機(jī)械火工品設(shè)計(jì)與生產(chǎn)過程中的感度控制研究

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摘 要：火工品技術(shù)廣泛應(yīng)用于武器裝備、航天和航天器等領(lǐng)域。近年來，機(jī)械爆炸產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)得到了發(fā)展和提出，雖然它已經(jīng)在一些產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計(jì)中得到了初步的應(yīng)用，但是在實(shí)際生產(chǎn)過程的控制中并沒有得到有效的應(yīng)用，更沒有在生產(chǎn)過程中得到體現(xiàn)。本文基于機(jī)械炸藥的可靠性設(shè)計(jì)理論，建立了機(jī)械炸藥設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中的靈敏度控制方法，給出了靈敏度控制的實(shí)現(xiàn)步驟。

關(guān)鍵詞：機(jī)械火工品;設(shè)計(jì);感度控制

中圖分類號：TQ560.6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）04-0101-02

機(jī)械起爆裝置的可靠性設(shè)計(jì)主要是敏感參數(shù)的選擇和設(shè)計(jì)，機(jī)械爆炸設(shè)計(jì)和生產(chǎn)控制的傳統(tǒng)方法是“繪畫+演奏”的經(jīng)驗(yàn)或方法，也就是說，通過對消費(fèi)品進(jìn)行大量的成功或不成功的試驗(yàn)，可以得到產(chǎn)品性能參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。每一個煙花都有一個關(guān)鍵的刺激，當(dāng)外部刺激大于臨界刺激時，由于生產(chǎn)過程、原材料等隨機(jī)因素的影響，臨界刺激是一個隨機(jī)變量，不同類型的起爆藥具有不同的分散度，變異系數(shù)可以用來表示靈敏度的相對分散度，變異系數(shù)小，產(chǎn)品靈敏度小，在實(shí)際工程中，如果產(chǎn)品的靈敏度分散度很小，產(chǎn)品很容易滿足可靠性指標(biāo)，否則就不能滿足可靠性指標(biāo)。因此，變異系數(shù)的取值是影響產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)的重要因素，基于機(jī)械炸藥產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)理論，建立了機(jī)械炸藥產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的靈敏度控制方法，系統(tǒng)地提出了靈敏度控制的實(shí)現(xiàn)過程，可廣泛應(yīng)用于高可靠性的生產(chǎn)指導(dǎo)中。

1 火工品的概念

火工品是指含有少量火藥、炸藥或煙火，并能在預(yù)定的刺激下點(diǎn)燃而產(chǎn)生燃燒或爆炸效果，用以完成點(diǎn)火、爆轟、機(jī)械工作或特效功能的部件或裝置的總稱。煙火的本質(zhì)功能可以概括為三個方面：能量轉(zhuǎn)換、能量傳遞和能量放大。

2 火工品的分類

根據(jù)輸入和輸出形式的不同，煙火可分為火焰法、打針/沖擊/摩擦法、電熱法、電爆炸法、沖擊波法、激光法等點(diǎn)火方法。火工品按其輸出可分為點(diǎn)火、起爆、延遲、功等用途。常用的點(diǎn)火器有帽、起爆器、點(diǎn)火器、點(diǎn)火器、推進(jìn)劑包、引信、放火裝置等。點(diǎn)火器包括雷管、雷管、雷管、助推器、雷管等。延遲點(diǎn)火器包括延遲管、延遲柱、定時筒、延遲電纜，爆炸裝置包括執(zhí)行器、切割器、壓力缸。RS、爆炸開關(guān)、釘子等。其他點(diǎn)火裝置包括排氣管、火炬、火炬、煙霧彈、誘餌、燃?xì)獍l(fā)生器等。

3 機(jī)械火工品可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)

3.1 機(jī)械火工品的分布和偏轉(zhuǎn)系數(shù)

采用針沖式雷管、針沖式雷管、沖擊式雷管、沖擊式雷管、沖擊式引信等9種產(chǎn)品的大樣本逐步法，證明了機(jī)械起爆裝置輸入?yún)?shù)的靈敏度分布是對數(shù)正態(tài)分布。由于機(jī)械起爆裝置的靈敏度服從非對稱型對數(shù)正態(tài)分布，原則上要求對激勵進(jìn)行自然對數(shù)變換。然而，由于在這種長對數(shù)條件下刺激間隔較短，測試結(jié)果誤差較大，在大多數(shù)情況下，它們?nèi)匀皇菍?shí)際的生產(chǎn)和測試標(biāo)準(zhǔn)。靈敏度變化系數(shù)k定義為標(biāo)準(zhǔn)偏差（Sigma）與50%點(diǎn)火靈敏度（U50）之比。通過對大樣本試驗(yàn)的逐步分析，得出機(jī)械起爆裝置的變異系數(shù)在0.10～0.25之間。當(dāng)點(diǎn)火高度小于10cm時，工藝和試驗(yàn)操作不易控制，變化系數(shù)一般小于0.25;當(dāng)點(diǎn)火高度大于10cm小于15cm時，變化系數(shù)一般小于0.20。當(dāng)點(diǎn)火高度大于15cm時，過程控制良好，變異系數(shù)一般小于0.15[1]。

