楊艷峰，鄭堅(jiān)，狄長(zhǎng)春，王東

（1.95856部隊(duì)，南京210028；2.軍械工程學(xué)院，石家莊050003；3.總參陸航研究所，北京101121）

火炮機(jī)械系統(tǒng)可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)方案探討

楊艷峰1，2，鄭堅(jiān)2，狄長(zhǎng)春2，王東3

（1.95856部隊(duì)，南京210028；2.軍械工程學(xué)院，石家莊050003；3.總參陸航研究所，北京101121）

目的嘗試將可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)理論引入其可靠性研究中，提高火炮機(jī)械系統(tǒng)的可靠性。方法首先分析可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)的發(fā)展動(dòng)態(tài)及其應(yīng)用于機(jī)械系統(tǒng)的必要性，而后在對(duì)其理論依據(jù)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，明確火炮機(jī)械系統(tǒng)可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)研究的目的。結(jié)果依據(jù)火炮機(jī)械系統(tǒng)的主要失效模式，制定了包含機(jī)械工作原理分析等7個(gè)步驟的可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)方案，詳細(xì)分析了各環(huán)節(jié)的內(nèi)容及作用。結(jié)論研究結(jié)果為可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)在火炮機(jī)械系統(tǒng)中的應(yīng)用提供一定理論支撐。

火炮；機(jī)械系統(tǒng)；可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)

可靠性通常指設(shè)備或系統(tǒng)在其壽命期內(nèi)，在規(guī)定條件下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定任務(wù)的能力，而可靠性試驗(yàn)是對(duì)產(chǎn)品的可靠性進(jìn)行調(diào)查、分析和評(píng)價(jià)的一種手段，一般分為工程試驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)兩大類[1]。工程試驗(yàn)主要用于檢測(cè)零部件的缺陷、確定其使用壽命、實(shí)現(xiàn)可靠性增長(zhǎng)。統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)的目的則是通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證產(chǎn)品是否達(dá)到規(guī)定的可靠性要求。

由于傳統(tǒng)可靠性試驗(yàn)存在周期長(zhǎng)、效率低、耗費(fèi)高等缺點(diǎn)，加之高可靠長(zhǎng)壽命已經(jīng)成為重大系統(tǒng)或裝備的發(fā)展目標(biāo)，因此，傳統(tǒng)的可靠性試驗(yàn)技術(shù)和方法已經(jīng)無(wú)法滿足這一需求。從20世紀(jì)80年代末開(kāi)始，加速試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展逐漸成為實(shí)現(xiàn)高可靠長(zhǎng)壽命的有效手段。

可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)（RET）作為工程試驗(yàn)，就是一種以激發(fā)故障為目的的新型加速應(yīng)力試驗(yàn)技術(shù)方法，很好地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)可靠性試驗(yàn)技術(shù)在時(shí)間和經(jīng)費(fèi)上不能與系統(tǒng)設(shè)計(jì)、研制需求相適應(yīng)的不足。與加速壽命試驗(yàn)不同，RET不僅僅是通過(guò)施加遠(yuǎn)大于技術(shù)條件規(guī)定的應(yīng)力而快速地進(jìn)行試驗(yàn)，而是在此基礎(chǔ)上開(kāi)展故障或失效分析，并進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，來(lái)提高設(shè)備或系統(tǒng)的可靠性。

針對(duì)火炮機(jī)械零部件可靠性試驗(yàn)周期長(zhǎng)、效費(fèi)比低的問(wèn)題，筆者從火炮機(jī)械系統(tǒng)RET理論方面進(jìn)行探索，力圖為火炮機(jī)械系統(tǒng)在設(shè)計(jì)或使用階段RET的實(shí)施提供有力的理論支撐。

1 RET研究動(dòng)態(tài)

1.1 國(guó)內(nèi)外發(fā)展動(dòng)態(tài)

