基于歷史數(shù)據(jù)的火箭武器故障分析研究*

王小召，張建新，張 震，徐 卓，楊園園，孫麗紅

(湖北江山重工有限責(zé)任公司，湖北襄陽 441005)

0 引言

隨著火箭武器自動(dòng)化、信息化和智能化程度不斷提升，火箭武器的復(fù)雜程度越來越高[1]，由于系統(tǒng)構(gòu)成環(huán)節(jié)和影響因素的增加，發(fā)生故障和功能失效的概率逐漸加大[2]。同時(shí)，現(xiàn)代戰(zhàn)爭對(duì)武器系統(tǒng)快速反應(yīng)和機(jī)動(dòng)作戰(zhàn)能力的要求越來越高，對(duì)火箭武器的可靠性提出更高的要求，因此，火箭武器復(fù)雜度和可靠性之間的矛盾日益突出，逐漸成為火箭武器發(fā)展的瓶頸，亟待解決。

目前，對(duì)火箭武器故障的研究較少，主要集中在插拔機(jī)構(gòu)[3]、火控[4-5]和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)[6-7]等重要部件，且多數(shù)為故障檢測和仿真分析[8]，尚沒有對(duì)火箭武器系統(tǒng)故障及其規(guī)律的研究?？煽啃栽O(shè)計(jì)也主要依賴于設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)，而經(jīng)驗(yàn)常帶有主觀性和片面性，從而造成設(shè)計(jì)反復(fù)、資源浪費(fèi)和武器系統(tǒng)性能發(fā)揮不充分等不良影響。

隨著科技的進(jìn)步，智能化、無人化也將成為火箭武器發(fā)展的方向，故障的智能診斷和預(yù)測將成為提高武器系統(tǒng)生存率和提高后勤保障效率的重要手段?；诖髷?shù)據(jù)的故障智能預(yù)測應(yīng)用越來越廣泛[9]， 必然要求對(duì)火箭武器的故障數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、處理，并以此建立數(shù)據(jù)庫，這些都離不開對(duì)火箭武器系統(tǒng)故障的認(rèn)識(shí)。

為深化對(duì)火箭武器故障的認(rèn)識(shí)，在對(duì)某型號(hào)火箭炮歷史故障數(shù)據(jù)進(jìn)行全面收集并建立數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上，對(duì)火箭炮故障進(jìn)行分類研究。通過研究得到了火箭武器故障發(fā)生發(fā)展的規(guī)律，總結(jié)了故障原因并進(jìn)行了故障分類，對(duì)火箭武器的維修性、可靠性、測試性設(shè)計(jì)及維護(hù)保養(yǎng)決策等具有重要指導(dǎo)意義。同時(shí)，為火箭武器故障預(yù)測和健康管理[10]等技術(shù)的發(fā)展提供了重要的數(shù)據(jù)支撐。

1 火箭武器系統(tǒng)及其故障

1.1 組成結(jié)構(gòu)

以某型火箭武器系統(tǒng)為研究對(duì)象，其高低機(jī)和支撐機(jī)構(gòu)采用液壓機(jī)構(gòu)，方向機(jī)為伺服電機(jī)；底架固定器和行軍固定器采用氣動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)。按工作原理，將系統(tǒng)分為4個(gè)分系統(tǒng)：機(jī)械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)。

1.2 故障數(shù)據(jù)庫

對(duì)使用過程中的故障數(shù)據(jù)和售后服務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)梳理，建立了火箭武器故障數(shù)據(jù)庫，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)形式見表1。

表1 故障數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

表1中，故障模式是梳理的故障；故障時(shí)間為武器系統(tǒng)累計(jì)使用時(shí)間；故障位置分為分系統(tǒng)和部件兩個(gè)部分，各由兩位編碼表示，是工廠使用代碼；故障原因和維修方法是技術(shù)人員的分析結(jié)果。

表中的嚴(yán)酷程度是按照故障對(duì)功能和安全的影響程度進(jìn)行分類，將故障分成3級(jí)：

Ⅰ級(jí)故障：對(duì)產(chǎn)品的使用、維修或保管等有關(guān)人員會(huì)造成危害或不安全，以及對(duì)產(chǎn)品的基本功能有致命影響的故障；

Ⅱ級(jí)故障：不構(gòu)成致命故障，但很可能造成或嚴(yán)重降低產(chǎn)品使用性能的故障；

Ⅲ級(jí)故障：不構(gòu)成嚴(yán)重故障，只對(duì)產(chǎn)品的使用性能有輕微影響或幾乎沒有影響的故障。

2 故障統(tǒng)計(jì)分析

2.1 故障時(shí)間特性

對(duì)不同時(shí)間段故障數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到故障發(fā)生數(shù)量隨時(shí)間的變化規(guī)律，如圖1所示。

