儲(chǔ)存引信安全與解除保險(xiǎn)裝置性能退化與失效

張星宇，齊杏林

（陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū)，石家莊 050003）

0 引言

引信的基本功能是在預(yù)定的時(shí)間、地點(diǎn)引爆彈藥裝藥。為確保引信勤務(wù)處理時(shí)安全而又能夠適時(shí)作用，需要將安全與解除保險(xiǎn)裝置置于引信的傳爆序列中，并保證可以經(jīng)受從工廠到對(duì)目標(biāo)作用所遇到的各種嚴(yán)苛環(huán)境。目前運(yùn)用廣泛的各類近炸引信普遍采用了機(jī)械保險(xiǎn)與電保險(xiǎn)結(jié)合的安全與解除保險(xiǎn)裝置，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期儲(chǔ)存，安全與解除保險(xiǎn)裝置的電子組件、機(jī)械結(jié)構(gòu)、火工品性能均會(huì)發(fā)生退化，其中一些部件一旦出現(xiàn)失效，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)引信系統(tǒng)的失效，勢(shì)必影響彈藥的正常使用，產(chǎn)生嚴(yán)重的安全隱患。目前國(guó)內(nèi)對(duì)引信安全與解除保險(xiǎn)裝置經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期儲(chǔ)存后的性能變化沒(méi)有掌握，也沒(méi)有形成成熟的研究方法。本文以某型近炸引信為研究對(duì)象，對(duì)多個(gè)儲(chǔ)存年份的非密封樣品的安全與解除保險(xiǎn)裝置進(jìn)行測(cè)試試驗(yàn)，并通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果分析確定儲(chǔ)存性能失效情況及現(xiàn)象，總結(jié)研究方法。

1 作用原理及失效模式預(yù)測(cè)

1.1 安全與解除保險(xiǎn)裝置作用原理

某型近炸引信安全與解除保險(xiǎn)裝置由裝有后坐保險(xiǎn)的轉(zhuǎn)子座、轉(zhuǎn)子部件、保險(xiǎn)座部件等組成。其中，轉(zhuǎn)子座由上、下導(dǎo)爆管，活機(jī)體、制動(dòng)簧、反恢復(fù)機(jī)構(gòu)、后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)等組成；轉(zhuǎn)子部件由驅(qū)動(dòng)扭簧、針刺雷管、轉(zhuǎn)子組成；保險(xiǎn)座部件由電作動(dòng)器、螺塞、擊針、接電合件、電點(diǎn)火頭等組成。其作用原理如圖1 所示。

圖1 安全與解除保險(xiǎn)裝置作用原理框圖

引信在發(fā)射時(shí)，受到后坐過(guò)載的作用，上、下后坐筒壓縮后坐簧移動(dòng)到位后，反恢復(fù)扭簧將其鎖定，解除后坐保險(xiǎn)。出炮口后，近感發(fā)火控制部件發(fā)出解保信號(hào)，電作動(dòng)器作用推動(dòng)活塞使保險(xiǎn)夾釋放轉(zhuǎn)子，電保險(xiǎn)解除。轉(zhuǎn)子在驅(qū)動(dòng)扭簧的作用下，迅速轉(zhuǎn)正到位，此時(shí)雷管與傳爆序列對(duì)正，引信進(jìn)入待發(fā)狀態(tài)。彈丸飛行時(shí)，由于制動(dòng)簧的作用，活機(jī)體不能運(yùn)動(dòng)，保證彈道安全。

引信接近目標(biāo)時(shí)，近感發(fā)火控制部件輸出起爆信號(hào)，通過(guò)電點(diǎn)火頭，引爆電雷管，經(jīng)傳爆序列最終起爆彈丸。當(dāng)裝定為觸發(fā)時(shí)，近感發(fā)火控制部件不作用，引信碰擊目標(biāo)，活機(jī)體克服制動(dòng)簧阻力，帶動(dòng)針刺雷管前沖，撞擊擊針發(fā)火，實(shí)現(xiàn)觸發(fā)。

1.2 失效模式

通過(guò)上文對(duì)安全與解除保險(xiǎn)裝置作用原理的分析可知，該系統(tǒng)采用后坐保險(xiǎn)和電保險(xiǎn)的雙保險(xiǎn)模塊，具有電起爆和機(jī)械觸發(fā)起爆兩種作用方式。首先采用故障樹(shù)分析法（FTA），根據(jù)其作用原理及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行分析，其故障樹(shù)如圖2 所示。

圖2 安全與解除保險(xiǎn)裝置故障樹(shù)

