機(jī)械火工品設(shè)計(jì)與生產(chǎn)過(guò)程中的感度控制研究

王凱民

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機(jī)械火工品設(shè)計(jì)與生產(chǎn)過(guò)程中的感度控制研究

王凱民

（中國(guó)人民解放軍63961部隊(duì)，北京，100012）

基于機(jī)械火工品可靠性設(shè)計(jì)理論，建立了機(jī)械火工品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過(guò)程中的感度控制方法，系統(tǒng)提出了感度控制的實(shí)施步驟。以某一針刺雷管為例說(shuō)明了感度控制范圍的計(jì)算與實(shí)施，并對(duì)其可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證。本研究為高可靠性機(jī)械火工品的生產(chǎn)提供了技術(shù)參考。

機(jī)械火工品；可靠性；設(shè)計(jì)；生產(chǎn)；感度；控制

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

1 機(jī)械火工品可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)

1.1 機(jī)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(jìn)法試驗(yàn)證明機(jī)械類(lèi)火工品輸入?yún)?shù)的感度分布為對(duì)數(shù)正態(tài)分布[2]。由于機(jī)械火工品感度服從非對(duì)稱(chēng)型的對(duì)數(shù)正態(tài)分布，所以，原則上要求升降法試驗(yàn)刺激量應(yīng)進(jìn)行自然對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換。但由于對(duì)數(shù)等步長(zhǎng)條件下的刺激量間隔較小，難以操作，且試驗(yàn)結(jié)果誤差也較大，因此，在實(shí)際生產(chǎn)和試驗(yàn)時(shí)，絕大多數(shù)情況下仍采用正態(tài)分布設(shè)計(jì)升降法試驗(yàn)。

火工品感度變差系數(shù)定義為標(biāo)準(zhǔn)偏差與50%發(fā)火感度值50之比。通過(guò)分析步進(jìn)法大樣本試驗(yàn)，認(rèn)為機(jī)械類(lèi)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(shí)，工藝和試驗(yàn)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(shí)，變差系數(shù)一般小于0.20；發(fā)火高度大于15cm時(shí)，其工藝控制性好，變差系數(shù)一般小于0.15。

1.2 機(jī)械火工品可靠性設(shè)計(jì)

1.2.1 全發(fā)火能量MAX和安全能量MIN的計(jì)算

（2）

對(duì)式（1）和（2）進(jìn)行變換后，得：

（4）

根據(jù)對(duì)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(duì)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(jì)中裕度計(jì)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(duì)應(yīng)的全發(fā)火能量MAX、安全能量MIN及裕度要求見(jiàn)表1。

表1 機(jī)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(jì)控制范圍計(jì)算與實(shí)施

2.1 機(jī)械火工品感度設(shè)計(jì)控制范圍計(jì)算

不論是研制設(shè)計(jì)階段還是批生產(chǎn)前的施工試藥過(guò)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(diǎn)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(jī)械火工品確定感度控制范圍的實(shí)施

機(jī)械火工品感度值通常是通過(guò)步進(jìn)法、升降法（小樣本法）獲得的。步進(jìn)法又稱(chēng)大樣本法，優(yōu)點(diǎn)是得到的50%感度值和標(biāo)準(zhǔn)偏差較為準(zhǔn)確，缺點(diǎn)是試驗(yàn)樣本量大，一般需要2 000余發(fā)試驗(yàn)才能確定50%感度值。升降法又稱(chēng)小樣本法，優(yōu)點(diǎn)是試驗(yàn)樣本量小，一般需要3組每組約30發(fā)（合計(jì)100發(fā)），缺點(diǎn)是得到的幾組50%感度值有一定差別，特別是標(biāo)準(zhǔn)偏差有時(shí)相差幾倍，嚴(yán)重影響對(duì)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(jī)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(yàn)，確定產(chǎn)品的初始狀態(tài)。根據(jù)初始狀態(tài)進(jìn)行2組升降法試驗(yàn)，若2組升降法試驗(yàn)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(jì)狀態(tài)；若2組升降法試驗(yàn)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(yàn)得到的50%感度值只有1組在感度控制范圍內(nèi)，需要補(bǔ)試第3組升降法試驗(yàn)。若補(bǔ)試第3組升降法試驗(yàn)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(jì)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(jìn)行感度試驗(yàn)。

2.3 針刺火工品感度控制設(shè)計(jì)與實(shí)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(biāo)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(shí)）。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(jì)算該針刺火工品的感度設(shè)計(jì)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(jì)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(yàn)，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(jìn)行2組升降法試驗(yàn)，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(bǔ)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(jì)與可靠性試驗(yàn)

為確定用升降法（小樣本）代替步進(jìn)法（大樣本）計(jì)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(shí)際該產(chǎn)品進(jìn)行的3組升降法試驗(yàn)結(jié)果及步進(jìn)法試驗(yàn)結(jié)果分別見(jiàn)表2~3。

表2 某針刺雷管升降法試驗(yàn)結(jié)果

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

表3 某針刺雷管步進(jìn)法（大樣本）試驗(yàn)

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

對(duì)表3的步進(jìn)法試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行2檢驗(yàn)（如表4），判定感度分布符合對(duì)數(shù)正態(tài)；在對(duì)數(shù)正態(tài)分布下，根據(jù)極大似然估計(jì)求得對(duì)數(shù)50%發(fā)火值為1.151 3（對(duì)應(yīng)3.26cm），對(duì)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.249 4（對(duì)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(yàn)結(jié)果

Tab.4 Χ2Inspection result

對(duì)比升降法和步進(jìn)法試驗(yàn)結(jié)果可知，所得50%發(fā)火均值基本相同，而升降法所得標(biāo)準(zhǔn)偏差值（0.37）明顯小于步進(jìn)法實(shí)際結(jié)果（0.826），而這一實(shí)際值則與選擇0.25變差系數(shù)時(shí)所得值（0.837）基本相同。這說(shuō)明在設(shè)計(jì)及生產(chǎn)過(guò)程中，可以用升降法所得50%發(fā)火均值進(jìn)行推算，標(biāo)準(zhǔn)偏差則應(yīng)采用經(jīng)驗(yàn)變差系數(shù)與發(fā)火均值求得。為驗(yàn)證該針刺火工品的可靠度選取試驗(yàn)溫度-40℃，分別在強(qiáng)化系數(shù)為0.90和0.95下進(jìn)行可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 可靠性試驗(yàn)驗(yàn)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(jìn)行發(fā)火試驗(yàn)，結(jié)果全發(fā)火，且輸出鋼凹深度均大于0.25mm的指標(biāo)值，證明該批產(chǎn)品的發(fā)火可靠度達(dá)到0.999（置信度為0.90）。

4 結(jié)論

基于機(jī)械火工品可靠性設(shè)計(jì)理論，建立機(jī)械火工品設(shè)計(jì)與生產(chǎn)過(guò)程中的感度控制方法與實(shí)施步驟，可廣泛用于高可靠性機(jī)械火工品的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)。

[1] 王凱民.火工品工程（上卷）[M].北京：國(guó)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(píng)定[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1995.

[3] 賀國(guó)芳.可靠性數(shù)據(jù)的收集與處理[M].北京:國(guó)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(jí)工程師，主要從事火工品技術(shù)研究與論證管理。