引信磁流变液解除保险机构贮存寿命评估方法

胡明，王炅，吴小琅

（南京理工大学机械工程学院，江苏南京210094）

引信磁流变液解除保险机构贮存寿命评估方法

胡明，王炅，吴小琅

（南京理工大学机械工程学院，江苏南京210094）

针对引信磁流变液解除保险机构贮存后使用的安全性和可靠性问题，提出一种贮存寿命评估方法，并对其进行寿命评估。通过贮存稳定性实验，分析在恶劣环境下存贮对磁流变液的屈服应力和黏度的影响以及对引信磁流变液解除保险机构的性能影响。实验结果表明长时间的高温会导致磁流变液中的铁磁颗粒沉降团聚，说明高温可加速引信磁流变液解除保险机构失效；通过建立贮存寿命加速模型，提出适用于引信磁流变液解除保险机构贮存寿命的评估方法；采用这种评估方法对引信磁流变液解除保险机构在正常贮存条件下的可靠贮存寿命进行评估。评估结果表明：引信磁流变液解除保险机构的可靠贮存寿命为15.2 a，具有较好的贮存性能，满足引信的可靠性和安全性要求。

兵器科学与技术；引信；磁流变液；解除保险机构；贮存；失效；寿命评估方法

0　引言

磁流变液是近几十年里迅速发展的一种智能材料，它是由高磁导率、低磁滞性的微小软磁性颗粒和非导磁性液体混合而成的悬浮体。在无磁场时，它有很好的流动性和牛顿流体特性；在外加磁场时，呈现类固体状态，有一定的流动性和非牛顿流体特性，并且磁场引起的这种变化是可逆的。磁流变液的这种特性使其具有广泛的工程和军事应用前景［1-3］，可应用于前冲炮的反后坐装置、车辆悬架、飞机摆振控制的减摆器、引信磁流变液解除保险机构等。

引信磁流变液解除保险机构［3］是一种新型的延期解除保险机构，该机构通过后坐力卸载外加磁场来实现磁流变液的固体与液体（简称固液）转变，从而实现机构从保险状态到待发状态的转变；在炮弹飞行过程中，磁流变液在离心力的作用下从小孔中泄流，实现延期解除保险的目的。可见，磁流变液对该引信机构的影响甚大。

弹药在战时消耗量极大，因此在和平时期要有足够的储备。引信作为弹药的关键部件，在贮存过程中会受到环境应力的影响，它的性能必然会发生一定的变化，引信是否满足其贮存要求，是人们十分关注的问题。一般要求引信适应温度范围为-45℃～70℃［4］，贮存年限在15 a到20 a后，各项性能仍应合乎要求。为此，许多学者对引信贮存寿命进行了研究，段亦彬［5］基于Matlab软件算法对引信寿命进行了预测，彭志凌等［6］基于加速寿命实验对引信贮存寿命进行了评估，朱洪涛等［7］基于系统间相似方法对引信贮存寿命进行了评估，申争光等［8］提出了弹上设备加速寿命实验中加速因子的估计方法。保险机构是引信的重要组成部分，它的贮存寿命关系着引信的贮存寿命。对于引信磁流变液解除保险机构，磁流变液是其贮存易损部件，这和其他引信的贮存易损部件不同，所以以上对引信寿命评估的方法不一定适用于引信磁流变液解除保险机构。为此，提出一种适用于引信磁流变液解除保险机构的贮存寿命评估方法并对其进行寿命评估。

1　引信磁流变液解除保险机构的贮存稳定性

1.1引信磁流变液解除保险机构贮存稳定性实验

磁流变液是引信磁流变液解除保险机构的贮存易损部件，黏度和屈服应力是磁流变液的主要两个特性，若磁流变液的黏度和屈服应力在贮存一定时间后有较大变化，将直接影响引信磁流变液解除保险机构的可靠性和安全性，所以应从磁流变液的黏度和屈服应力方面，研究引信磁流变液解除保险机构贮存寿命评估方法。高低温环境对磁流变液的黏度和屈服应力会有一定影响［9-10］，但经过长时间的高低温环境实验后，磁流变液性能是否会有不可逆变化，需进一步研究。实验采用HSLH/P-100型高低温交变湿热试验箱进行，研究长时间的极端温度对引信解除保险机构专用磁流变液的屈服应力和黏度的影响以及对引信磁流变液解除保险机构性能的影响，从而建立引信磁流变液解除保险机构贮存寿命加速模型。