目前，國(guó)外特別是美國(guó)、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家已將RET技術(shù)廣泛應(yīng)用于交通、計(jì)算機(jī)、能源和軍事等領(lǐng)域[2—3]。一方面，國(guó)外為機(jī)械、電子工業(yè)部門提供設(shè)計(jì)制造和試驗(yàn)服務(wù)的公司，如德國(guó)的TUV Provide Service、美國(guó)的QualMark等，將RET作為一種重要的可靠性保障服務(wù)提供給客戶[4]。另一方面，國(guó)外機(jī)械、電子、航空航天等行業(yè)的產(chǎn)品供應(yīng)商，如福特、惠普、波音等，已經(jīng)高度認(rèn)識(shí)到RET在其產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性保障方面的重要性，把RET作為發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)缺陷、及時(shí)改進(jìn)和優(yōu)化、提高產(chǎn)品質(zhì)量、贏得用戶和市場(chǎng)的重要技術(shù)手段。

由于國(guó)外對(duì)我國(guó)的技術(shù)封鎖，極大地限制了RET技術(shù)在國(guó)內(nèi)的發(fā)展。國(guó)內(nèi)在RET技術(shù)方面的研究與應(yīng)用比較晚。20世紀(jì)90年代初，一些學(xué)者通過(guò)對(duì)外訪問(wèn)、技術(shù)交流等途徑了解到國(guó)外對(duì)加速試驗(yàn)的重視。21世紀(jì)初國(guó)內(nèi)陸續(xù)發(fā)表了一些RET技術(shù)的介紹類、跟蹤研究類文章[5—6]。近幾年，隨著對(duì)RET技術(shù)發(fā)展和研究的深入，國(guó)內(nèi)開(kāi)始了獨(dú)立探索和應(yīng)用[7—9]。

1.2 國(guó)內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，RET在我國(guó)從理論到試驗(yàn)設(shè)備再到具體的實(shí)踐已經(jīng)得到一定的發(fā)展，尤其是電子類產(chǎn)品的可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)開(kāi)展得較多[10—11]，其理論研究和應(yīng)用研究均比較完善。機(jī)械類產(chǎn)品的可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)開(kāi)展得較少，應(yīng)用不太成熟。其主要原因是機(jī)械產(chǎn)品的壽命分布類型復(fù)雜和失效模式多樣，建立相應(yīng)的加速模型，進(jìn)行數(shù)值模擬和試驗(yàn)難度都很大，相關(guān)理論和技術(shù)還很欠缺；而且絕大多數(shù)機(jī)械產(chǎn)品不能使用常規(guī)的可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)設(shè)備，如高低溫循環(huán)試驗(yàn)箱、多自由度振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)等，需要研制針對(duì)機(jī)械工作原理和失效形式的可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)設(shè)備。因此，針對(duì)不同的機(jī)械系統(tǒng)，研制開(kāi)發(fā)相配套的可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)設(shè)備以及試驗(yàn)技術(shù)具有緊迫性和必要性。

在軍用領(lǐng)域，RET技術(shù)尚未被人們普遍了解和接受，但在裝備可靠性研制試驗(yàn)中可以采用加速應(yīng)力的方法，以縮短試驗(yàn)周期，降低試驗(yàn)費(fèi)用?，F(xiàn)有文獻(xiàn)中，對(duì)RET在武器裝備上的應(yīng)用的報(bào)道相對(duì)較少。近幾年針對(duì)火炮機(jī)械系統(tǒng)具體機(jī)構(gòu)零部件也開(kāi)展了RET研究的一些探索[12—14]，但還沒(méi)有針對(duì)機(jī)械系統(tǒng)如何開(kāi)展RET提出一個(gè)通用的試驗(yàn)方案。

2 RET理論依據(jù)

2.1 理論依據(jù)

RET技術(shù)的理論依據(jù)是故障物理學(xué)[15]，把故障和失效當(dāng)作主要研究對(duì)象，通過(guò)人為施加逐漸增大的環(huán)境應(yīng)力和工作應(yīng)力來(lái)主動(dòng)激發(fā)產(chǎn)品故障和暴露產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的薄弱環(huán)節(jié)，從而達(dá)到對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)缺陷盡早發(fā)現(xiàn)和修正的目的。

