王凱民

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機械火工品設(shè)計與生產(chǎn)過程中的感度控制研究

王凱民

（中國人民解放軍63961部隊，北京，100012）

基于機械火工品可靠性設(shè)計理論，建立了機械火工品設(shè)計和生產(chǎn)過程中的感度控制方法，系統(tǒng)提出了感度控制的實施步驟。以某一針刺雷管為例說明了感度控制范圍的計算與實施，并對其可靠性進行了驗證。本研究為高可靠性機械火工品的生產(chǎn)提供了技術(shù)參考。

機械火工品；可靠性；設(shè)計；生產(chǎn)；感度；控制

機械火工品可靠性設(shè)計主要是感度參數(shù)的選擇與設(shè)計。傳統(tǒng)的機械火工品設(shè)計與生產(chǎn)控制方法是“畫+打”的經(jīng)驗或半經(jīng)驗方法，即通過大量消耗產(chǎn)品的成敗型試驗來取得產(chǎn)品性能優(yōu)化設(shè)計的參數(shù)，這不僅耗費人力物力，而且往往導致產(chǎn)品經(jīng)不起實際使用的檢驗。近五年來，發(fā)展和提出了機械火工品可靠性設(shè)計技術(shù)[1]，盡管在部分產(chǎn)品研制設(shè)計過程中得到了初步應(yīng)用，但在實際生產(chǎn)過程的控制方面仍沒有得到有效使用，更沒有在生產(chǎn)工藝中得到任何體現(xiàn)。因此，本文基于機械火工品可靠性設(shè)計理論，建立了機械火工品生產(chǎn)過程中的感度控制方法，系統(tǒng)提出了感度控制的實施過程，可廣泛用于高可靠性機械火工品的生產(chǎn)指導。

1 機械火工品可靠性設(shè)計技術(shù)

1.1 機械火工品感度分布及感度變差系數(shù)

針刺火帽、針刺雷管、撞擊火帽、撞擊底火等9種產(chǎn)品的大樣本步進法試驗證明機械類火工品輸入?yún)?shù)的感度分布為對數(shù)正態(tài)分布[2]。由于機械火工品感度服從非對稱型的對數(shù)正態(tài)分布，所以，原則上要求升降法試驗刺激量應(yīng)進行自然對數(shù)轉(zhuǎn)換。但由于對數(shù)等步長條件下的刺激量間隔較小，難以操作，且試驗結(jié)果誤差也較大，因此，在實際生產(chǎn)和試驗時，絕大多數(shù)情況下仍采用正態(tài)分布設(shè)計升降法試驗。

火工品感度變差系數(shù)定義為標準偏差與50%發(fā)火感度值50之比。通過分析步進法大樣本試驗，認為機械類火工品變差系數(shù)介于0.10～0.25之間。發(fā)火高度小于10cm時，工藝和試驗操作都不易控制，變差系數(shù)一般小于0.25；發(fā)火高度大于10cm而小于15cm時，變差系數(shù)一般小于0.20；發(fā)火高度大于15cm時，其工藝控制性好，變差系數(shù)一般小于0.15。

1.2 機械火工品可靠性設(shè)計

1.2.1 全發(fā)火能量MAX和安全能量MIN的計算

（2）

對式（1）和（2）進行變換后，得：

（4）

根據(jù)對數(shù)正態(tài)分布和正態(tài)分布的參數(shù)轉(zhuǎn)換公式[3]，并引入火工品感度變差系數(shù)（），有：

（6）

在引入置信度概念后，式（1）~（2）中的R和R就可用可靠度對應(yīng)的最大發(fā)火率或最大不發(fā)火概率代替，全發(fā)火能量MAX和安全能量MIN分別為：