結(jié)合安全與解除保險(xiǎn)裝置作用原理分析可知，后坐保險(xiǎn)和電保險(xiǎn)未能適時(shí)解除是電容近炸引信失效的主要原因，過(guò)早解除則會(huì)降低引信的安全性，而未解除會(huì)導(dǎo)致引信瞎火；電起爆和機(jī)械觸發(fā)作用過(guò)早會(huì)導(dǎo)致引信早炸，而作用失效會(huì)導(dǎo)致引信瞎火。通過(guò)故障樹(shù)和以上分析，利用FMECA 法（故障模式影響及危害度分析法）對(duì)引信安全與解除保險(xiǎn)裝置失效模式分析結(jié)果如表1 所示。

表1 安全與解除保險(xiǎn)裝置故障模式及影響分析

1.3 失效模式預(yù)測(cè)

根據(jù)表1 分析，將安全與解除保險(xiǎn)裝置可能出現(xiàn)的失效模式歸納為以下5 類：

1）后坐保險(xiǎn)組件失效導(dǎo)致過(guò)早或無(wú)法解除保險(xiǎn)；

2）電解保電路、電作動(dòng)電路失效，導(dǎo)致電保險(xiǎn)無(wú)法解除；

3）電起爆電路、電點(diǎn)火頭失效，導(dǎo)致電起爆失效進(jìn)而使近炸功能失效；

4）電雷管、導(dǎo)爆管、傳爆藥柱等火工品失效，導(dǎo)致引信無(wú)法起爆彈丸主裝藥造成瞎火；

5）各彈簧等機(jī)械組件退化、銹蝕、結(jié)構(gòu)缺陷導(dǎo)致引信瞎火或早炸。

其中，機(jī)械組件與火工品組件具有較高可靠性，在長(zhǎng)期儲(chǔ)存過(guò)程中不易發(fā)生失效，各個(gè)電路以及電氣元件受儲(chǔ)存環(huán)境影響較大，易發(fā)生失效，因此，在試驗(yàn)過(guò)程中，電子組件為安全與解除保險(xiǎn)裝置儲(chǔ)存性能的主要研究對(duì)象。

2 儲(chǔ)存性能試驗(yàn)與檢測(cè)方案設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)樣本量

為研究引信長(zhǎng)期儲(chǔ)存后的性能狀態(tài)，根據(jù)GJB166-86《引信制造與驗(yàn)收技術(shù)條件》等相關(guān)國(guó)軍標(biāo)和生產(chǎn)工藝要求，工廠會(huì)從每個(gè)生產(chǎn)批次的產(chǎn)品中抽取部分引信進(jìn)行長(zhǎng)期儲(chǔ)存，分別以密封狀態(tài)、非密封狀態(tài)、露天狀態(tài)3 種狀態(tài)進(jìn)行。結(jié)合工廠實(shí)際情況以及研究需要，抽取該型近炸引信2、4、6～12共9 個(gè)貯存年份，每年份10 發(fā)非密封狀態(tài)下儲(chǔ)存的產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn)，樣本量情況如表2 所示。

表2 試驗(yàn)樣本量

2.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

試驗(yàn)開(kāi)始前，以5 發(fā)引信為一組，采用X 射線對(duì)安全與解除保險(xiǎn)裝置進(jìn)行不分解檢測(cè)，以確定關(guān)鍵機(jī)械機(jī)構(gòu)所處狀態(tài)。經(jīng)檢測(cè)，所有樣本安全與解除保險(xiǎn)裝置均處于安全位置，未解除保險(xiǎn)；套筒活動(dòng)路徑上無(wú)阻礙，可進(jìn)行移動(dòng)；各扭簧未發(fā)生斷裂現(xiàn)象；轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向上無(wú)障礙，可轉(zhuǎn)動(dòng)；活機(jī)體未發(fā)生位移；各機(jī)構(gòu)形狀完整無(wú)損傷。因此，可確認(rèn)安全與解除保險(xiǎn)裝置中機(jī)械機(jī)構(gòu)在長(zhǎng)期儲(chǔ)存過(guò)程中無(wú)明顯失效，可正常作用。

按照《引信制造與驗(yàn)收技術(shù)條件》進(jìn)行傳爆可靠性性試驗(yàn)。如圖3 所示，將改裝好的安全與解除保險(xiǎn)裝置與傳爆管放置在防爆掩體外側(cè)，用3 根長(zhǎng)度適中的導(dǎo)線分別連接發(fā)火線、解保線、地線，試驗(yàn)人員在有一定安全距離的防爆掩體內(nèi)側(cè)進(jìn)行操作，使用數(shù)字萬(wàn)用表對(duì)電路中的電阻進(jìn)行測(cè)量，并使用13 V～27 V 的直流電源引爆電火工品，引爆結(jié)束后檢查傳爆可靠性。