在实验开始之前，采用NXS-11B型旋转黏度计对磁流变液进行特性测量，然后密封好所有实验试件并放入实验箱中。将引信专用磁流变液在温度变化条件下放置28 d（包括两个14 d的循环），即70℃和-45℃的极限条件下交替放置，并具有95％相对湿度。实验结束后，把实验试件在常温下静止2 h，用旋转黏度计测试磁流变液的黏度和屈服应力变化情况，并分析悬浮相的电子显微形貌。

1.2贮存稳定性实验对磁流变液黏度的影响

经过贮存稳定性实验后，磁流变液的黏度随剪切速率变化曲线如图1和图2所示。图1为在70℃经过14 d后磁流变液（1号～5号样品）的黏度-剪切速率特性曲线，图2为在70℃和-45℃交替放置28 d后磁流变液（6号～10号样品）的黏度-剪切速率特性曲线。

图1　经过高温后磁流变液的黏度-剪切速率特性曲线Fig.1 Characteristic curves of viscosity and shear rate of the magnetorheological fluid after high temperature experiment

从图1和图2可以看出:1）经过贮存稳定性实验的磁流变液基本保持原有的黏度特性；2）经过贮存稳定性实验的磁流变液的黏度整体变低，黏度平均降低5％；3）在低剪切速率下，磁流变液的黏度降低程度较大，黏度变化可达20％，在较高剪切速率下，黏度的降低程度较小，黏度变化为2％；4）经过高低温后与高温后的磁流变液黏度相对比，发现磁流变液的黏度基本无变化，说明较长时间的低温不会对磁流变液的黏度造成不可逆变化。其原因是:引信解除保险机构专用磁流变液在长时间的恶劣环境作用下，其内部结构遭到了破坏，使磁流变液更加容易发生沉降团聚，从而使磁流变液的黏度降低；铁磁颗粒在加入基液之前，一般呈团聚状态，由于相互冲击或摩擦导致铁磁颗粒表面存在大量的正负电荷，在加入基液后，铁磁颗粒分散在基液中，处于极不稳定的状态。在高温条件下，布朗运动加剧促使铁磁颗粒相互碰撞而团聚，长时间的作用会导致铁磁颗粒团聚沉降，导致铁磁颗粒直径变相增大，从而使磁流变液黏度降低，在高剪切速率下，这种沉降团聚状态会受到一定的破坏，使得测得的黏度变化较小。

图2　经过高低温后磁流变液的粘度-剪切速率特性曲线Fig.2 Characteristic curves of viscosity and shear rate of the magnetorheological fluid after high and low temperature experiments

对于引信磁流变液解除保险机构，磁流变液的黏度关系着该机构的可靠性，在炮弹飞行过程中磁流变液受到很大的离心力作用，导致磁流变液泄流时的剪切速率远远大于100 s-1.可见，经过贮存稳定性实验后磁流变液的黏度变化低于2％，根据磁流变液泄流时间计算公式［11］:

式中:Rb为液筒半径；l为磁流变液长度；r为泄流孔半径；ρ为磁流变液密度；μ为磁流变液黏度；F为平均离心力。按文献［12］中某火炮弹道参数为例，当磁流变液黏度降低2％，会导致延期解除保险时间降低约2％.可见，高温会对引信磁流变液解除保险机构的可靠性造成永久性的影响，当引信磁流变液解除保险机构长时间处于高温环境下时，会使其失效。

1.3贮存稳定性实验对磁流变液屈服应力的影响

经过贮存稳定性实验后，磁流变液剪切应力随剪切速率变化曲线如图3和图4所示。图3为在70℃条件下放置14 d后磁流变液（11号～15号样品）的剪切应力-剪切速率特性曲线，图4为在70℃和-45℃条件下交替放置28 d后磁流变液（16号～20号样品）的剪切应力-剪切速率特性曲线。

图3　经过高温后磁流变液的剪切应力-剪切速率特性曲线Fig.3 Characteristic curves of shear stress and shear rate of the magnetorheological fluid after high temperature experiment

图4　经过高低温后磁流变液的剪切应力-剪切速率特性曲线Fig.4 Characteristic curves of shear stress and shear rate of the magnetorheological fluid after high and low temperature experiments