（8）

1.2.2 可靠性設(shè)計中裕度計算

為了比較全發(fā)火能量與發(fā)火限及全不發(fā)火能量與安全限的趨近程度，發(fā)火裕度1和安全裕度0定義如下：

不同變差系數(shù)對應(yīng)的全發(fā)火能量MAX、安全能量MIN及裕度要求見表1。

表1 機械火工品全發(fā)火能量和安全能量及裕度

Tab.1 Firing energy, no-fire energy and margin of initiator

2 感度設(shè)計控制范圍計算與實施

2.1 機械火工品感度設(shè)計控制范圍計算

不論是研制設(shè)計階段還是批生產(chǎn)前的施工試藥過程，都需要確定和控制發(fā)火感度范圍。主要步驟為：根據(jù)產(chǎn)品特點及發(fā)火能量，確定變差系數(shù)和裕度；利用表1所裕度，確定全發(fā)火能量值和全不發(fā)火能量值；根據(jù)確定的全發(fā)火能量值和全不發(fā)火能量值，由式（7）~（8）或查表1，反推發(fā)火感度的控制范圍。

2.2 機械火工品確定感度控制范圍的實施

機械火工品感度值通常是通過步進法、升降法（小樣本法）獲得的。步進法又稱大樣本法，優(yōu)點是得到的50%感度值和標準偏差較為準確，缺點是試驗樣本量大，一般需要2 000余發(fā)試驗才能確定50%感度值。升降法又稱小樣本法，優(yōu)點是試驗樣本量小，一般需要3組每組約30發(fā)（合計100發(fā)），缺點是得到的幾組50%感度值有一定差別，特別是標準偏差有時相差幾倍，嚴重影響對全發(fā)火能量和全不發(fā)火能量值的推算結(jié)果。所以，在確定了機械火工品感度控制范圍后，采用何種方法至關(guān)重要。

根據(jù)經(jīng)驗，確定產(chǎn)品的初始狀態(tài)。根據(jù)初始狀態(tài)進行2組升降法試驗，若2組升降法試驗得到的50%感度值均在感度控制范圍，則該初始狀態(tài)可以固化為設(shè)計狀態(tài)；若2組升降法試驗得到的50%感度值均不在感度控制范圍，則該初始狀態(tài)需要重新調(diào)整；若2組升降法試驗得到的50%感度值只有1組在感度控制范圍內(nèi)，需要補試第3組升降法試驗。若補試第3組升降法試驗得到的50%感度值不在感度控制范圍內(nèi)，則該初始狀態(tài)需重新調(diào)整；若在感度控制范圍內(nèi)，且3組50%感度值的均值也在感度控制值左右，則該初始狀態(tài)可以固化為設(shè)計狀態(tài)；若3組50%感度值的均值處于感度控制范圍上限或下限，則該初始狀態(tài)需重新調(diào)整。重新調(diào)整后仍按上述要求進行感度試驗。

2.3 針刺火工品感度控制設(shè)計與實施舉例

某系列子彈藥要求使用高敏感的微型針刺雷管。其主要技術(shù)指標為：發(fā)火：8cm（落球7g）；不發(fā)火：1.14cm（落球7g）；可靠度：0.999（置信度0.90時）。針刺火工品的發(fā)火感度主要受針刺藥感度和針刺部位蓋片厚度決定。計算該針刺火工品的感度設(shè)計控制范圍具體為：（1）發(fā)火落高僅8cm，其變異系數(shù)可按0.25計算，并查表1，得到裕度為1.00。（2）根據(jù)發(fā)火高度8cm、不發(fā)火高度1.14cm及確定的裕度值1.00，確定全發(fā)火能量值為8cm、全不發(fā)火能量值為1.14cm。（3）根據(jù)確定的全發(fā)火能量值8cm和全不發(fā)火能量值1.14cm，以及可靠度0.999要求，查表1得到[2.268 650，0.414 850]，反推發(fā)火感度50的控制范圍為[3.52,2.75]，其均值為3.13cm。