圖3 安全與解除保險(xiǎn)裝置試驗(yàn)

傳爆可靠性性試驗(yàn)檢測(cè)項(xiàng)目如下：

1）解保電阻R；解保電阻為數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)得的電作動(dòng)器兩端的電路電阻，電阻過(guò)大會(huì)導(dǎo)致電作動(dòng)器不作用或作用不完全，致使安全與解除保險(xiǎn)裝置電解保失效；

2）發(fā)火電阻R；發(fā)火電阻是指電點(diǎn)火頭兩端的電路電阻。發(fā)火電阻過(guò)大會(huì)導(dǎo)致電發(fā)火失效進(jìn)而造成引信瞎火；

3）傳爆可靠性；引爆結(jié)束后，檢查傳爆序列是否可靠作用，傳爆管應(yīng)爆炸完全，無(wú)殘留藥粉。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析

3.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

根據(jù)試驗(yàn)方案，分別對(duì)9 個(gè)儲(chǔ)存年份共計(jì)90發(fā)非密封存放的近炸引信的安全與解除保險(xiǎn)裝置進(jìn)行試驗(yàn)與檢測(cè)，檢測(cè)項(xiàng)目包括解保電阻R、發(fā)火電阻R以及傳爆可靠性，部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)如下頁(yè)表3、表4 所示。

表3 解保電阻Rj（Ω）部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表4 發(fā)火電阻Rd（Ω）部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過(guò)數(shù)據(jù)可以得出，儲(chǔ)存年份為8 年、9 年、10年、12 年的引信安全與解除保險(xiǎn)裝置分別出現(xiàn)1發(fā)、2 發(fā)、1 發(fā)、1 發(fā)失效。除電作動(dòng)器與電點(diǎn)火頭發(fā)生失效的樣本外，其余樣本電火工品正常作用，傳爆可靠性均合格。

3.2 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果取順序統(tǒng)計(jì)量，即樣本數(shù)據(jù)由小到大順序進(jìn)行重新排列，如x≤x≤x≤…≤x，其中，下標(biāo)i 表示其排序的序號(hào)，定義經(jīng)驗(yàn)分布函數(shù)為：

對(duì)于一組數(shù)據(jù)，若樣本量n≥20 時(shí)，經(jīng)驗(yàn)分布函數(shù)按式（2）計(jì)算：

當(dāng)樣本量n≤20 時(shí)，經(jīng)驗(yàn)分布函數(shù)按式（3）計(jì)算：

將表3 與表4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)取經(jīng)驗(yàn)分布函數(shù)并作圖分析，同時(shí)計(jì)算各年份解保電阻R與發(fā)火電阻R均值。

1）解保電阻；不同儲(chǔ)存年份安全與解除保險(xiǎn)裝置的解保電阻的經(jīng)驗(yàn)分布如圖4 所示。

圖4 解保電阻經(jīng)驗(yàn)分布對(duì)比圖

由圖4 經(jīng)驗(yàn)分布可得，解保電阻最小值為8 Ω，最大值為135 kΩ，除8 年、9 年分別有1 發(fā)、2 發(fā)樣品解保電阻阻值過(guò)大失效外（均大于120 kΩ），均滿足解保電阻8 Ω～15 Ω 的要求。計(jì)算均值分布在8.76 Ω～9.82 Ω 之間，無(wú)退化規(guī)律。經(jīng)過(guò)分析得到：解保電阻失效為電阻偏大失效，屬于突發(fā)失效；從儲(chǔ)存年份第8 年開(kāi)始出現(xiàn)失效，儲(chǔ)存8 年份與儲(chǔ)存9 年份分別失效1 發(fā)、2 發(fā)。

2）發(fā)火電阻：不同儲(chǔ)存年份安全與解除保險(xiǎn)裝置的發(fā)火電阻的經(jīng)驗(yàn)分布如圖5 所示。

圖5 發(fā)火電阻經(jīng)驗(yàn)分布對(duì)比圖

由圖5 經(jīng)驗(yàn)分布可得，除10 年、12 年分別有1 發(fā)、1 發(fā)樣品發(fā)火電阻阻值偏大失效外（均大于90 kΩ），其余發(fā)火電阻阻值分布在7.4 Ω～11.5 Ω，滿足發(fā)火電阻7 Ω～15 Ω 的要求。計(jì)算均值分布在8.51 Ω～9.78 Ω 之間，無(wú)退化規(guī)律。經(jīng)過(guò)分析得到：發(fā)火電阻失效模式為發(fā)火電阻偏大失效，屬于突發(fā)失效；從儲(chǔ)存年份第10 年開(kāi)始出現(xiàn)失效，儲(chǔ)存10年、12 年各有1 發(fā)失效。

