FTA在某引信故障模式分析中的应用*

张伟光,高兴勇,张玉令,李晓峰,孙思浩,汤子鑫

(1 解放军军械工程学院,石家庄 050003;2 北京理工大学,北京 100081;3 南京军代局驻福州地区军事代表室,福州 350000)

FTA在某引信故障模式分析中的应用*

张伟光1,高兴勇1,张玉令1,李晓峰2,孙思浩3,汤子鑫3

(1 解放军军械工程学院,石家庄 050003;2 北京理工大学,北京 100081;3 南京军代局驻福州地区军事代表室,福州 350000)

引信的安全性和可靠性一直是该领域研究的热点。基于某引信的瞎火事故,文中介绍了该引信的基本结构和作用原理,采用故障树分析法(FTA)对系统建立故障树,进行失效模式分析,最后给出了引信的故障模式分析结果,找到了引信的薄弱环节及潜在弱点,为防止或减少故障的发生提供有力依据。研究表明,该引信瞎火应是其内部零件变形所致。

引信;FTA;故障模式

0 引言

引信是利用目标信息和环境信息,在预定条件下引爆或引燃弹药战斗部装药的控制装置或系统[1]。引信在作用过程中各结构之间密切关联,当其中的一部分发生故障就可能导致整个系统发生失效现象,进而导致战斗部失效[2]。因此,引信故障往往导致战斗部的故障或引发安全性问题,造成经济损失、人员伤亡并影响战斗力的生成[3]。近年来,某引信在作用过程中出现“瞎火”,当受到一定的外界激励后再次发火作用,威胁了人员安全,影响了部队的正常作训。鉴于此,文中对该引信开展故障模式分析,寻找故障原因,为进一步解决引信的暂时性“瞎火”问题提供技术支撑。

1 引信结构及作用原理

随进引信的结构如图1所示,由两道安保机构和传爆序列构成,其中安保机构又由保险机构、隔离机构、发火机构等构成。

保险机构由感受发射后坐力的后坐保险销和感受因前级战斗部爆轰所引起的惯性前冲力的两个保险销组成;隔离机构是由引信体、隔爆片和装有针刺延期雷管的水平滑块组成;发火机构由击针和击针簧组成,平时,雷管、击针以及传爆管在水平位置上错开一定的距离来实现隔离,击针簧处于压缩状态,为击针戳击雷管储能。传爆序列由延期雷管和传爆管组成。

引信作用原理为:发射时,后坐保险销在后坐力作用下向下运动,后坐保险销运动到位后被反恢复扭簧卡住,释放第一道保险。当弹丸碰目标时,前级战斗部起爆,在前级战斗部爆炸环境力的作用下,滑块前冲保险销在惯性力作用下前冲剪断剪切销,滑块保险销前冲到位后被滑块保险销簧卡住,当滑块簧的推力大于滑块部件磨擦力时驱动带雷管的滑块部件开始运动,释放带雷管的滑块部件;与此同时,击针前冲保险销亦在惯性力作用下前冲剪断剪切销,击针保险销前冲到位后被击针保险销簧卡住,释放击针。当带雷管的滑块部件运动到位后,击针在压缩击针簧的作用下戳击延期雷管,延期雷管延期一定的时间后起爆传爆药,从而起爆随进战斗部。

图1 随进引信结构示意图

2 引信的故障树分析

2.1 故障树分析法

采用故障树分析法对引信系统内的故障模式进行分析。故障树分析法(fault tree analysis,FTA)是一种演绎分析方法,可对系统的安全性和可靠性进行分析。故障树分析法是在系统设计过程中,通过对可能造成系统故障的各种因素进行分析,画出逻辑框图,从而确定系统故障原因的分析方法[4-5]。它具有较强的灵活性,能够根据图形演绎的方法清晰地展现出系统的各种故障状态,也可以围绕某些特定的故障做层层深入的分析[6]。

FTA的主要研究步骤如图2所示。

图2 FTA研究步骤

2.2 引信故障树的建立

根据FTA研究步骤,结合问题研究背景,对引信进行故障树分析如图3～图5所示。

图3 引信故障主树

图4 引信永久性瞎火故障分树

图5 引信非正常作用故障分树

2.3 引信故障模式分析

根据图3～图5所建立的故障树模型,结合该引信的问题研究背景,容易看出该引信故障属于“引信非正常作用”型故障模式,下面着重对此故障模式下各层底事件的发生可能性进行分析。2.3.1 击针或滑块未正常动作

由于击针或滑块的解保过程具有一定的相通之处,因此,对每一种故障模式二者可以联合分析。

1)击针簧或滑块簧缠绕失效

通过研究击针簧或滑块簧的设计属性以及弹簧所属装配空间的局限性,发现两个弹簧在装配无误的前提下,即便受到外界爆轰或撞击等影响,也很难出现自身缠绕失效这种故障模式,因此,该故障模式出现的几率非常小。

2)击针或滑块保险钢珠与引信体接触部位挤压变形产生卡滞现象

平时,引信体内击针保险钢珠和滑块保险钢珠的受力情况如图6～图7所示。图6中,弹丸飞行方向为从左到右;图7中,弹丸飞行方向为垂直纸面向外。根据受力分析可知,击针或滑块保险钢珠都是受到3个力的作用,能够保持平衡。当前级战斗部爆炸时,随进引信各个元部件产生较大的惯性前冲力,两个保险销靠惯性前冲力向前运动进而解除对保险钢珠的约束,力F3或P3就会消失,一般情况下,保险钢珠会脱落解除对滑块或击针的约束。但如果受弹药飞行姿态、弹药着角等因素的影响,使得前级爆轰场传递到随进引信元部件上的能量分布不均匀,而且各元部件的惯性前冲加速度又非常大在保险钢珠与引信体的接触部位容易产生集中力进而挤压变形。

