基于定性与定量检测的火工品剩余寿命预测方法

王耀冬，俞卫博，宣兆龙，李翰朋



基于定性与定量检测的火工品剩余寿命预测方法

王耀冬，俞卫博，宣兆龙，李翰朋

（军械工程学院，河北石家庄，050003）

针对火工品加速寿命试验及检测只对其整体进行，没有与火工药剂在相同条件下的性能变化相结合的问题，设计了火工品和火工药剂的步降应力加速寿命试验方案，以提高试验效率、扩大寿命预测的信息量。通过对试验后火工品和火工药剂的定性与定量检测，建立火工品可靠度变化曲线和火工药剂性能退化曲线，将两者相结合得到火工品失效判据及剩余寿命预测模型。实例分析表明，该方法降低了寿命预测的难度和工作量。

火工品；步降应力加速寿命试验；定性；定量；剩余寿命

加速寿命试验中对于火工品样品的检测一般分为两个方面：一方面为对火工品的解锁、切断、点火等输出功能的定性检测；一方面为对火工品的压力输出、延期时间等的定量检测。将定性与定量测试的结果相结合，可丰富火工品失效信息量，建立更准确的可靠度模型。同时，火工药剂作为实现火工品功能的能量来源，其燃烧或爆炸的变化决定了火工品的性能输出[1]，火工品失效大多是由火工药剂失效引起的，因此，研究火工药剂的性能变化，能更全面地反映火工品的性能变化，扩大寿命预测的信息量。本文引入与火工品加速寿命试验相平行的火工药剂加速寿命试验，即试验条件完全相同，并对火工药剂进行定量测试，包括爆热、燃烧时间和火焰感度等[2]，以此建立火工药剂的性能退化曲线，将火工品可靠度变化曲线与火工药剂性能退化曲线相结合，提出一种火工品剩余寿命预测方法。

1 方案设计

步降应力加速寿命试验的应力水平加载顺序由高到低，旨在将产品失效进一步提前，提高试验效率，适用于损耗失效类产品[3]。火工品及火工药剂的失效是以损耗失效为主[4]，因此，本文选取某动力源火工品为研究对象，采用步降应力加速模型进行寿命试验，试验过程中每份药剂均需独立密封包装，每份药量为1~2g[5]，以模拟在火工品内的状态。

1.1 应力类型的确定

影响火工品储存可靠度的环境应力主要是温度和湿度，但由于大多数火工品自身及包装处于良好的密封状态，湿度应力对其影响较小[1]。因此，选择温度为主要应力进行加速寿命试验，并将试验环境中的湿度固定为65%[6]。

1.2 应力水平数的确定

加速寿命试验的应力水平数越多，所求加速方程中的参数估计越精确，但试验样本量、检测数量和试验费用也相应提高，一般要求应力水平数不少于4个[6]。因此，考虑经费、时间等因素影响，选择4个应力水平。

1.3 应力水平的确定

确定试验应力水平的一般过程为：首先，确定最高和最低应力水平，然后以等间隔原则或倒数等间隔原则（以绝对温度为应力时）确定各中间应力水平。在步进应力加速寿命试验中，最高应力水平不高于80℃，最低应力水平不低于50℃[6]，这其中的最高应力水平是针对大多数弹药元件都适用的应力，对于具体的火工品还应另行确定。步降试验应力水平的选择应满足以下原则[7]：（1）加速条件下样品的失效机理与正常条件下相同；（2）最小应力水平应大于正常应力水平；（3）最高应力水平应尽可能选择大的加速应力。其中，最高应力水平的确定可通过[3]：（1）产品设计、生产及使用的相关资料；（2）相似产品的先验信息；（3）试验设备的应力加载能力；（4）产品预试验（摸底试验、环境试验）的结果。

1.3.1 理论分析

某厂应用71℃试验法[8]对该型动力源火工品进行的大量恒定应力加速寿命试验中，均未出现失效。因此，若要增大本次试验出现失效产品的概率，就应在71℃试验法的基础上将最高应力水平提高。

