魚水雷延壽策略與試驗(yàn)技術(shù)探討

郭勍，何光進(jìn)

（海軍裝備部駐廣州地區(qū)軍事代表局，廣州 510320）

魚水雷等水中兵器作為“平時(shí)長(zhǎng)期貯存、戰(zhàn)時(shí)一次使用”的重要武器裝備，其服役期限直接關(guān)系到部隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力保持和裝備全壽命周期成本。特別是超期服役階段，可靠性問題頻發(fā)，對(duì)裝備貯存和使用安全帶來諸多隱患。若到壽后直接報(bào)廢，則會(huì)造成資源浪費(fèi)，增加裝備更新替換壓力。為此，開展水中兵器延壽策略研究，借助相關(guān)試驗(yàn)技術(shù)，準(zhǔn)確評(píng)估其壽命，盡可能延長(zhǎng)裝備使用期限，對(duì)保持部隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力，節(jié)省國(guó)防建設(shè)成本具有重要的軍事意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值[1-7]。文中通過闡述水中兵器延壽研究現(xiàn)狀，在分析裝備壽命影響因素的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)就結(jié)合加速試驗(yàn)開展評(píng)估的技術(shù)途徑進(jìn)行探討，提出流程規(guī)劃和實(shí)施方法，以期對(duì)水中兵器乃至其他裝備延壽技術(shù)發(fā)展提供借鑒參考。

1 水中兵器延壽研究現(xiàn)狀

我國(guó)武器裝備的壽命評(píng)估研究工作起步較晚，直到20世紀(jì)70年代，大多數(shù)裝備也僅有“質(zhì)量保證期”的規(guī)定。20世紀(jì)80年代，國(guó)內(nèi)開始提出“保險(xiǎn)期”概念，“保險(xiǎn)期”是指“把裝備出廠之日作為計(jì)時(shí)起點(diǎn)，在規(guī)定的保管、維護(hù)和使用條件下，與一個(gè)較高的可靠性指標(biāo)相對(duì)應(yīng)的壽命時(shí)間”。20世紀(jì)90年代，“貯存壽命”或“貯存期”的概念才逐漸成熟。近年來，國(guó)內(nèi)相關(guān)機(jī)構(gòu)開展了火工品和火炸藥的相容性及貯存研究[8-12]，制式炮彈[13]、航空彈藥貯存壽命研究[14-15]，導(dǎo)彈延壽研究及元器件專項(xiàng)貯存延壽共性技術(shù)研究等工作[16-25]，獲得了大量元器件、材料級(jí)貯存壽命數(shù)據(jù)，形成了一些壽命與可靠性評(píng)估方法、模型，積累了一定的理論成果和工程經(jīng)驗(yàn)[26-35]。

對(duì)于水中兵器行業(yè)，裝備壽命考核通常是結(jié)合相似產(chǎn)品壽命比對(duì)，利用相關(guān)貯存試驗(yàn)和理論分析數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合評(píng)估，缺乏專門的試驗(yàn)考核驗(yàn)證手段，裝備延壽技術(shù)儲(chǔ)備薄弱，設(shè)計(jì)方法、手段缺乏。主要表現(xiàn)在：缺少材料和元器件等基礎(chǔ)壽命數(shù)據(jù)，特別是實(shí)際裝載期間高溫、高濕、高鹽霧環(huán)境下的壽命數(shù)據(jù)尤為缺乏；缺少可靠性設(shè)計(jì)分析手段，如裝載可靠性、貯存可靠性等指標(biāo)幾乎全依靠理論分析得出，僅小部分經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，難以掌握裝備真實(shí)性能水平；缺少系統(tǒng)壽命評(píng)估模型，由于加速模型的加速因子具有一定誤差，需考慮加速壽命、基于貯存信息的壽命評(píng)估結(jié)果以及零部件級(jí)的壽命評(píng)估數(shù)據(jù)來綜合評(píng)價(jià)產(chǎn)品壽命，而目前尚缺乏相應(yīng)的評(píng)估模型和方法；缺少貯存加速壽命試驗(yàn)技術(shù)，裝備加速壽命模型與其任務(wù)使命和壽命周期內(nèi)所經(jīng)歷的環(huán)境特性密切相關(guān)，而目前未能根據(jù)其結(jié)構(gòu)特征、經(jīng)歷的關(guān)鍵環(huán)境條件、存在的主要失效模式提出加速壽命評(píng)價(jià)模型；尚未建立延壽技術(shù)體系，目前水中兵器壽命評(píng)價(jià)和延壽技術(shù)未形成標(biāo)準(zhǔn)化體系，有待借鑒航空領(lǐng)域裝備貯存延壽經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合自身行業(yè)特點(diǎn)，進(jìn)一步研究形成技術(shù)規(guī)范。

