周玲玲，石曉晶，吳健，雪原

（南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094）

1 引言

彈丸飛行速度是武器彈道參數(shù)測(cè)試中一項(xiàng)至關(guān)重要的內(nèi)容，它是衡量武器特性、彈藥特性和彈道特性的一個(gè)重要指標(biāo)。隨著常規(guī)兵器設(shè)計(jì)的日趨復(fù)雜，測(cè)試參數(shù)更加繁多，對(duì)兵器參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)的響應(yīng)速度、測(cè)量精度及其可靠性、通用性和易維修性提出了更高的要求。針對(duì)這一問題，我們研發(fā)了基于VXI總線的多彈頭測(cè)速模塊原理樣機(jī)，雖然模塊的關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)突破，但在可靠性、環(huán)境適應(yīng)性等方面還存在著一些問題。為了適應(yīng)靶場(chǎng)惡劣環(huán)境的使用要求，迫切需要轉(zhuǎn)入工程化研究，因此，對(duì)VXI總線多彈頭測(cè)速模塊的可靠性進(jìn)行研究就顯得十分重要。

2 VXI總線多彈頭測(cè)速模塊的結(jié)構(gòu)與原理

VXI總線多彈頭測(cè)速模塊的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 多彈丸速度測(cè)速模塊的結(jié)構(gòu)圖

該模塊是一種基于VXI總線的、完全可編程控制的測(cè)速模塊。可根據(jù)需求來(lái)外接光電靶或天幕靶等區(qū)截裝置，完成對(duì)普通彈、多頭彈和霰彈等彈丸速度的測(cè)試。測(cè)試結(jié)果可通過軟面板以多種方式進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，也可將測(cè)試數(shù)據(jù)保存以便作進(jìn)一步的分析和處理。

其測(cè)試原理基于傳統(tǒng)的定距測(cè)時(shí)法，當(dāng)彈丸穿過區(qū)截裝置時(shí)產(chǎn)生的過靶信號(hào)，經(jīng)調(diào)理與整形后,觸發(fā)計(jì)時(shí)控制電路，在計(jì)時(shí)電路工作的同時(shí)，存儲(chǔ)相關(guān)電路給出與存儲(chǔ)相關(guān)的存儲(chǔ)允許信號(hào)及存儲(chǔ)地址，實(shí)時(shí)地將記錄的數(shù)據(jù)存入存儲(chǔ)器中。當(dāng)測(cè)量結(jié)束后，上位機(jī)通過VXI接口電路對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀取，根據(jù)區(qū)截裝置間的距離，獲得彈丸速度。

3 VXI總線多彈頭測(cè)速模塊的可靠性預(yù)計(jì)

3.1 可靠性預(yù)計(jì)方法

可靠性預(yù)計(jì)方法有多種，應(yīng)力分析法是通過分析元器件所承受的應(yīng)力，計(jì)算元器件在該應(yīng)力條件下的工作失效率來(lái)預(yù)計(jì)設(shè)備可靠性的。它適用于電子設(shè)備詳細(xì)設(shè)計(jì)階段。由于VXI總線多彈頭測(cè)速模塊已確定具體的軟硬件方案，具備詳細(xì)的元器件清單、電應(yīng)力比、環(huán)境溫度等信息，因此，采用元器件應(yīng)力分析法對(duì)模塊進(jìn)行可靠性預(yù)計(jì)。

3.2 模塊可靠性框圖

VXI總線多彈頭測(cè)速模塊由信號(hào)調(diào)理、FPGA接口控制與邏輯處理、存儲(chǔ)和VXI總線驅(qū)動(dòng)等單元組成。根據(jù)VXI總線多彈頭測(cè)速模塊的原理，可繪制出其可靠性框圖如圖2所示。