假设产生了变形,对于击针保险钢珠来讲,P2的方向和大小就会改变,很可能导致P1与P2平衡,进而击针保险钢珠产生卡滞现象,因此,该故障模式出现几率较大。而对于滑块保险钢珠而言,即便发生了撞击变形行为,钢珠也是在垂直纸面的方向上与引信体接触变形,不影响图示的受力状态,因此,在F1与F2的作用下,滑块保险钢珠仍会脱落而不会产生卡滞现象。

3)传递给引信的爆轰能量仅能剪断剪切销不足以使击针或滑块保险销运动到位

在设计上,前级战斗部所传递给后级的爆轰能量远远超过引信解除保险(包括剪切销的剪断以及保险销的解保运动过程)所需的能量,即使出现随进子弹在前级爆轰场作用下姿态发生一定的偏转等情况,传递到保险销的能量也能够保证保险销运动到位,解除对保险钢珠的约束。因此,这种故障模式发生的可能性很小。

图6 击针保险钢珠受力图

图7 滑块保险钢珠受力图

4)击针或滑块保险销与引信体摩擦力过大导致保险销运动位移不到位

理论上,保险销与引信体之间的摩擦系数在储存过程中或在前级爆轰场作用下基本不会发生变化,受外界的影响因素较小,因而这种故障模式一般不会出现。2.3.2 击针或滑块动作但仍未对正击发

前级战斗部传递给后级随进子弹的爆轰能量很大,最高过载可达几十万个g,很可能导致引信体内部结构出现一定的变形,进而影响引信的正常作用。因此,滑块变形卡滞击针或者引信体变形卡滞滑块的故障模式出现的几率较大。

在实弹训练中,受弹丸飞行姿态、飞行速度、前级爆轰场实际爆轰情况等因素的影响,确实会出现击针先解除保险作用在滑块上,进而增加滑块运动所受的摩擦阻力这种情况,但通过理论计算,即便发生这种情况,滑块簧也有足够大的推力使滑块运动到位。而且滑块簧失效的概率极小,因此这种故障模式不会发生。2.4 引信故障定位

由前面的故障模式分析基本可以断定,该引信故障包含在以下3种模式之中:

1)击针保险钢珠与引信体接触部位挤压变形产生卡滞现象;

2)滑块变形卡滞击针;

3)引信体变形卡滞滑块。

由于该型引信是近几年研制和设计的产品,其产品特性只能通过其它引信发生故障的相关经验来做类似推断,而且对类似引信有关故障模式的文献也极少报道,因此,笔者对该引信所进行的故障模式分析仅仅是根据现实发生可能性大小所做的一种合理的想定,所作出的分析结果能够为进一步解决随进引信“瞎火”问题提供技术支撑,同时,在今后对该引信有了更多的动态性能试验、可靠性试验及总结部队使用反馈意见之后,可以开展进一步的补充和完善。

3 结论

1)通过对引信进行故障树理论分析,可以基本断定引信暂时性“瞎火”的原因包含在以下3个事件之中:一是击针保险钢珠与引信体接触部位挤压变形产生卡滞;二是滑块变形卡滞击针;三是引信体变形卡滞滑块。

2)通过故障分析,能够看出该引信利用爆轰场所产生的环境力来解除保险存在着一个较大的故障问题:变形问题。这也是该型引信解保设计的潜在弱点。

3)通过对引信各结构可能出现的故障模式分析,可以看出引信结构作用过程中的薄弱环节,能够为进一步解决随进引信“瞎火”问题提供分析思路,对该型引信的进一步完善设计也能提供参考。

[1] 尹建平, 王志军. 弹药学 [M]. 北京: 北京理工大学出版社, 2014: 8.

[2] 段志薇, 张亚. FTA在引信安全性分析中的应用 [J]. 弹箭与制导学报, 2006, 26(1): 778-780.

[3] 朱向明, 周凤岐, 张树征. 防空导弹引信飞行试验故障模式影响分析 [J]. 探测与控制学报, 2009, 31(3): 39-42.

[4] 刘林茂. 基于故障树分析法的综合路测分析系统研究与实现 [D]. 长沙: 湖南大学, 2011.

[5] 王晓方, 高森森, 赵晓利, 等. FTA在电子时间引信失效模式分析中的应用 [J]. 四川兵工学报, 2008, 29(1): 53-56.

[6] 陈帅. 故障树分析法在某型飞机DPC模块故障诊断中的应用 [J]. 大众科技, 2015, 17(3): 12-15.

The Application of FTA in Failure Mode Analysis of Fuze

ZHANG Weiguang1,GAO Xingyong1,ZHANG Yuling1,LI Xiaofeng2,SUN Sihao3,TANG Zixin3

(1 Ordnance Engineering College of PLA, Shijiazhuang 050003, China; 2 Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China; 3 Military Representative Office of Nanjing Military Representative Bureau in Fuzhou Area, Fuzhou 350000, China)

The safety and reliability of fuze had been a hot research in this field. Based on the accident of the misfire fuze, this article introduced the basic structure and the action principle of the fuze, and used FTA method to establish system fault tree and analyze the failure mode. Finally, the failure mode analysis result of fuze was given. The weak links and potential weakness of the fuze were found to provide a basis for preventing or reducing the occurrence of failure. Research showed that the misfire of the fuze was caused by the deformation of the internal parts.

fuze; FTA; failure mode

2015-12-23

张伟光(1991-),男,河北廊坊人,硕士研究生,研究方向:弹药保障与安全技术。

TJ432.1

A