圖1 故障發(fā)生數(shù)量隨時(shí)間分布規(guī)律

由圖1可以看出，故障數(shù)量的整體分布符合浴盆曲線。早期失效期故障數(shù)量的峰值出現(xiàn)在300～400 h之間，在此之前可以安排一次大范圍的檢查保養(yǎng)，以免故障影響擴(kuò)大而造成更嚴(yán)重的后果，從而減小經(jīng)濟(jì)損失，提高武器系統(tǒng)可靠性。

2.2 故障分布情況

通過統(tǒng)計(jì)不同位置故障數(shù)量，得到了故障在武器各分系統(tǒng)的分布規(guī)律，如圖2所示。分系統(tǒng)中的故障分布分別如圖3～圖6所示。

圖2 故障總體分布

由圖2可知，電氣系統(tǒng)的故障數(shù)量最高，達(dá)到總量的49.07%。實(shí)際上，在該武器系統(tǒng)中電氣系統(tǒng)的復(fù)雜程度也是最高的。

圖3 機(jī)械系統(tǒng)故障及分布

由圖3可知，機(jī)械系統(tǒng)故障中漏油故障的比例最高，達(dá)37.18%，其原因中密封件損壞占比高達(dá)76.67%。位于第二位的故障為零部件損壞，其原因中外力損壞占比為41.67%，火箭武器系統(tǒng)的工作環(huán)境較為惡劣，裸露零部件易遭受外力破壞。由于裝配造成的機(jī)械故障占比達(dá)20.51%，應(yīng)當(dāng)注意系統(tǒng)裝配的工藝性。

由圖4可以看出，電氣系統(tǒng)故障主要為器件損壞和線路連接故障，分別占比48.42%和32.11%?；鸺淦飨到y(tǒng)所要求適應(yīng)的極端惡劣環(huán)境條件，對(duì)電子器件的要求更加苛刻，器件故障在整個(gè)電氣系統(tǒng)中分布廣泛，尤其是集成電路故障，其數(shù)量占器件損壞故障總量的23.66%。因此，在選擇電氣功能模塊時(shí)，應(yīng)提高要求和標(biāo)準(zhǔn)，適當(dāng)采取冗余設(shè)計(jì)措施。連接線路故障中電纜損壞和接頭損壞比例分別為59.02%和40.98%，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)更加優(yōu)化布線方式和保護(hù)措施。

圖4 電氣系統(tǒng)故障及分布

圖5 氣動(dòng)系統(tǒng)故障及分布

由圖5可以看出，氣動(dòng)系統(tǒng)80%的故障為漏氣，漏氣的原因?yàn)闅夤軗p壞和接頭松動(dòng)，分別占72.73%和7.27%。氣管大多布置在汽車底盤的底部，易受到環(huán)境中其它物質(zhì)的侵蝕。

由圖6可以看出，漏油是液壓系統(tǒng)的主要故障，占分系統(tǒng)總故障的60.27%，主要原因?yàn)槊芊饧?、連接松動(dòng)和油管破裂。設(shè)計(jì)時(shí)需重視密封方式和材料的選擇以及油路的保護(hù)?；鸺淦鞯男旭偮窙r復(fù)雜，振動(dòng)劇烈，容易造成緊固連接的松動(dòng)，應(yīng)注重防松設(shè)計(jì)。

圖6 液壓系統(tǒng)故障及分布

2.3 故障嚴(yán)酷度分析

不同嚴(yán)酷度等級(jí)故障中各系統(tǒng)所占比例如圖7所示。

圖7 武器系統(tǒng)故障嚴(yán)酷度分布

結(jié)合圖3和圖7可以看出，機(jī)械系統(tǒng)故障數(shù)量雖多，但故障影響較低，整體來看其可靠性較高。

結(jié)合圖5和圖7可以看出，氣動(dòng)系統(tǒng)故障雖然在整個(gè)武器系統(tǒng)故障中占比較小，但其大多為Ⅰ級(jí)和Ⅱ級(jí)故障，影響較大。

從圖7中故障嚴(yán)酷度分布可以看出，Ⅰ級(jí)和Ⅱ級(jí)故障中電氣系統(tǒng)故障分別占77.53%和48.88%。電氣系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)是火箭武器系統(tǒng)維護(hù)保養(yǎng)和可靠性設(shè)計(jì)的重心。

3 故障原因分析

由2.2節(jié)分析可知，故障的主要原因?yàn)榱慵氖Ш脱b配關(guān)系的失效。零部件的失效主要表現(xiàn)為零部件的損壞。裝配關(guān)系失效主要表現(xiàn)為連接關(guān)系和裝配關(guān)系兩個(gè)方面。

故障機(jī)理是指導(dǎo)致故障的物理、化學(xué)或其它過程。通常指最低層次上的一些直接原因?；鸺淦髁悴考氖C(jī)理主要表現(xiàn)為：

1)磨損

引起磨損的可能原因是制造材料性質(zhì)、制造缺陷、超過規(guī)定限度使用、缺乏維護(hù)、操作不當(dāng)?shù)取?/p>

2)疲勞

火箭武器中由疲勞引起的故障主要表現(xiàn)為傳動(dòng)軸、齒輪、聯(lián)接鍵等周期性受力零件的失效。電子元器件受到長期的振動(dòng)沖擊，也易產(chǎn)生疲勞失效。

