)改進(jìn)。彈體合裝收口時(shí)，將收口處的翻邊尺寸由圖樣的1～2 mm增大至2～3 mm，提高收口強(qiáng)度，同時(shí)加強(qiáng)制造過程中對彈體收口質(zhì)量的檢查、控制。

2)嚴(yán)格控制試制裝配時(shí)的工藝環(huán)境條件和藥劑水分含量。保障制造過程中所有工序環(huán)境條件符合工藝要求，各種藥劑水分含量嚴(yán)格控制在工藝要求范圍以內(nèi)。

3)裝藥彈體收口合裝后及時(shí)加裝密封堵頭和密封圈，并用包裝袋密封包裝保存，防止產(chǎn)品受潮。

5.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

明確故障原因后，按照上述改進(jìn)措施方案，重新組織進(jìn)行了藥劑制備和全彈的生產(chǎn)制造。在整個(gè)制藥和裝配過程中，加強(qiáng)控制生產(chǎn)環(huán)境工藝條件(環(huán)境溫度和濕度)，嚴(yán)格執(zhí)行工藝要求，補(bǔ)充試制裝配彈體200枚，分別進(jìn)行了振動、跌落、浸水、自然溫度投擲試驗(yàn)60枚，作用可靠性試驗(yàn)140枚。作用可靠性試驗(yàn)中，常溫40枚，高溫40枚，低溫60枚，全部作用可靠，未再出現(xiàn)瞎火、斷火和連接件脫落等現(xiàn)象，作用可靠率為100%，產(chǎn)品均滿足指標(biāo)要求。驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果表明，采取措施合理、有效。

6 結(jié)語

采用故障樹法分析明確故障原因，通過有效控制制造工藝后進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)，被試樣品全部正常作用，產(chǎn)品正常作用率有了顯著提高，達(dá)到了戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)要求。試驗(yàn)結(jié)果表明，產(chǎn)品故障分析定位準(zhǔn)確，改進(jìn)措施有效，順利完成故障歸零。可見，采用故障樹分析方法對該類產(chǎn)品故障進(jìn)行分析效果明顯，是進(jìn)行彈藥產(chǎn)品故障分析、歸零的有效工具。