已知该动力源火工品中，延期装药为硼系延期药B-BaCrO4，由硼粉、铬酸钡机械混合，已知硼粉在空气中的燃点为790℃，铬酸钡加热到900℃以上分解，而硼系延期药的燃点为655℃[2]。同时，国内已经对某两种引信在60~80℃温度应力下成功地进行了加速寿命试验，两种引信均为带火工品的机械电子产品，与该动力源火工品除电子元件外具有很大的相似性。因此，通过以上产品相关资料及相似性分析，说明80℃可以作为该动力源火工品在加速寿命试验中的最高应力。

1.3.2 摸底试验

为验证80℃可以作为最高应力水平，进行摸底试验。已知工厂对该动力源火工品首批验收合格的产品进行了储存条件为21℃的长储试验，按计划每年对3发火工品进行1次性能检测。

现取9发火工品，进行80℃的恒定应力加速寿命试验6d（相当于长储6a），每隔2d对3发火工品进行性能检测。

已知火工品加速系数为储存条件0下的寿命与加速应力条件T下的寿命之比[1]，即：

当检测时间1=2a时，由式（1）得到相对应的储存时间为1.92年；同理，得到2=4a、3=6a时对应的储存时间分别为3.84a、5.76a。将检测时间点的失效及退化数据与相对应的储存时间点的长储数据相比较，所得结果如下：（1）摸底试验中无失效产品；（2）检测时间下的性能数据与同一长储时间下的性能数据相比差别不大；（3）产品的性能退化数据无明显波动。

说明80℃的温度应力没有使该动力源火工品的失效机理发生改变，可以作为火工品加速试验的最高应力水平。

结合摸底试验与失效机理一致性检验，确定加速寿命试验的最高应力水平为80℃，最低应力水平为60℃，中间应力水平为73℃、66℃。

1.4 试验时间与检测时间的确定

弹药元件步进应力加速寿命试验的总时间为其储存寿命的1/20~1/40[6]，而步降试验比步进试验效率更高，试验时间更少。通过总结比较得出，步降试验时间最高约为步进试验时间的60%[9]，因此，步降试验时间为样品储存寿命的3/100~3/200。某动力源火工品的储存寿命为12a，则步降试验时间为65.7~131.4d，取总试验时间为120d，各应力水平下的试验时间以高应力稍短、低应力稍长为原则，分别为总试验时间的1/10、2/10、3/10、4/10。

各应力水平下均需对样品进行抽样性能检测，检测时间定得太密，会增加测试工作量；定得太疏，会给统计分析增加困难。结合某动力源火工品的失效规律和失效机理等有关信息，确定各应力下的检测次数为3次，每次检测6发，分为定性检测和定量检测；火工药剂每次定量检测3份，检测时间按等时间间隔原则，如表1所示。

表1 步降应力加速寿命试验方案

Tab.1 Step down stress accelerated life test program

火工品样品与火工药剂应保持相同的试验条件，平行试验，若需延长火工品样品试验时间，火工药剂试验时间也应相应延长。

2 检测方法

某动力源火工品的功能表现为切割，延期时间2s。

2.1 火工品样品定性与定量检测

将经过加速寿命试验后每次定时检测抽样取出的6发火工品分为2组，每组3发。第1组进行功能的定性测试；第2组进行输出的定量测试。由于某动力源火工品可通过专用试验台同时完成定性与定量测试，既检测火工品的切断效果，又同时记录延期时间，因此，可将2组合并为1组。

2.2 火工药剂定量检测

将经过加速寿命试验后每次定时检测抽样取出的3份火工药剂进行定量检测，该火工药剂的检测项目为爆热，使用GJB 770B-2005中的绝热法[5]。

分别记录定性与定量检测结果并对比分析，火工品及火工药剂的检测流程如图1所示。

图1 火工品及火工药剂检测流程

3 剩余寿命预测方法

以火工品和火工药剂在经历两个连续步降应力水平1、2（1＞2）后的检测、分析为例，介绍剩余寿命预测模型建立的方法和步骤。

（1）由累积失效原理[10]：在实际应力水平0下存储t0时间的累积失效概率相当于在试验应力水平S下存储t时间的累积失效概率，因此，将试验应力下的试验时间折算到储存应力0下的储存时间上，折算过程参考文献[11]，如图2所示。