3)老化

老化是密封墊、氣管等非金屬件和電子元器件失效的一個(gè)重要原因。

4)腐蝕

腐蝕除了跟環(huán)境因素有關(guān)外，主要原因是制造工藝缺陷和缺乏維護(hù)。

5)外力

外力損壞是火箭武器裸露零部件失效的一個(gè)重要原因。由于操作使用不當(dāng)導(dǎo)致零部件所承受的載荷超出規(guī)定值，引起失效。

火箭武器裝配關(guān)系失效的機(jī)理主要為：

1)振動(dòng)

振動(dòng)是引起連接松動(dòng)的原因之一，包括行軍時(shí)的振動(dòng)和射擊時(shí)的沖擊振動(dòng)等。

2)制造誤差

制造誤差使零件一致性變差，在相同裝配條件下，可能會(huì)導(dǎo)致裝配關(guān)系的不一致，如角傳感器零漂和誤差不一致等。

3)環(huán)境溫度劇烈變化

溫度的劇烈變化導(dǎo)致不同材料產(chǎn)生不同的伸縮量，從而引發(fā)裝配關(guān)系變化。

4)磨損

磨損導(dǎo)致裝配關(guān)系變化而引起功能異常。

4 故障分類

由2.2節(jié)和2.3節(jié)的分析可知，電氣系統(tǒng)故障率和故障嚴(yán)酷度均較高。因此，以電氣系統(tǒng)為例，討論故障分類方式。

電氣系統(tǒng)由多種大量電子元器件串聯(lián)或并聯(lián)組成相應(yīng)的功能模塊，功能模塊再經(jīng)過串并聯(lián)完成特定的功能，因而，在電氣系統(tǒng)中故障容易產(chǎn)生“多米諾效應(yīng)”而引發(fā)多重故障，一個(gè)電子元器件的故障可能會(huì)引起整個(gè)系統(tǒng)功能失效。

根據(jù)電氣系統(tǒng)的架構(gòu)和工作原理，結(jié)合2.2節(jié)故障統(tǒng)計(jì)分析，按照功能實(shí)現(xiàn)的分類原則可將故障分成4類：

第一類故障為武器系統(tǒng)主要功能故障，是系統(tǒng)直接反饋給用戶的故障現(xiàn)象，包括不能調(diào)炮、支撐裝置不能放列、行軍固定器無法鎖緊/解脫等。

第二類故障為分系統(tǒng)功能故障，其上一層故障影響為第一類故障，包括供配電故障、驅(qū)動(dòng)控制故障、聯(lián)鎖控制故障等。

第三類故障為功能模塊故障，其上一層故障影響為第二類故障，包括電源并網(wǎng)功能失效、電機(jī)失效、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器失效、人機(jī)交互故障、通信故障等。

第四類故障為零部件故障，是保障人員進(jìn)行維修的最小單元故障(表1所示的故障原因)，其上一層故障影響為第三類故障，包括啟動(dòng)電阻損壞、調(diào)壓器損壞、線纜短路、線纜斷路、二極管損壞、保險(xiǎn)管損壞、繼電器損壞、傳感器損壞等。

5 結(jié)束語

根據(jù)部隊(duì)和售后技術(shù)人員提供的某型號(hào)火箭武器系統(tǒng)的故障數(shù)據(jù)，建立了故障數(shù)據(jù)庫，統(tǒng)計(jì)了故障在時(shí)間和空間上的分布以及不同嚴(yán)酷度等級(jí)故障在各系統(tǒng)的分布，分析了故障原因及故障分類方式，結(jié)果表明： 1)早期失效期故障數(shù)量的峰值出現(xiàn)在300～400 h之間，可據(jù)此制定維護(hù)保養(yǎng)決策。2)氣動(dòng)系統(tǒng)雖然故障數(shù)量少，但故障影響均較大，不可忽略。3)漏油故障是機(jī)械系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)的主要故障，雖然大多數(shù)短期影響較小，但長期影響較大，應(yīng)該作為重點(diǎn)進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)。4)電氣系統(tǒng)故障數(shù)量大，嚴(yán)酷度等級(jí)高，影響最為惡劣，電子器件損壞和線路連接故障為主要原因。5)在實(shí)際項(xiàng)目中，若對(duì)火箭武器系統(tǒng)實(shí)施故障檢測、預(yù)測等，應(yīng)當(dāng)以電氣系統(tǒng)為重點(diǎn)，以期達(dá)到最優(yōu)效果。6)電氣系統(tǒng)故障可按功能層次進(jìn)行分類，有助于進(jìn)行故障模式及影響分析和可靠性、維修性設(shè)計(jì)。