2 水中兵器壽命影響因素

水中兵器壽命剖面從交付服役開始到戰(zhàn)斗發(fā)射或退役報(bào)廢終止。以魚雷為例，根據(jù)不同使用方式下的任務(wù)過程分析，其壽命周期內(nèi)經(jīng)歷的主要事件如圖1所示。

圖1 魚雷壽命剖面 Fig.1 Torpedo life profile

根據(jù)上述魚雷壽命剖面，其在運(yùn)輸、貯存、裝載、實(shí)航等壽命期內(nèi)，可能遇到或產(chǎn)生的自然環(huán)境和誘發(fā)環(huán)境應(yīng)力，具體見表1。

表1 魚雷在壽命剖面內(nèi)經(jīng)歷的環(huán)境應(yīng)力分析 Tab.1 List of environmental stress analysis of torpedo life profile

通常魚水雷等水中兵器是“長(zhǎng)期貯存、一次使用”的產(chǎn)品，故影響水中兵器壽命的主要環(huán)境因素是其貯存期間經(jīng)歷的溫度、濕度、霉菌、鹽霧等。由于魚水雷等水中兵器裝備通常以充干燥氮?dú)獾陌b箱貯存，箱內(nèi)濕度、霉菌、鹽霧對(duì)壽命影響較小，故溫度成為影響壽命的主要環(huán)境因素，具體分為高溫、低溫和交變溫度3種條件模式。

1）高溫主要體現(xiàn)在對(duì)產(chǎn)品組成材料的影響，其失效機(jī)理為：隨著溫度增加，電子、原子和分子運(yùn)動(dòng)速度加快，激發(fā)了熱力效應(yīng)、電磁效應(yīng)等，促使產(chǎn)品提前失效。具體包括：加速非金屬材料老化、氧化、黏度下降，造成密封失效；造成電連接器絕緣或?qū)щ娦云茐模瑢?dǎo)致連接器失效；隨著溫度升高，電纜/導(dǎo)線絕緣體變軟，抗剪強(qiáng)度降低，被擠壓后可能發(fā)生塑性變形，直至導(dǎo)體外露而造成短路；電器開關(guān)觸點(diǎn)和接地之間的絕緣電阻隨溫度升高而降低，且高溫條件下觸點(diǎn)和開關(guān)機(jī)構(gòu)的腐蝕速度加快，以及引起舵機(jī)繞組絕緣失效。此外，高溫還可能促進(jìn)其他環(huán)境因素對(duì)產(chǎn)品產(chǎn)生不利影響，如提高濕氣的浸透速度，增大鹽霧所造成腐蝕的速度等。

2）低溫也主要體現(xiàn)為對(duì)產(chǎn)品組成材料的影響，其失效機(jī)理為：在低溫條件下，電子、原子和分子運(yùn)動(dòng)速度減小，導(dǎo)致材料脆化，強(qiáng)度降低，產(chǎn)生龜裂和硬化等，促使產(chǎn)品提前失效。具體包括：微電路因熱膨脹系數(shù)差異形成的應(yīng)力激化材料裂紋、孔隙，導(dǎo)致機(jī)械斷裂、接頭斷開；暴露于低溫下的電器開關(guān)材料收縮，出現(xiàn)裂紋，導(dǎo)致濕氣或其他外界污染物進(jìn)入開關(guān)，造成短路、電壓擊穿或電暈；電連接器金屬和非金屬材料以不同速率變脆和收縮，致使密封帶開綻；低溫條件下導(dǎo)線或電纜受到劇烈彎曲或沖擊，引發(fā)絕緣體破裂；長(zhǎng)時(shí)間低溫促使油脂類材料黏度增加和狀態(tài)固化，潤(rùn)滑性能下降。此外，低溫也可能促進(jìn)其他環(huán)境因素對(duì)產(chǎn)品產(chǎn)生不利影響，如造成濕氣汽凝、霜凍和結(jié)冰，低溫和低氣壓組合進(jìn)一步加速密封處漏氣等。