2.2 試驗(yàn)?zāi)康姆治?/p>

RET以提高系統(tǒng)可靠性為目的而將激發(fā)的機(jī)制引入試驗(yàn)中，進(jìn)而縮短試驗(yàn)時(shí)間，快速獲取系統(tǒng)可靠性特征。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)研制過(guò)程中，RET越來(lái)越多地得到應(yīng)用，不僅增加了產(chǎn)品的固有可靠性，而且提高了可靠性試驗(yàn)的效費(fèi)比。對(duì)于已經(jīng)設(shè)計(jì)并投入生產(chǎn)使用的產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，由于設(shè)計(jì)和定型試驗(yàn)階段僅將產(chǎn)品是否能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期功能作為試驗(yàn)重點(diǎn)，所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品工作應(yīng)力域度比較窄，而沒(méi)有將產(chǎn)品在壽命周期內(nèi)性能的良好性考慮在內(nèi)，由此造成的產(chǎn)品低可靠性直接影響產(chǎn)品的正常使用。因此，可以將RET應(yīng)用到已經(jīng)使用較長(zhǎng)時(shí)間的產(chǎn)品可靠性研究中。

對(duì)于設(shè)計(jì)研制階段火炮機(jī)械系統(tǒng)而言，RET的目的就是為了提高系統(tǒng)的固有可靠性；而對(duì)于已經(jīng)定型使用的火炮來(lái)說(shuō)，則是為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)可靠性的增長(zhǎng)。

3 火炮機(jī)械系統(tǒng)RET方案

火炮機(jī)械系統(tǒng)可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)，就是要通過(guò)一定的技術(shù)手段來(lái)加快零部件失效進(jìn)程，縮短零部件可靠性試驗(yàn)周期，短時(shí)間內(nèi)有效激發(fā)故障或暴露零部件設(shè)計(jì)和制造的薄弱環(huán)節(jié)，為零部件設(shè)計(jì)的改進(jìn)和可靠性增長(zhǎng)提供依據(jù)。對(duì)于火炮機(jī)械系統(tǒng)中的裝置或機(jī)構(gòu)而言，從其零部件自身來(lái)說(shuō)，其失效機(jī)制主要為磨損和疲勞。磨損發(fā)生在兩個(gè)相互作用的零件表面，而疲勞則是由零件承受循環(huán)載荷作用不斷形成的，二者皆是一個(gè)逐漸累積的過(guò)程，直到失效，即零件壽命終結(jié)。據(jù)此，在前期研究[12]的基礎(chǔ)上，文中制定了火炮機(jī)械系統(tǒng)可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)方案，如圖1所示。主要包括：機(jī)械工作原理分析、機(jī)械失效機(jī)理分析、失效加速性驗(yàn)證、RET技術(shù)研究、RET方案的制定和實(shí)施、強(qiáng)化試驗(yàn)效果的評(píng)估、系統(tǒng)可靠性分析與增長(zhǎng)研究等。

圖1 火炮機(jī)械系統(tǒng)可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)方案Fig.1 RET scheme of gun mechanical system

3.1 機(jī)械工作原理分析

在機(jī)械系統(tǒng)中，機(jī)構(gòu)或零部件的工作原理可以統(tǒng)稱為機(jī)械工作原理，是指機(jī)構(gòu)或零部件在所處系統(tǒng)中發(fā)揮其功能和完成任務(wù)的動(dòng)作過(guò)程。這一工作過(guò)程是根據(jù)使用要求、技術(shù)條件及工作環(huán)境等情況，在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)所擬定的來(lái)實(shí)現(xiàn)賦予產(chǎn)品的功能、性能及用途。因此，對(duì)于一個(gè)機(jī)械系統(tǒng)，弄清機(jī)構(gòu)或零部件的工作原理也就明確了機(jī)械的設(shè)計(jì)本質(zhì)，這是在實(shí)施可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)之前需要做的基礎(chǔ)性工作。

3.2 機(jī)械失效機(jī)理分析

機(jī)械的失效機(jī)理指機(jī)構(gòu)或零部件失去其自身功能用途的原因[16]。失效機(jī)理是導(dǎo)致失效的物理、化學(xué)、熱力學(xué)或其他過(guò)程的表征。該過(guò)程是不同形式的應(yīng)力作用在部件上造成零件局部損傷或整體性能的下降，最終導(dǎo)致機(jī)構(gòu)甚至整個(gè)系統(tǒng)的功能喪失，即失效。對(duì)于火炮機(jī)械系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，磨損和疲勞是常見(jiàn)的失效機(jī)理，那么，機(jī)械失效機(jī)理分析就是要明確零部件失效的原因及其表征，為RET的可行性分析和具體試驗(yàn)技術(shù)研究提供依據(jù)。