图2 应力S1、S2下的试验时间折算为应力S0下的储存时间

（2）通过对火工药剂爆热的定量测试，得到各应力下爆热随时间变化的曲线，如图3所示。

（3）利用对火工品的定性与定量检测得到的失效数据进行参数估计，进而得到可靠度函数[12]，做出可靠度随时间的变化曲线，以置信水平为0.8时可靠度低于0.9作为火工品的失效判据并得到火工药剂性能的失效阈值，如图4（a）所示。

图3 应力S1、S2下爆热随试验时间变化的曲线

（4）由累积失效原理，单位时间内不同温度对于火工药剂爆热的退化率不同，但可以经历不同时间来得到相同的累积退化率。因此，由（1）、（2）可将试验应力下得到的爆热随时间的变化，转化为储存应力下爆热随时间的变化，即得到储存应力下火工药剂爆热的累积退化曲线，如图4（b）所示。

图4 储存应力S0下可靠度及爆热随时间变化的曲线

Fig.4 Varying curves of reliability probability and explosion heat with time under storage stress0

由于火工品与火工药剂是进行相同试验条件下的平行试验，因此，可将得到的火工品可靠度变化曲线与火工药剂爆热退化曲线相结合，即得到火工品的剩余寿命预测模型。

4 实例分析

文献[13]对某延期组合件（火工药剂为硅系延期药）的储存性能进行了相关研究，得到其可靠度随时间的变化曲线，如图5所示。文献[14]对硅系延期药进行了71℃法的恒定应力加速寿命试验，试验结果如表2所示。由于储存过程中药剂组分间发生自氧化反应，粒度变大、比表面积变小，造成延期药发生秒量漂移，延期时间变长的现象。通过式（1）将检测时间折算成储存时间，通过MATLAB拟合得到延期时间随储存时间的变化曲线，将可靠度与延期时间建立在同一时间坐标轴线上，得到剩余寿命预测模型，如图6所示。

表2 硅系延期药延期时间检测

Tab.2 The delay time of silicon delay composition

图5 延期组合件可靠度变化曲线

图6 剩余寿命预测模型

由图6可知，延期组合件在可靠度为0.95（置信度为0.9）的可靠寿命为11.28a，延期时间为354ms，以此为失效判据，当测得延期药的延期时间为280ms时，代入图6的预测模型，得到此时延期组合件的可靠度为0.975，剩余寿命为4.2a，因此，在实际储存过程中，只需完成对延期药延期时间的测定，就可获得该延期组合件的可靠度评估及剩余寿命预测。

5 结语

设计针对火工品和火工药剂的步降试验方案，既提高了试验效率又解决了以往加速寿命试验及检测只对火工品整体进行，忽略相同条件下火工药剂性能变化的问题，增大了寿命预测的信息量和可靠性。通过对试验后火工品的定性与定量检测，建立火工品可靠度变化曲线；通过对试验后火工药剂的定量检测，建立其性能退化曲线，将可靠度变化曲线与性能退化曲线相结合，得到火工品的剩余寿命预测模型。在实际储存过程中，无需对火工品进行整体、大量的性能检测，只需对火工药剂进行定量测试，所得结果代入建立的剩余寿命预测模型，即可得到火工品此时的可靠度及剩余寿命。实例分析表明，该方法降低了寿命预测的难度和工作量，为火工品储存质量检测时机的确定和剩余寿命预测提供了新的方法和思路。

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Residual Life Prediction Method of Initiating Explosive Device Based on Qualitative and Quantitative Tests

WANG Yao-dong, YU Wei-bo, XUAN Zhao-long, LI Han-peng

（Ordnance Engineering College, Shijiazhuang, 050003）

To increase life expectancy information and to solve the accelerate life test and detection only for initiating explosive device, the step down stress accelerated life test of initiating explosive device and initiating explosive charge was proposed. Through qualitative and quantitative detection, the reliability change curve of initiating explosive device and degeneration curve of charge were obtained. Then the initiating explosive device residual life budget model was estabilished based on the combination of degeneration curve and failure criterion. The analysis of example indicates that this method can reduce the difficulty and workload of the life prediction.

Initiating explosive device; Step down stress accelerated life test; Qualitative; Quantitative; Residual life

1003-1480（2016）05-0037-05

TJ450.1

A

2016-05-17

王耀冬（1991 -），男，在读硕士研究生，主要从事弹药保障与安全技术研究。