3）交變溫度下材料出現(xiàn)不同程度的膨脹或收縮，在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)內(nèi)部引起復(fù)雜應(yīng)力，特別是溫度循環(huán)引起周期性機(jī)械應(yīng)力和不同材料熱膨脹不匹配引起熱循環(huán)內(nèi)應(yīng)力，均容易導(dǎo)致產(chǎn)品性能下降及器件疲勞失效。具體表現(xiàn)為：玻璃容器和光學(xué)儀器碎裂，運(yùn)動(dòng)部件卡緊或松弛，密封件漏氣漏液，電路失效，繼電器電位計(jì)接插件接觸不良老化；微電路因熱膨脹系數(shù)差異形成的應(yīng)力激化材料裂紋、孔隙等。

3 水中兵器延壽策略與試驗(yàn)技術(shù)

水中兵器延壽策略主要包括：在研制階段合理確定裝備的貯存壽命，實(shí)現(xiàn)服役期內(nèi)較高的戰(zhàn)備完好率；在貯存壽命末期對(duì)裝備使用狀態(tài)進(jìn)行再評(píng)估，并通過維修、換件等手段延長(zhǎng)裝備的服役年限，充分發(fā)揮裝備的使用效益。為此，模擬真實(shí)貯存環(huán)境條件，施加相關(guān)應(yīng)力進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，準(zhǔn)確提出裝備壽命指標(biāo)數(shù)據(jù)和延壽評(píng)估結(jié)論，是成功實(shí)現(xiàn)裝備延壽目標(biāo)的重要基礎(chǔ)性工作。由于在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)開展額定應(yīng)力下的水中兵器壽命試驗(yàn)，周期和成本在工程中均難以接受，而加速試驗(yàn)以其時(shí)間短、效率高等特點(diǎn)，為水中兵器壽命快速評(píng)估提供了一種易實(shí)施、可實(shí)現(xiàn)的技術(shù)解決途徑。

加速試驗(yàn)是在進(jìn)行合理工程及統(tǒng)計(jì)假設(shè)的基礎(chǔ)上，利用與物理失效規(guī)律相關(guān)的統(tǒng)計(jì)模型對(duì)加速條件下獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到正常應(yīng)力水平下裝備壽命特征的試驗(yàn)方法。水中兵器貯存壽命加速試驗(yàn)設(shè)計(jì)工作主要包括試驗(yàn)剖面應(yīng)力種類、加速試驗(yàn)應(yīng)力和試驗(yàn)應(yīng)力水平等3個(gè)方面，在保證產(chǎn)品的主要故障模式和故障機(jī)理不發(fā)生改變的情況下，應(yīng)選取盡可能高的加速應(yīng)力，以縮短試驗(yàn)時(shí)間，提高評(píng)估費(fèi)效比。仍以魚雷為例，典型加速試驗(yàn)設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

具體設(shè)計(jì)方法如下。

1）確定應(yīng)力類型。根據(jù)魚雷貯存壽命影響因素分析，選擇溫度作為加速貯存壽命的應(yīng)力類型。

2）確定加速模型。將溫度作為敏感環(huán)境應(yīng)力，選取阿倫尼斯模型，采用金字塔式的加速試驗(yàn)建模技術(shù)，充分利用元器件級(jí)、材料級(jí)的激活能Ea信息，采用基于應(yīng)力分析與阿倫尼斯模型相結(jié)合的方法自下而上構(gòu)建元器件/材料級(jí)-部件級(jí)-全雷級(jí)溫度加速因子轉(zhuǎn)化模型，最終確定魚雷整機(jī)裝備溫度加速模型。首先，梳理組成全雷的所有元器件清單，采用基于應(yīng)力分析的方法，確定各元器件在額定應(yīng)力條件下的失效率。其次，根據(jù)收集到的各個(gè)元器件的激活能，利用阿倫尼斯模型和基于應(yīng)力分析的方法評(píng)估出各元器件加速應(yīng)力相對(duì)于額定應(yīng)力的加速因子AF，用正常應(yīng)力下的失效率與各自的加速因子相乘，得出各元器件在加速應(yīng)力下的失效率。各類器件的激活能可以根據(jù)GB/T 34986—2017《產(chǎn)品加速試驗(yàn)方法》、IEC61709、IEC62380等標(biāo)準(zhǔn)及元器件試驗(yàn)值和相關(guān)文獻(xiàn)獲取。最后，通過貯存可靠性建模的方式，分別計(jì)算出全雷在額定應(yīng)力和加速應(yīng)力下的失效率，兩者之比作為全雷溫度加速因子AF。