由圖2可見，模塊是由串聯(lián)模型與旁聯(lián)模型組成。在前端調(diào)理電路中設(shè)計(jì)了光電靶調(diào)理電路以及天幕靶調(diào)理電路，根據(jù)外接的區(qū)截裝置，測(cè)試時(shí)僅需選擇其中之一。通過靶信號(hào)來(lái)選擇電路開關(guān)，使兩種調(diào)理電路單元進(jìn)行切換，當(dāng)兩單元都發(fā)生故障時(shí)，模塊才失效。在后端的整形電路中，針對(duì)普通彈和霰彈脈寬整形要求的不同，通過脈寬來(lái)選擇電路開關(guān)，使兩種整形電路單元進(jìn)行切換，當(dāng)兩單元都發(fā)生故障時(shí)，模塊才失效。因此，除了調(diào)理電路、脈寬整形單元是旁聯(lián)模型，剩余的單元電路都是只要有一個(gè)單元發(fā)生故障模，其模塊就會(huì)失效，因而，可以組成一個(gè)總的串聯(lián)模型單元。基于以上分析，可將圖2進(jìn)一步簡(jiǎn)化成圖3。

3.3 可靠性數(shù)學(xué)模型

圖2 VXI總線多彈頭測(cè)速模塊模塊可靠性框圖

由于VXI總線多彈頭測(cè)速模塊的元器件的種類繁多，因此將元器件歸類并采用應(yīng)力分析法來(lái)計(jì)算各類元器件的工作失效率。

圖3 VXI總線多彈頭測(cè)速模塊的簡(jiǎn)化可靠性框圖

元器件的工作失效率的數(shù)學(xué)模型為：

式（1）中：λN——模塊中元器件的工作失效率；

λpi——第i種元器件的基本失效率；

Ni——第i種元器件的數(shù)量；

N——系統(tǒng)中元器件種類數(shù)。

串聯(lián)系統(tǒng)可靠度的數(shù)學(xué)模型為：

式（2）中：n——串聯(lián)單元數(shù)。

由兩個(gè)單元組成不完全可靠的旁聯(lián)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型為：

式（3）中：λ1——工作單元的失效率；

λ2——儲(chǔ)備單元的失效率；

μ——工作單元的失效率。

根據(jù)圖3，VXI總線多彈頭測(cè)速模塊是串聯(lián)系統(tǒng)，其可靠度數(shù)學(xué)模型為：

假設(shè)各單元產(chǎn)品均以指數(shù)分布，工作時(shí)間t=10000 h，根據(jù)國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB/Z 299C—2006《電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè)》，其各單元故障率經(jīng)計(jì)算如表1所示。

表1 各單元產(chǎn)品的故障率

由表1數(shù)據(jù)，根據(jù)可靠性模型可得VXI總線多彈頭測(cè)速模塊的可靠度為：

模塊預(yù)計(jì)的平均無(wú)故障時(shí)間：

4 VXI總線多彈頭測(cè)速模塊的可靠性試驗(yàn)

VXI總線多彈頭測(cè)速模塊是否適應(yīng)預(yù)定的環(huán)境和滿足可靠性指標(biāo)，必須通過大量的試驗(yàn)進(jìn)行考核。首先需通過環(huán)境試驗(yàn)來(lái)暴露產(chǎn)品在設(shè)計(jì)和工藝中存在的問題，確定發(fā)生的故障及原因，進(jìn)而采取相應(yīng)的改進(jìn)措施。在此基礎(chǔ)上，再進(jìn)行可靠性摸底試驗(yàn)，可靠性試驗(yàn)不僅是可靠性研究的重要環(huán)節(jié)，也是進(jìn)一步提高產(chǎn)品可靠性的有效措施。