3.2 機(jī)械火工品可靠性設(shè)計(jì)

全發(fā)火能量HMAX和安全能量HMIN的計(jì)算，機(jī)械火工品感度參數(shù)分布為yNμσ，假設(shè)在設(shè)計(jì)發(fā)火刺激量作用下，發(fā)火可靠度為;其設(shè)計(jì)安全刺激量為H0，對應(yīng)安全可靠度為Rs。則：

3.3 感度設(shè)計(jì)控制范圍計(jì)算與實(shí)施

3.3.1 機(jī)械火工品靈敏度設(shè)計(jì)控制范圍的計(jì)算

在大批量生產(chǎn)前的開發(fā)設(shè)計(jì)階段和施工過程中，必須確定和控制點(diǎn)火靈敏度的范圍。主要步驟是：（1）根據(jù)產(chǎn)品特性和點(diǎn)火能量確定變化系數(shù)和裕度;（2）確定總點(diǎn)火能量和總非點(diǎn)火能量;（3）根據(jù)確定的總點(diǎn)火能量和總非點(diǎn)火能量，由公式得出點(diǎn)火靈敏度的控制范圍。

3.3.2 機(jī)械煙火藥靈敏度控制范圍的實(shí)現(xiàn)

機(jī)械起爆裝置的靈敏度值通常是通過逐步遞增的方法獲得的，逐步法又稱大樣本法，其優(yōu)點(diǎn)是獲得的50%靈敏度值和標(biāo)準(zhǔn)偏差相對準(zhǔn)確，但缺點(diǎn)是試樣尺寸大。一般來說，需要2000多次試驗(yàn)來確定50%的靈敏度值。升降法又稱小樣本法，測試的優(yōu)點(diǎn)是樣本量小，通常需要30組左右，缺點(diǎn)是靈敏度值存在50%的組差，特別是有時會出現(xiàn)多次標(biāo)準(zhǔn)差，嚴(yán)重影響計(jì)算的總點(diǎn)火能量和總非點(diǎn)火能量值。因此，在確定機(jī)械炸藥產(chǎn)品的敏感度控制范圍后，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)采用哪種方法來確定初始產(chǎn)品狀態(tài)是非常重要的。如果50%的原始狀態(tài)的感官控制在感官控制范圍內(nèi)，則可作為設(shè)計(jì)狀態(tài)進(jìn)行鞏固，在上升試驗(yàn)中，除非50%的感官控制值不在感官控制范圍內(nèi)，否則必須重新評估初始狀態(tài)。如果50%的感官控制值在感官控制范圍內(nèi)，則應(yīng)進(jìn)行額外的增強(qiáng)試驗(yàn)。如果附加上升試驗(yàn)感官值的50%不在感官控制范圍內(nèi)，則必須改變初始狀態(tài)，初始狀態(tài)可以在感官控制范圍內(nèi)，而平均50%狀態(tài)可以在感官控制范圍內(nèi)。如果平均50%在觸覺控制范圍或更低范圍內(nèi)，則初始狀態(tài)必須改變，重新評定，重新調(diào)整后仍符合要求，進(jìn)行靈敏度測試[2]。

3.3.3 針刺火工品感度控制設(shè)計(jì)與實(shí)施舉例

該系列的子彈需要使用高度靈敏的微型針孔雷管。主要技術(shù)指標(biāo)有：點(diǎn)火：8cm（7g）;失?。?.14厘米（7g）;可靠性：0.999（置信度：0.90）。起爆藥的點(diǎn)火靈敏度主要由起爆藥的起爆靈敏度和起爆藥蓋的厚度決定。該針刺藥的靈敏度設(shè)計(jì)控制范圍計(jì)算如：（1）點(diǎn)火落點(diǎn)高度僅為8cm，變異系數(shù)可計(jì)算為0.25，得到1.00的裕度。（2）根據(jù)8cm的點(diǎn)火高度、1.14cm的不著火高度和1.00的確定余量值，分別確定8cm的總點(diǎn)火能值和1.14cm的總不著火能值。（3）根據(jù)確定的總點(diǎn)火能值為8cm，總不著火能值為1.14cm，可靠性要求為0.999，反推的點(diǎn)火靈敏度H50控制范圍為[3.52，2.75]，平均值為3.13cm。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，初步將引物中使用的原始引物分為四氮化鉛、羧甲基纖維素氮化鉛和硫化銻，引物蓋層厚度為0.04mm。首先，根據(jù)提升試驗(yàn)的初始狀態(tài)，50%的靈敏度值分別為3.65cm和2.94cm。由于靈敏度控制范圍內(nèi)只有50%的靈敏度值，補(bǔ)充試驗(yàn)得到的50%的靈敏度值為3.48cm，處于靈敏度控制范圍內(nèi)，50%的靈敏度值在中值附近的平均值為3.35cm，則該狀態(tài)為最終狀態(tài)。