3）確定應(yīng)力量值。根據(jù)魚雷貯存敏感環(huán)境應(yīng)力分析結(jié)果，結(jié)合魚雷的實(shí)際貯存環(huán)境條件、魚雷包裝和產(chǎn)品密封性等特點(diǎn)，確定魚雷貯存的主要環(huán)境應(yīng)力為溫度應(yīng)力。考慮到倉(cāng)庫(kù)內(nèi)實(shí)際溫度變化不大(20±3) ℃，故貯存加速試驗(yàn)采用恒溫應(yīng)力作為加速試驗(yàn)應(yīng)力。根據(jù)阿倫尼斯模型，貯存溫度試驗(yàn)應(yīng)力越高，加速因子越大，時(shí)間越短，但試驗(yàn)應(yīng)力過高會(huì)改變產(chǎn)品的失效機(jī)理。故應(yīng)在綜合考慮魚雷的設(shè)計(jì)特點(diǎn)、電路板和元器件、原材料和輔料的耐環(huán)境應(yīng)力范圍等3個(gè)主要因素的基礎(chǔ)上，基于可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)結(jié)果和工程經(jīng)驗(yàn)，確定全雷的溫度加速試驗(yàn)應(yīng)力。

4）確定加速試驗(yàn)時(shí)間。根據(jù)魚雷貯存壽命的評(píng)價(jià)目標(biāo)和加速因子，確定貯存加速壽命試驗(yàn)時(shí)間。

明確試驗(yàn)應(yīng)力、加速因子、試驗(yàn)時(shí)間后，按圖3所示的試驗(yàn)流程開展貯存加速壽命試驗(yàn)。

圖3 貯存加速壽命試驗(yàn)流程 Fig.3 Flow chart of storage accelerated life test

按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)流程，并確定相關(guān)要素后，制定試驗(yàn)方案，明確被試品、操作實(shí)施、測(cè)試測(cè)量、試驗(yàn)暫停、中斷、恢復(fù)和終止等若干要求。試驗(yàn)過程中，凡因零部件、元器件、材料件出現(xiàn)明顯的氧化、腐蝕、老化等耗損性特征，造成被試品故障，應(yīng)判定為貯存失效。只有由于貯存環(huán)境引起產(chǎn)品出現(xiàn)耗損性故障，且該故障修理復(fù)雜，甚至無法修復(fù)時(shí)，才作為試驗(yàn)產(chǎn)品貯存壽命終止的判據(jù)。試驗(yàn)結(jié)束后，應(yīng)綜合記錄數(shù)據(jù)、失效判定，以及試驗(yàn)完成或終止情況，提出試驗(yàn)結(jié)論和改進(jìn)意見，為裝備定壽指標(biāo)確認(rèn)和延壽措施制定提供依據(jù)支撐。

為積極推動(dòng)上述試驗(yàn)流程方法的工程實(shí)踐運(yùn)用，近年來國(guó)內(nèi)有關(guān)單位結(jié)合某型到壽水中兵器裝備延 壽項(xiàng)目進(jìn)行了試點(diǎn)驗(yàn)證。通過對(duì)加速試驗(yàn)及分析評(píng)估發(fā)現(xiàn)的6個(gè)方面產(chǎn)品薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行綜合改進(jìn)提升，該型裝備貯存壽命獲得了大幅增長(zhǎng)，以較短的時(shí)間和較低的成本有效延長(zhǎng)了服役期限。

4 結(jié)語(yǔ)

文中以魚水雷延壽為背景，在分析裝備壽命影響因素的基礎(chǔ)上，開展了魚水雷延壽策略研究。重點(diǎn)就結(jié)合加速試驗(yàn)開展評(píng)估的技術(shù)途徑進(jìn)行了探討，提出了流程規(guī)劃和實(shí)施方法，并結(jié)合某型到壽魚雷裝備延壽項(xiàng)目進(jìn)行了試點(diǎn)驗(yàn)證。該研究對(duì)水中兵器乃至其他裝備延壽技術(shù)發(fā)展提供了借鑒參考，具有良好的工程推廣價(jià)值。