火工品貯存運輸加速試驗方法研究

李會娜 韋冰峰 馮國林 吳建國

火工品貯存運輸加速試驗方法研究

李會娜1韋冰峰1馮國林2吳建國2

（1 北京強度環(huán)境研究所，北京 100076；2 北京強度環(huán)境研究所 可靠性與環(huán)境工程技術(shù)重點實驗室，北京，100076）

針對目前火工品加速貯存試驗中未考慮振動損傷影響的現(xiàn)狀，文章研究了典型火工品貯存運輸加速試驗方法，分析了振動應力對火工品貯存的影響。模擬火工品實際運輸狀態(tài)，設(shè)計火工品運輸試驗、測試火工品運輸過程中的力學環(huán)境；確定運輸載荷譜、加速運輸載荷譜的方法和過程；建立典型火工品貯存運輸加速試驗方法。研究了爆炸螺栓相同溫度和濕度、不同運輸貯存條件下的貯存可靠性，在較短運輸里程時，貯存可靠性沒有明顯影響；當運輸達到一定里程時，貯存可靠性明顯下降。

火工品；運輸；加速試驗；貯存可靠性

0 引言

火工品是裝有火藥或炸藥，受外界能量刺激后產(chǎn)生爆炸或燃燒，用以引爆炸藥、引燃火藥、做機械功或產(chǎn)生特種效應的一次性使用的元器件和裝置的總稱[1]。導彈等武器裝備一般具有“長期貯存，一次使用”的特點，火工品是導彈上的關(guān)鍵部件，它的失效將影響整個導彈的作戰(zhàn)性能?；鸸て放c導彈上其他各部件相比，貯存壽命一般較短，導彈的服役壽命在很大程度上取決于其上火工品的使用壽命。

為了在短時間內(nèi)獲取導彈武器裝備的貯存可靠性信息，開展貯存可靠性與貯存期等戰(zhàn)術(shù)指標評估，世界各國都十分重視加速貯存試驗技術(shù)研究，尤其是美國和俄羅斯兩個當今世界軍事強國，在加速貯存試驗技術(shù)領(lǐng)域開展了大量的研究工作，積累了豐富的理論和實踐經(jīng)驗[2]。美國十分重視火工品貯存可靠性研究，形成DOD-E-83578A（USAF）《航天飛行器爆炸器材通用規(guī)范》[3]，根據(jù)規(guī)范開展溫度循環(huán)、振動、沖擊等多種試驗，模擬綜合環(huán)境對火工品貯存性能的影響，通過發(fā)火試驗驗證產(chǎn)品功能可靠，若全部成功發(fā)火，則給出產(chǎn)品有若干年服役壽命的評估結(jié)果。而我國目前火工品加速貯存試驗方法以71度法為主，此方法為高溫恒定應力加速貯存試驗，只能模擬貯存環(huán)境中高溫對產(chǎn)品的影響[4-6]，未考慮運輸中的振動對產(chǎn)品的影響，因此本文開展火工品貯存運輸加速試驗方法研究，分析振動應力對火工品貯存的影響。

1 火工品運輸試驗

在運輸過程中，低過載長時間的隨機振動環(huán)境被認為是運輸過程中造成產(chǎn)品損壞的主要因素[7]，因此可以利用隨機振動試驗模擬火工品在公路運輸中經(jīng)受的振動環(huán)境。研究溫度、濕度和振動等對火工品貯存性能的影響，首先進行振動試驗，然后進行溫度、濕度等試驗。

1.1 火工品運輸試驗技術(shù)狀態(tài)

參加運輸試驗的火工品為爆炸螺栓，爆炸螺栓按照標準要求裝在火工品箱內(nèi)，采取可靠的固定方式、固定在運輸車內(nèi)，保證其在運輸條件下不前后竄動、上下跳動和左右擺動，模擬火工品實際運輸狀態(tài)。根據(jù)火工品技術(shù)文件及相關(guān)標準，制定路面等級和速度要求見表1。

1.2 火工品運輸力學環(huán)境測試

測量裝有爆炸螺栓包裝箱運輸試驗過程中的振動環(huán)境，振動測點設(shè)計為4個，每個測點分X（車前后方向，即縱向）、Y（垂直路面方向，即垂向）、Z（車左右方向，即橫向）三個方向。振動響應測點位置為火工品包裝箱與運輸車接觸面附近，振動測點示意圖見圖1。運輸試驗振動環(huán)境測試按不同路面、速度等不同工況進行測試。