3.3 失效加速性驗(yàn)證

機(jī)械失效是否具有加速性是可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)應(yīng)用于火炮機(jī)械系統(tǒng)的可行性直觀地表征，也可以描述為火炮機(jī)械系統(tǒng)是否具有強(qiáng)化試驗(yàn)的可能性。對(duì)于一個(gè)失效過(guò)程不具備加速性的機(jī)械系統(tǒng)，也就不適合進(jìn)行可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)。在失效機(jī)理明確的前提下，要考慮系統(tǒng)中機(jī)械零部件的工作應(yīng)力是否可以強(qiáng)化，強(qiáng)化應(yīng)力的實(shí)現(xiàn)是否容易等，尋求并建立適用于該機(jī)械強(qiáng)化試驗(yàn)的理論依據(jù)和實(shí)現(xiàn)方法。

3.4 強(qiáng)化試驗(yàn)技術(shù)確定

在分析確定了機(jī)械失效具有加速性的前提下，需要對(duì)機(jī)械失效機(jī)理做進(jìn)一步分析，研究影響機(jī)械失效的因素以及可以改變這些因素的途徑和方法，進(jìn)而確定相應(yīng)的強(qiáng)化試驗(yàn)技術(shù)。例如，在火炮炮閂中，擋彈板軸和撥動(dòng)軸是磨損導(dǎo)致失效的兩相互作用零件，彼此之間的作用強(qiáng)度是決定磨損進(jìn)程的因素之一，為加快失效可以從改變?cè)囼?yàn)機(jī)構(gòu)的作用強(qiáng)度上來(lái)研究確定強(qiáng)化試驗(yàn)技術(shù)。

3.5 強(qiáng)化試驗(yàn)實(shí)施

強(qiáng)化試驗(yàn)的實(shí)施包括試驗(yàn)方案的制定和具體的實(shí)施過(guò)程。在確定了強(qiáng)化試驗(yàn)的技術(shù)后，依據(jù)研究任務(wù)制定強(qiáng)化試驗(yàn)方案的具體實(shí)施過(guò)程，主要包括以下內(nèi)容。

1）試驗(yàn)前準(zhǔn)備。主要包括試驗(yàn)場(chǎng)地的確定及環(huán)境條件的標(biāo)定，試驗(yàn)對(duì)象的選取，試驗(yàn)設(shè)備的檢查和調(diào)試等。

2）強(qiáng)化應(yīng)力的施加。指強(qiáng)化試驗(yàn)應(yīng)力的選取和應(yīng)力水平的確定，以及施加的方式。

3）試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集。為了研究火炮機(jī)械系統(tǒng)各零部件在退化失效過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性，需要在試驗(yàn)中對(duì)相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量。

3.6 強(qiáng)化試驗(yàn)效果評(píng)估

為評(píng)估強(qiáng)化應(yīng)力下試驗(yàn)效果，引入強(qiáng)化系數(shù)的概念，即將強(qiáng)化應(yīng)力下的試驗(yàn)結(jié)果與正常應(yīng)力下的試驗(yàn)結(jié)果相比。對(duì)于強(qiáng)化系數(shù)小即強(qiáng)化試驗(yàn)效果不明顯，且還未達(dá)到極限應(yīng)力的，可以及時(shí)地提高強(qiáng)化應(yīng)力水平。

對(duì)于火炮機(jī)械系統(tǒng)強(qiáng)化試驗(yàn)而言，強(qiáng)化系數(shù)計(jì)算的內(nèi)容因零部件失效模式不同而有所區(qū)別。如磨損失效零部件，其表面在磨損后會(huì)出現(xiàn)犁溝或凹坑等磨損形式，且會(huì)產(chǎn)生磨屑，故可以將零部件磨損量的多少作為評(píng)估不同應(yīng)力水平下強(qiáng)化效果的指標(biāo)。疲勞失效零部件則可以將損傷量或疲勞壽命作為衡量強(qiáng)化效果的指標(biāo)。當(dāng)疲勞失效強(qiáng)化試驗(yàn)以壽命作為強(qiáng)化效果判別依據(jù)時(shí)，不同的機(jī)械系統(tǒng)零部件壽命的定義不同。如火炮行走系統(tǒng)，由于工作的連續(xù)性，機(jī)械零部件的壽命主要以行駛里程來(lái)衡量；而炮閂系統(tǒng)則以機(jī)構(gòu)在失效前完成的動(dòng)作次數(shù)來(lái)衡量。