从图3和图4可以看出:1）经过贮存稳定性实验的磁流变液基本保持原有的屈服特性，屈服区域没有改变；2）在屈服前和屈服区域，磁流变液的剪切应力有所降低，平均降低4.5％，在屈服后区域，磁流变液的剪切应力整体降低，降低程度约为20％；3）经过高低温后和经过高温后磁流变液黏度相对比，发现磁流变液的屈服应力有所降低，说明高温和低温都会对磁流变液的屈服应力造成不可逆变化。其原因是:磁流变液屈服的本质是外界的作用力大于磁流变液内部的铁磁颗粒之间的作用力。当磁流变液长时间处于恶劣环境下，添加剂内部的分子结构遭到一定的破坏［13］，使得铁磁颗粒更加容易沉降团聚，同时使铁磁颗粒之间的作用力降低，导致磁流变液的屈服应力降低。当铁磁颗粒沉降团聚时，铁磁颗粒无法均匀地分布在基液中，间接性地增大了铁磁颗粒的大小，致使磁流变液屈服应力降低。

对于引信磁流变液解除保险机构，磁流变液的屈服应力关系着引信磁流变液解除保险机构勤务处理时的安全性。当屈服应力较低时，引信磁流变液解除保险机构可能在较低的离心力作用下，甚至在意外跌落的情况下，磁流变液开始泄流。可见，高低温会对引信磁流变液解除保险机构的安全性造成永久性的影响，当引信磁流变液解除保险机构长时间处于高低温环境下时，会使其失效。

1.4电子显微验证

将贮存稳定性实验前和实验后的磁流变液进行固液分离，分析悬浮相的扫描电镜形貌，如图5和图6所示。

图5　实验前悬浮相形貌（放大5 000倍）Fig.5 SEM morphology of suspended phase before experiment（5 000×）

实验前后磁流变液的悬浮相粒度和形貌无明显变化，实验前的悬浮相已经出现少量团聚现象，实验后的悬浮相团聚现象更加明显。这与实验后磁流变液的屈服应力和黏度降低的原因分析相符，说明长时间的极端温度会使磁流变液中的铁磁颗粒沉降团聚，这是造成引信磁流变液解除保险机构贮存后失效的主要原因。

图6　实验后悬浮相形貌（放大5 000倍）Fig.6 SEM morphology of suspended phase after experiment（5 000×）

2　引信磁流变液解除保险机构贮存寿命评估

2.1引信磁流变液解除保险机构贮存寿命评估方法的提出

通过磁流变液贮存稳定性实验发现，长时间的高温导致磁流变液中的铁磁颗粒沉降团聚，对磁流变液的黏度和屈服应力造成永久性影响。对于磁流变液，其基载液黏度和温度的关系符合Arrhenius模型公式:

式中:μc为基载液黏度；A为常数；E为活化能；R为气体常数；T为绝对温度。

基载液黏度的降低会使得磁流变液中的铁磁颗粒更加容易沉降团聚，根据斯托克斯法则有:

式中:vp为粒子的沉降团聚的速度；rp为粒子半径；ρp为粒子密度；ρc为基载液的密度；g为重力加速度。

把（3）式代入（2）式，可得

（5）式经过变换处理后，可得引信磁流变液解除保险机构贮存寿命加速模型:

式中:ηi为引信磁流变液解除保险机构特征寿命，i=0，1，2，3，4；β1和β2为待定参数。

该模型表明引信磁流变液解除保险机构寿命特征的对数与温度倒数存在线性关系，这与加速寿命实验［6］的寿命与应力温度的关系相符合。因此，可用加速寿命实验来对引信磁流变液解除保险机构贮存寿命进行评估。

2.2引信磁流变液解除保险机构加速寿命实验及实验结果

在加速寿命实验开始之前，对磁流变液试件进行原始数据测量记录，作为判断引信磁流变液解除保险机构是否失效的参考，加速寿命的总时间t为90 d，根据温度摸底实验结果，按步进应力次序先后，磁流变液加速寿命实验的应力水平选择为:

第1应力水平T1:333 K（60℃）；

第2应力水平T2:339 K（66℃）；

第3应力水平T3:345 K（72℃）；

第4应力水平T4:351 K（78℃）。

相对湿度应力水平按正常磁流变液贮存环境中的相对湿度值确定，一般取65％.在每个实验阶段结束后，取出实验试件，在常温下静止2 h后，测试其流变性能。假设磁流变液的失效分布函数服从威布尔分布:

式中:mi为形状参数。

根据Nelson原理［14］可知，磁流变液在进行较高应力水平实验之前已进行了较低应力水平的实验，这部分的实验时间不能忽略，需要折算到较高应力水平下的时间。

（8）式表示经过时间折算后，每个实验阶段对应的失效分布函数。对于引信磁流变液解除保险机构，经过长期贮存后，易导致磁流变液沉降团聚，从而影响机构的安全性和可靠性，对实验后的试件进行黏度和屈服应力测试，作为判断磁流变液是否失效的依据。实验结果如表1所示。

表1　各阶段实验条件及结果Tab.1 Experimental conditions and results at different stages

将表1中的数据进行时间折算处理后，按照文献［15］所述的Powell方法，可得到结果如表2所示。

表2　各阶段形状参数和寿命特征Tab.2 Shape parameters and life characteristics atdifferent stages

加速应力和特征寿命服从加速模型lnηi=β1+ β2/T，经过数据拟合并结合（7）式和（8）式，得到在常温下（293 K）的形状参数m0=2.39和寿命特征η0=14 588，拟合曲线如图7所示。把常温下的形状参数和寿命特征值带入（7）式，得到磁流变液在常温下的寿命分布:

图7　加速应力-特征寿命拟合曲线Fig.7 Fitted curve of accelerated stress and life characteristics

正常贮存环境条件下可靠性分布函数为

要求磁流变液的贮存寿命Ts满足:

式中:RL为贮存可靠度下限；γ为置信水平。

在计算处理时，认为^R（t）近似服从均值为R（t），方差为D（^R（t））的正态分布。由（10）式经过变换可得

记μγ为标准正态分布的γ上侧分位点，于是Ts满足:

将^m、^η、RL、γ、μγ代入，用数值迭代法求出该磁流变液在正常贮存环境条件下的贮存寿命。经过计算，在置信水平γ=0.90，可靠度下限RL=0.85时，该引信磁流变液解除保险机构的可靠贮存寿命等于15.2 a.

3　结论

通过贮存稳定性实验分析了在恶劣环境下存贮对磁流变液的屈服应力和黏度的影响以及对引信磁流变液解除保险机构性能的影响。研究结果表明:长时间的高温能使磁流变液中的铁磁颗粒沉降团聚，从而导致引信磁流变液解除保险机构贮存失效，说明高温可加速引信磁流变液解除保险机构失效，从而建立贮存寿命加速模型，提出了适用于引信磁流变液解除保险机构的寿命评估方法。最后，采用这种寿命评估方法对引信磁流变液解除保险机构的贮存寿命进行了评估。评估结果表明，在置信水平γ=0.90，可靠度下限RL=0.85时，引信磁流变液解除保险机构的可靠贮存寿命为15.2 a，满足引信的贮存寿命要求。

（References）

［1］ 唐龙，卢利平，岳恩，等.磁流变液的研究与应用［J］.重庆理工大学学报:自然科学，2013，27（12）:44-48. TANG Long，LU Li-ping，YUE En，et al.Research and applications of magnetorheological fluids［J］.Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2013，27（12）:44-48.（in Chinese）

［2］ Sternberg A，Zemp R，Llera JC D L.Multiphysics behavior of a magneto-rheological damper and experimental validation［J］.Engineering Structures，2014，69:194-205.

［3］ 陆静，王炅，常娟.引信旋转式磁流变液延期解除保险机构研究［J］.探测与控制学报，2009，31（3）:14-18. LU Jing，WANG Jiong，CHANG Juan.Fuze revolving delay arming device using magneto-rheological fluid［J］.Journal of Detection＆amp;Control，2009，31（3）:14-18.（in Chinese）

［4］ 马少杰.引信试验技术［M］.北京:国防工业出版社，2010. MA Shao-jie.Fuze test technology［M］.Beijing:National Defense Industry Press，2010.（in Chinese）

［5］ 段亦彬.基于Matlab软件算法的引信储存寿命预测［J］.舰船电子工程，2012，32（5）:119-120. DUAN Yi-bin.Matlab software in fuze storage life prediction application［J］.Ship Electronic Engineering，2012，32（5）:119-120.（in Chinese）