表1 運輸試驗條件

圖1 火工品包裝箱力學環(huán)境測試振動測點示意圖

2 運輸載荷譜確定

爆炸螺栓運輸振動環(huán)境測試完成后，按I級、II級、III級、IV級和高速路等5種不同路況，對各個測點的數(shù)據(jù)分別進行功率譜密度分析。每種路況下，測點Z1、Z2、Z3和Z4為一個域，進行環(huán)境統(tǒng)計。公路運輸試驗振動環(huán)境測試結(jié)果統(tǒng)計，每種路況、每個方向設(shè)計1個條件，子樣數(shù)均38，當數(shù)據(jù)滿足對數(shù)正態(tài)分布時，采用P95/50正態(tài)容差限用于試驗的最高期望環(huán)境譜值；當數(shù)據(jù)不滿足對數(shù)正態(tài)分布時，采用無參數(shù)上限統(tǒng)計估計用于試驗的最高期望環(huán)境譜值。各級路最高期望環(huán)境譜圖如圖2所示。

分析得出，縱向、垂向和橫向三個方向的譜值差異明顯，各個方向需要分別統(tǒng)計；II級、III級、IV級公路相同方向的譜值相當，可以合在一起統(tǒng)計；I級和高速路相同方向的譜值相當，可以合在一起統(tǒng)計。結(jié)合火工品的實際設(shè)計、運輸試驗振動環(huán)境測量結(jié)果，統(tǒng)計“高速路”（I級和高速路）和“IV級公路”（II級、III級和IV級公路）兩種工況的振動環(huán)境作為火工品公路運輸?shù)恼駝迎h(huán)境。其中“高速路”運輸振動環(huán)境見表2。

圖2 各級路最高期望環(huán)境譜圖

表2 “高速路”運輸振動環(huán)境

3 加速運輸載荷譜確定

3.1 加速等效試驗條件準則

其中，和是取決于部件類型的數(shù)值。逆冪律通常用來建立機械和電氣設(shè)備與工作載荷作用時間有關(guān)的失效模型，它也適用于環(huán)境載荷，包括動態(tài)載荷。如果有兩個譜型相同但均方根值不同的動態(tài)載荷，兩者產(chǎn)生相同的破壞勢所需的暴露時間的關(guān)系可由方程（1）得出

對按自譜定義的隨機振動，方程（2）變?yōu)?/p>

指數(shù)的選取，不同的材料、裝備有不同的指數(shù)值，指數(shù)的取值是個難點。對于隨機振動，指數(shù)的選取，不同的標準有自己的推薦

a） NASA-HDBK-7005：有文獻研究表明，小型制導導彈復雜電氣和電子設(shè)備與時間有關(guān)的失效[9]，=4；一般的空間飛行器部件[10]，取=4。

b） MIL-STD-810G[11]：以前使用時取=7.5，但一般在5~8范圍內(nèi)取值。

c） AECTP-200[12]：指數(shù)與合適材料的S/N疲勞曲線的斜率相對應，對于鋼、鋁合金等具有線性應力應變關(guān)系的金屬材料時，值取8是合適的，而用于非線性材料和復合材料時，可信度稍?。粚τ陔娮釉O(shè)備和非金屬、彈性、復合、塑性、炸藥等材料，建議值取5。

d） GJB150A[13]：航空電子裝備，=8；導彈試驗大綱，=6.5~13.2；航天器試驗大綱，有時=4；多數(shù)材料，=12~13。指數(shù)值的變化范圍與所要求的保守程度以及材料特性有關(guān)，必要時應根據(jù)具體材料的疲勞數(shù)據(jù)（S/N曲線）進行分析。

3.2 加速運輸載荷譜確定

由GJB150A、北大西洋公約組織標準AECTP-100、美軍標810G以及現(xiàn)有的型號戰(zhàn)標，從火工品制造工廠到倉庫或?qū)棸惭b場地，通常使用卡車運輸，經(jīng)過的路面一般為高速路。GJB150A、美軍標810G規(guī)定高速路里程一般在3200km~6400km；北大西洋公約組織標準AECTP-100則規(guī)定導彈的高速路里程為10000km[9,11-12]。

參加火工品加速運輸試驗的產(chǎn)品為6支2014批爆炸螺栓，設(shè)計每3支分為1組，第1組和第2組，6支2014批爆炸螺栓代號為1-1、1-2、1-3、2-1、2-2和2-3。為了研究運輸振動應力作用時間不同對火工品貯存性能的影響，設(shè)計兩種運輸里程。爆炸螺栓1-1、1-2和1-3公路運輸高速路運輸里程設(shè)計為3200km；爆炸螺栓2-1、2-2和2-3公路運輸高速路運輸里程設(shè)計為10000km。