根據(jù)經(jīng)驗，初步選定該針刺雷管所用針刺藥組分為四氮烯、羧甲基纖維素氮化鉛、硫化銻，針刺部位蓋片厚度為0.04mm。首先，根據(jù)初始狀態(tài)進行2組升降法試驗，得到的50%感度值分別為3.65cm和2.94cm。因只有1組50%感度值在感度控制范圍內(nèi)，需要補試第3組。第3組得到的50%感度值為3.48cm，在感度控制范圍內(nèi)，且3組50%感度值的均值3.35cm處于中值附近，則該狀態(tài)為最終狀態(tài)。

3 某型針刺雷管感度設(shè)計與可靠性試驗

為確定用升降法（小樣本）代替步進法（大樣本）計算50%發(fā)火值的可行性，仍以某高敏感微型針刺雷管為例。實際該產(chǎn)品進行的3組升降法試驗結(jié)果及步進法試驗結(jié)果分別見表2~3。

表2 某針刺雷管升降法試驗結(jié)果

Tab.2 Up-and-down method test results of some stab detonator

表3 某針刺雷管步進法（大樣本）試驗

Tab.3 Run-down method test results of some stab detonator

對表3的步進法試驗結(jié)果進行2檢驗（如表4），判定感度分布符合對數(shù)正態(tài)；在對數(shù)正態(tài)分布下，根據(jù)極大似然估計求得對數(shù)50%發(fā)火值為1.151 3（對應(yīng)3.26cm），對數(shù)標準偏差為0.249 4（對應(yīng)0.826 3cm），推算出最小全發(fā)火值為6.926 0 cm（0.999）。

表42檢驗結(jié)果

Tab.4 Χ2Inspection result

對比升降法和步進法試驗結(jié)果可知，所得50%發(fā)火均值基本相同，而升降法所得標準偏差值（0.37）明顯小于步進法實際結(jié)果（0.826），而這一實際值則與選擇0.25變差系數(shù)時所得值（0.837）基本相同。這說明在設(shè)計及生產(chǎn)過程中，可以用升降法所得50%發(fā)火均值進行推算，標準偏差則應(yīng)采用經(jīng)驗變差系數(shù)與發(fā)火均值求得。為驗證該針刺火工品的可靠度選取試驗溫度-40℃，分別在強化系數(shù)為0.90和0.95下進行可靠性試驗驗證，結(jié)果見表5。

表5 可靠性試驗驗證結(jié)果

Tab.5 Reliability verification test results

在一批產(chǎn)品中，分別任意抽取225、657和2 300發(fā)產(chǎn)品，保-40℃低溫4h，分別在6.50mm、7.20mm和8.0mm下進行發(fā)火試驗，結(jié)果全發(fā)火，且輸出鋼凹深度均大于0.25mm的指標值，證明該批產(chǎn)品的發(fā)火可靠度達到0.999（置信度為0.90）。

4 結(jié)論

基于機械火工品可靠性設(shè)計理論，建立機械火工品設(shè)計與生產(chǎn)過程中的感度控制方法與實施步驟，可廣泛用于高可靠性機械火工品的設(shè)計與生產(chǎn)。

[1] 王凱民.火工品工程（上卷）[M].北京：國防工業(yè)出版社,2014.

[2] 劉寶光.敏感性數(shù)據(jù)分析與可靠性評定[M].北京:國防工業(yè)出版社,1995.

[3] 賀國芳.可靠性數(shù)據(jù)的收集與處理[M].北京:國防工業(yè)出版社, 1995.

Research on Sensitivity Control during Design and Production of Mechanical Initiator

WANG Kai-min

(63961 Unit of PLA , Beijing, 100012)

Based on the reliability design theory of mechanical initiator, the sensitivity control method of mechanical initiator during design and production was proposed, as well as the implement process was put forward. Take some stab initiator as an example, the calculation and implement of sensitivity control range were conducted, and the reliability was verified. The study give reference for production of mechanical initiator with high reliability.

Mechanical initiator；Reliability；Design；Production；Sensitivity；Control

1003-1480（2017）02-0009-03

TJ45+1

A

2017-02-27

王凱民（1965 -），男，高級工程師，主要從事火工品技術(shù)研究與論證管理。