4.1 可靠性試驗(yàn)方案

為了對(duì)模塊工程化設(shè)計(jì)的效果進(jìn)行檢驗(yàn)，驗(yàn)證VXI模塊工程產(chǎn)品是否滿足可靠性指標(biāo)要求，經(jīng)過功能測(cè)試、老煉試驗(yàn)、環(huán)境應(yīng)力篩選試驗(yàn)和環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)合格后的模塊，在規(guī)定的綜合環(huán)境試驗(yàn)條件下進(jìn)行了可靠性摸底試驗(yàn)。根據(jù)國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB 899-90，我們采用了短時(shí)間高風(fēng)險(xiǎn)試驗(yàn)方案。短時(shí)高風(fēng)險(xiǎn)試驗(yàn)方案采用的α，β為30%，

MTBF的可接收質(zhì)量水平θ0與最低可接收值θ1之比即鑒定比d=θ0/θ1取3.0。具體方案見表2。

其中α是生產(chǎn)方風(fēng)險(xiǎn)，β是使用方風(fēng)險(xiǎn)，θ0是MTBF檢驗(yàn)上限（10000）值，θ1是MTBF檢驗(yàn)下限（3333）值。

4.2 可靠性試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理

由于試驗(yàn)采用2套系統(tǒng)形式，因此試驗(yàn)時(shí)間按照1100 h進(jìn)行(其中包括550 h系統(tǒng)試驗(yàn)時(shí)間)。試驗(yàn)溫濕度根據(jù)GJB 3947-2000《軍用電子測(cè)試設(shè)備通用規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容，按4級(jí)設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行可靠性鑒定試驗(yàn)。參試產(chǎn)品處于加電工作狀態(tài)，每天在高低溫工作階段分別進(jìn)行一次功能測(cè)試。每七天之中進(jìn)行一次主要功能及性能指標(biāo)測(cè)試，試驗(yàn)以模塊性能指標(biāo)中的連發(fā)測(cè)速精度作為考核指標(biāo)，其測(cè)試及數(shù)據(jù)處理方法如下：

用規(guī)則脈沖信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生10發(fā)Ⅰ靶與Ⅱ靶時(shí)間差為1ms的標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號(hào)，以此來(lái)模擬連發(fā)狀態(tài)下彈丸過靶的信號(hào)，模塊靶間距離設(shè)置為“1 m”，此時(shí)，速度的“約定真值”應(yīng)為vs=1000 m/s。由多彈頭測(cè)速模塊測(cè)得的10個(gè)數(shù)據(jù)vi，i=1，2，…，n(n=10)，被稱為測(cè)量值，對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。首先，按式求出測(cè)量值的平均值；其次，根據(jù)計(jì)算出測(cè)量值的標(biāo)準(zhǔn)偏差（表征儀器重復(fù)性）；再由U(vi)=2S(vi)求出擴(kuò)展不確定度。

其可靠性摸底試驗(yàn)各階段，連發(fā)測(cè)速精度處理后的結(jié)果如表3所示。

在試驗(yàn)過程中，模塊的性能穩(wěn)定，測(cè)試過程沒有發(fā)生異常。經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，處于不同的試驗(yàn)階段的不同模塊都滿足：|△|≤0.1%的測(cè)試精度要求，則表明模塊滿足可靠性指標(biāo)要求。

表3 多彈頭測(cè)速模塊連發(fā)測(cè)速精度

5 結(jié)束語(yǔ)

本文采用應(yīng)力分析法對(duì)模塊進(jìn)行多次可靠性預(yù)計(jì)，根據(jù)影響模塊可靠性的主要因素，在工程化研制過程中采取了相應(yīng)的優(yōu)化措施。為了考核模塊工程化的效果，考驗(yàn)其性能的穩(wěn)定性及可靠性，我們依據(jù)可靠性設(shè)計(jì)規(guī)范的各項(xiàng)要求，通過環(huán)境試驗(yàn)、可靠性摸底試驗(yàn)等手段，有效地提高了模塊的可靠性，試驗(yàn)結(jié)果表明，所研制模塊的性能指標(biāo)達(dá)到了工程化設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求，確保了模塊的可靠性。

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