3.7 可靠性分析與增長(zhǎng)

通過(guò)對(duì)強(qiáng)化試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分析機(jī)械零部件的失效規(guī)律，確定火炮機(jī)械系統(tǒng)零部件的可靠性特征。對(duì)可靠性未能滿足實(shí)際工況的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行改進(jìn)。在不改變零部件完成規(guī)定設(shè)計(jì)動(dòng)作的前提下，尋求固有可靠性增加的方法和途徑，如零部件制造工藝優(yōu)化、外形的重新設(shè)計(jì)等。改進(jìn)后再進(jìn)行強(qiáng)化試驗(yàn)，驗(yàn)證零件可靠性是否增加，直到可靠性達(dá)到最佳狀態(tài)。

火炮機(jī)械系統(tǒng)改進(jìn)應(yīng)當(dāng)遵從以下原則：機(jī)械的改進(jìn)必須確保所賦予任務(wù)的完成，不能改變?cè)O(shè)計(jì)任務(wù)；改進(jìn)應(yīng)當(dāng)在經(jīng)濟(jì)可承受的范圍之內(nèi)，實(shí)現(xiàn)效費(fèi)比最優(yōu)。

總之，在火炮機(jī)械系統(tǒng)RET中，強(qiáng)化試驗(yàn)技術(shù)的確定是整個(gè)試驗(yàn)的關(guān)鍵，工作原理和失效機(jī)理分析是基礎(chǔ)，加速性驗(yàn)證是前提，強(qiáng)化試驗(yàn)效果評(píng)估是對(duì)試驗(yàn)可行性的衡量。

4 結(jié)語(yǔ)

文中分析了RET發(fā)展動(dòng)態(tài)和火炮機(jī)械系統(tǒng)RET研究的必要性。依據(jù)RET理論，明確了火炮機(jī)械系統(tǒng)RET研究的目的，并結(jié)合火炮機(jī)械系統(tǒng)零部件失效的特點(diǎn)，制定了適合于火炮機(jī)械系統(tǒng)的RET方案?；鹋跈C(jī)械系統(tǒng)RET研究有助于提高火炮裝備可靠性試驗(yàn)水平，節(jié)約設(shè)計(jì)費(fèi)用，縮短研制周期，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)固有可靠性增長(zhǎng)。

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Discussion on Reliability Enhancement Test Scheme of Gun Mechanical Systems

YANG Yan-feng1，2，ZHENG Jian2，DI Chang-chun2，WANG Dong3
（1.The Unit 95856，Nanjing 210028，China；2.Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China；3.Army of Aviation Institute，Beijing 101121，China）

Objective To enhance the reliability of the gun mechanical systems by introducing the theory of reliability enhancement test into its reliability research.Methods At first,the development dynamics of reliability enhancement test and its necessity of application in gun mechanical systems were analyzed.Then based on analysis of theoretical evidence for reliability enhancement test technologies,the research purpose of reliability enhancement test on gun mechanical systems was clarified.Results According to the major failure modes of gun mechanical system,a reliability enhancement test scheme including 7 steps such as analysis of mechanical working principle etc was instituted.The content and function of each step in the scheme were analyzed in detail.Conclusion The research results could provide theoretical support for application of reliability enhancement test in gun mechanical systems.

gun；mechanical system；reliability enhancement test

10.7643/issn.1672-9242.2016.02.024

TJ303；TB302.3

：A

1672－9242（2016）02－0134-05

2015-09-18；

2015-10-21

Received：2015-09-18；Revised：2015-10-21

楊艷峰（1988—），男，河北張北人，博士研究生，主要研究研究方向?yàn)槲淦飨到y(tǒng)可靠性與試驗(yàn)技術(shù)。

Biography：YANG Yan-feng（1988—），Male，from Zhangbei，Hebei，Doctoral candidate，Research focus：reliability and test technology of weapon system.