3.3 失效分析

由試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果分析可知，安全與解除保險(xiǎn)裝置存在解保電阻和發(fā)火電阻阻值偏大失效，其中，最大阻值為135 kΩ，遠(yuǎn)超過(guò)失效閾值上限12 Ω 與15 Ω。發(fā)火電阻與解保電阻組成如下頁(yè)圖6 所示。

圖6 發(fā)火電阻、解保電阻結(jié)構(gòu)組成框圖

發(fā)火電阻由電點(diǎn)火頭內(nèi)阻以及發(fā)火插針、接電片、焊點(diǎn)、地線緊固螺釘、地線插針之間的接觸電阻組成；解保電阻由電作動(dòng)器內(nèi)阻、接電片、焊點(diǎn)、短路扭簧、接電銷、地線緊固螺釘、地線插針之間的接觸電阻組成。電火工品貯存加速壽命試驗(yàn)結(jié)果表明，加速試驗(yàn)前后電火工品內(nèi)阻沒(méi)有顯著改變，且貯存壽命滿足15 年要求。因此，推斷解保電阻和發(fā)火電阻阻值偏大失效是由各導(dǎo)電體阻值或直接接觸電阻增大導(dǎo)致，主要包括：

1）焊點(diǎn)。焊點(diǎn)在于電路板接觸處由于焊錫與電路板材料不同，儲(chǔ)存過(guò)程中在溫度應(yīng)力的作用下，會(huì)因?yàn)榕蛎浵禂?shù)不同導(dǎo)致變形程度存在差異，進(jìn)而在層間結(jié)合處產(chǎn)生微裂紋，隨著溫度循環(huán)次數(shù)的增加，微裂紋不斷擴(kuò)大，會(huì)影響電路性能甚至出現(xiàn)斷路；

2）地線緊固螺釘。引信儲(chǔ)存時(shí)在裝卸、搬運(yùn)過(guò)程中，不可避免地會(huì)受到振動(dòng)和沖擊的作用，螺釘?shù)染o固件在振動(dòng)載荷的作用下，容易發(fā)生松動(dòng)或結(jié)構(gòu)破壞，會(huì)導(dǎo)致螺釘?shù)裙潭叵陆担蛘叱霈F(xiàn)斷裂、位移等嚴(yán)重后果，使地線接觸不良，造成阻值偏大；

3）接觸電阻。接觸電阻的公式為：

式中，R 為解除電阻，ρ、ρ為接觸兩材料的電阻率，α 為接觸點(diǎn)半徑。接觸點(diǎn)半徑與接觸時(shí)形變有關(guān)，根據(jù)Hertz 彈性變形公式得：

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期儲(chǔ)存，一方面，在溫度與濕度應(yīng)力的循環(huán)作用下，各導(dǎo)電件表面形成氧化膜，致使接觸材料電阻率增大；另一方面，短路扭簧彈性退化或結(jié)構(gòu)出現(xiàn)缺陷，致使其與接電銷之間的正壓力減小，使得電路各組件之間接觸力減小甚至發(fā)生脫落，由式（6）可知，正壓力F 減小、電阻率ρ 增大，會(huì)造成電路中接觸電阻R 增大。

4 結(jié)論

安全與解除保險(xiǎn)裝置是引信的關(guān)鍵部件之一，關(guān)系引信的安全使用與可靠作用。本文在歸納引信安全與解除保險(xiǎn)裝置組成與結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，采用FTA 法與FMECA 法對(duì)長(zhǎng)期儲(chǔ)存過(guò)程中裝置的失效模式進(jìn)行了預(yù)測(cè)，并設(shè)計(jì)試驗(yàn)對(duì)2、4、6～12 共9 個(gè)年份90 發(fā)非密封儲(chǔ)存樣品的解保電阻、發(fā)火電阻、傳爆可靠性進(jìn)行了測(cè)試。

試驗(yàn)結(jié)果表明，安全與解除保險(xiǎn)裝置的發(fā)火電阻與解保電阻在儲(chǔ)存第8 年開(kāi)始出現(xiàn)失效，8 年、9 年、10 年、12 年分別失效1 發(fā)、2 發(fā)、1 發(fā)、1 發(fā)，現(xiàn)象為發(fā)火電阻和解保電阻偏大，均為突發(fā)失效，性能無(wú)退化規(guī)律；除電作動(dòng)器與電點(diǎn)火頭發(fā)生失效的樣本外，其余樣本電火工品正常作用，傳爆可靠性均合格。