3.3.4 該型號針刺雷管的靈敏度設(shè)計(jì)及可靠性試驗(yàn)

為了確定用提升法代替步進(jìn)法計(jì)算50%點(diǎn)火值的可行性，本文還以某高敏微針刺雷管為例。三組提升法和臺階法的實(shí)際測試結(jié)果如表1所示。

對表的步進(jìn)法試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)，判定感度分布符合對數(shù)正態(tài);在對數(shù)正態(tài)分布下，根據(jù)最大似然估計(jì)，log-50%的點(diǎn)火值u為1.1513（對應(yīng)3.26cm），log-標(biāo)準(zhǔn)差sigma為0.2494（對應(yīng)0.8263cm），最小總點(diǎn)火值M為6.9260cm（對應(yīng)0.999）。通過比較提升方法和步進(jìn)方法的測試結(jié)果，可以看出，50%的平均值獲得的點(diǎn)火起重方法基本上是相同的，而標(biāo)準(zhǔn)差值（0.37）通過提升方法顯然是小于實(shí)際結(jié)果（0.826）通過步進(jìn)方法，這實(shí)際價(jià)值基本上是一樣的，通過選擇0.25變異系數(shù)（0.837）。由此可見，在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過程中，50%的點(diǎn)火均值可采用提升法計(jì)算，標(biāo)準(zhǔn)差可采用經(jīng)驗(yàn)變異系數(shù)和點(diǎn)火均值計(jì)算。測試和驗(yàn)證針灸的可靠性提出了選擇試驗(yàn)，溫度40℃，在加強(qiáng)系數(shù)K分別為0.90和0.95可靠性測試，保證40℃低溫4h，分別在6.50毫米，7.20毫米和8.0毫米，點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)結(jié)果充分燃燒，和鋼產(chǎn)量參數(shù)值大于0.25毫米，凹深試驗(yàn)表明，該產(chǎn)品的點(diǎn)火可靠性為0.999（置信水平為0.90）[3]。

4 感度變差系數(shù)在火工品可靠性設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

目前工藝材料的發(fā)展主要是用于圖解法、附加的和更多的經(jīng)驗(yàn)，在理論計(jì)算中很少使用，也沒有定量的評定可調(diào)性。對于機(jī)械部件，可靠性要求與光方向分布之間的關(guān)系可以通過參考部件分布參數(shù)的理論值來實(shí)現(xiàn)，該理論值可以在設(shè)計(jì)和試驗(yàn)過程中從理論上進(jìn)行計(jì)算。所選參數(shù)可進(jìn)行調(diào)整，以優(yōu)化設(shè)計(jì)防火元件的目的，從而減少科學(xué)設(shè)計(jì)澆注可靠性指標(biāo)，發(fā)火：8cm;不發(fā)火：1.14cm;可靠度：0.90時。針刺火工品的發(fā)火感度主要受針刺藥感度和針刺部位蓋片厚度決定。計(jì)算該針刺火工品的感度設(shè)計(jì)控制范圍具體為：發(fā)火落高僅8cm，其變異系數(shù)可按0.25計(jì)算，得到裕度為1.00。根據(jù)發(fā)火高度8cm、不發(fā)火高度1.14cm及確定的裕度值1.00，確定全發(fā)火能量值為8cm、全不發(fā)火能量值為1.14cm。根據(jù)確定的全發(fā)火能量值8cm 和全不發(fā)火能量值1.14cm，以及可靠度0.999要求，反推發(fā)火感度H50的控制范圍其均值為3.13cm。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，初步選定該針刺雷管所用針刺藥組分為四氮烯、羧甲基纖維素氮化鉛、硫化銻，針刺部位蓋片厚度為0.04mm?？杀ＷC可靠性指標(biāo)，最重要類型的變異系數(shù)的平均值作為設(shè)計(jì)參數(shù)，即考慮盡量避免生產(chǎn)過程中的潛在誤差，這意味著在設(shè)計(jì)和產(chǎn)品中，可以推斷通過提升方法獲得的50%的熱量平衡值[4]。

5 結(jié)語

機(jī)械火工品可靠性靈敏度設(shè)計(jì)需要設(shè)置的值系數(shù)的變異，變異系數(shù)類似的產(chǎn)品可以利用現(xiàn)有的統(tǒng)計(jì)分析值，還可以根據(jù)所提供的機(jī)械靈敏度敏感性變異系數(shù)的分布函數(shù)確定變異系數(shù)的值，通過機(jī)械火工品可靠性靈敏度設(shè)計(jì)理論，在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過程中設(shè)置機(jī)械起爆裝置的靈敏度控制方法和實(shí)施步驟，可廣泛應(yīng)用于高可靠性的機(jī)械設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中。

參考文獻(xiàn)

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