爆炸螺栓1-1、1-2和1-3高速路況運輸里程為3200km，爆炸螺栓2-1、2-2和2-3高速路況運輸里程為10000km，速度均為60km/h，運輸時間分別為1=53.3h、2=167h。對于火工品，按照非金屬含能材料處理，兼顧安全性，b取上述NASA-HDBK-7005、MIL-STD-810G、AECTP-200和GJB150A文獻最小值，值取=4。由公式（3），對此運輸試驗條件進行加速；縱、垂、橫向加速試驗時間分別為1=（3200km/1600km）=2h、2=（10000km/1600km）=6.25h；加速運輸振動環(huán)境見表3。

表3 “高速路”加速運輸振動試驗條件

4 火工品加速運輸試驗

參加典型火工品公路運輸加速模擬試驗的火工品、火工品箱為2014批爆炸螺栓、包裝箱。為模擬實際的運輸狀態(tài)，包裝箱內(nèi)裝有30支爆炸螺栓，包括6支2014批爆炸螺栓和24支作為配重的2015批爆炸螺栓，其中6支2014批爆炸螺栓為試驗研究對象。試驗時包裝箱為固支狀態(tài)。

試驗布置振動控制點4個，分布在包裝箱4個面附近的振動臺面上；試驗實施時分別使用4點平均控制的控制方法。按照表3的振動試驗條件，進行加速運輸試驗。

為了研究爆炸螺栓經(jīng)歷運輸和未經(jīng)歷運輸對爆炸螺栓貯存性能的影響，爆炸螺栓開展試驗工況分為(1) ~(3)的試驗，試驗工況(1)：爆炸螺栓經(jīng)歷溫-濕度加速貯存試驗，等效加速貯存時間為8年；試驗工況(2)：爆炸螺栓經(jīng)歷貯存運輸加速試驗，高速公路等效運輸里程為3200km，并經(jīng)歷與試驗工況(1)相同的溫-濕度加速貯存試驗；試驗工況(3)：爆炸螺栓經(jīng)歷貯存運輸加速試驗，高速公路等效運輸里程為10000km，并經(jīng)歷與試驗工況(1)、(2)相同的溫-濕度加速貯存試驗。爆炸螺栓的貯存可靠性見表4。

表4 爆炸螺栓貯存可靠性

5 結(jié)束語

本文對典型火工品貯存運輸加速試驗方法進行了研究，模擬火工品實際運輸狀態(tài)，設(shè)計火工品運輸試驗、測試火工品運輸過程中的力學環(huán)境；確定運輸載荷譜、加速運輸載荷譜的方法和過程；建立典型火工品貯存運輸加速試驗方法。通過爆炸螺栓相同溫度和濕度、不同運輸貯存條件下的貯存可靠性對比研究得出，在較短運輸里程時，振動對爆炸螺栓的貯存可靠性沒有明顯影響；當運輸達到一定里程時，振動對爆炸螺栓造成的損傷，導致其貯存可靠性明顯下降。而我國目前火工品加速貯存試驗方法中未考慮振動損傷的影響，建議對振動加速因子的獲取、振動應力對火工品貯存的影響做進一步深入研究。

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Study on the Accelerated Test Method for Storage Transportation of Explosive Initiator

LI Hui-na1WEI Bing-feng1FENG Guo-lin2WU Jian-guo2

(1 Beijing Institute of Structure and Environment Engineering, Beijing 100076, China; 2Science and Technology on Reliability and Environment Engineering Laboratory, Beijing Institute of Structure and Environment Engineering, Beijing 100076, China )

Aiming at the present situation that vibration damage is not considered in the accelerated storage test of initiating explosive devices, an accelerated test method of typical initiating explosive devices was studied, and the influence of vibration stress on the storage of initiating explosive devices was analyzed. To simulate the actual transport state of initiating explosive devices, the transportation test of initiating explosive devices was designed, and the mechanical environment during the transportation of initiating explosive devices was tested. The method and process of transport load spectrum and accelerated transport load spectrum were determined, and an accelerated test method of typical initiating explosive devices was established. The storage reliabilities of explosive bolts under the same temperature and humidity and different transportation conditions were studied. The storage reliability has no obvious influence on the shorter transportation mileage, and the storage reliability decreases obviously when the transportation reaches a certain mileage.

explosive initiator; transportation; accelerated testing; storage reliability

V216.5

A

1006-3919(2020)02-0041-05

10.19447/j.cnki.11-1773/v.2020.02.007

2019-10-21；

2020-03-11

國防技術(shù)基礎(chǔ)科研項目（JSJC2013209B056）

李會娜（1981—），女，高級工程師，碩士，研究方向：動力學環(huán)境與試驗技術(shù)；（100076）北京9200信箱72分箱.