［6］ 彭志凌，周春桂，陈白禹.基于加速寿命试验的引信贮存寿命预测［J］.机电技术，2014（4）:6-7，13. PENG Zhi-ling，ZHOU Chun-gui，CHEN Bai-yu.Accelerated tests in fuze storage life prediction application［J］.Mechanical＆amp; Electrical Technology，2014（4）:6-7，13.（in Chinese）

［7］ 朱洪涛，李东阳，钱清缓，等.基于系统间相似的引信贮存寿命预计［J］.探测与控制学报，2007，29（6）:73-76. ZHU Hong-tao，LI Dong-yang，QIAN Qing-huan，et al.The prediction of fuze storage life based on system similarity［J］.Journal of Detection＆amp;Control，2007，29（6）:73-76.（in Chinese）

［8］ 申争光，苑景春，董静宇，等.弹上设备加速寿命试验中加速因子估计方法［J］.系统工程与电子技术，2015，37（8）:1948-1952. SHEN Zheng-guang，YUAN Jing-chun，DONG Jing-yu，et al. Research on acceleration factor estimation method of accelerated life test of missile-borne equipment［J］.Systems Engineering and Electronics，2015，37（8）:1948-1952.（in Chinese）

［9］ 陈松，李峰，黄金，等.温度对磁流变液材料及传力性能的影响［J］.材料导报，2015，29（8）:151-155. CHEN Song，LIFeng，HUANG Jin，et al.Influence of temperature on magnetorheological fluid and transmission performance［J］. Materials Review，2015，29（8）:151-155.（in Chinese）

［10］ 陈飞，田祖织，王建.温度对磁流变液性能的影响［J］.功能材料，2014，20（45）:95-98. CHEN Fei，TIAN Zu-zhi，WANG Jian.Influence of temperature on the performance of magnetorheological fluid［J］.Journal of Functional Materials，2014，20（45）:95-98.（in Chinese）

［11］ 吴小琅，赵亚楠，王炅，等.磁流变液保险机构时间数学模型分析［J］.机械制造与自动化，2015，44（5）:76-79. WU Xiao-lang，ZHAO Ya-nan，WANG Jiong，et al.Research on model of delay arming time on magneto-rheological fluid safe and arming device［J］.Machine Building＆amp;Automation，2015，44（5）:76-79.（in Chinese）

［12］ 赵亚楠.中大口径炮弹引信磁流变液延期解除保险机构研究［D］.南京:南京理工大学，2013. ZHAO Ya-nan.Research on magneto-rheological fluid safe and arming device for medium or large calibre artillery fuze［D］. Nanjing:Nanjing University of Science and Technology，2013.（in Chinese）

［13］ Sedlacik M，Pavlinek V，Vyroubal R，et al.A dimorphic magnetorheological fluid with improved oxidation and chemical stability under oscillatory shear［J］.Smart Materials and Structures，2013，22（3）:035011-1-035011-8.

［14］ Nelson W.Accelerated life testing-step-stress models and data analysis［J］.IEEE Transactions on Reliability，1980，29（2）: 24-26.

［15］ 王燕，孙晓天，靳其兵，等.一种改进的粒子群算法-PSO-Powell［J］.杭州电子科技大学学报，2010，30（4）:12-16. WANG Yan，SUN Xiao-tian，JIN Qi-bing，et al.Method of system identification based on PSO-Powell algorithm［J］.Journal of Hangzhou Dianzi University，2010，30（4）:12-16.（in Chinese）

Estimation Method for Storage Life of Magnetorheological Fluid Fuze Arm ing Device

HU Ming，WANG Jiong，WU Xiao-lang
（School of Mechanical Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，Jiangsu，China）

An estimation method is proposed to study the safety and reliability of magnetorheological fluid（MRF）arming device using after a long-term storage，by which the storage life of MRF fuze arming device is estimated.The effect of harsh environment on the yield stress and viscosity of MRF and the performance of fuze arming device is analyzed through storage stability experiment.The experimental results show that a long-time high temperature results in sedimentating and aggregating the ferromagnetic particles in MRF，and speeding up the failure of MRF fuze arming device.An estimation method for the storage life of MRF fuze arming device is presented by establishing an accelerated storage life model.The reliable storage life of MRF fuze arming device under normal storage condition is estimated by the proposed method.The estimated results indicate that the reliable storage life of MRF fuze arming device is15.2 years.

ordnance science and technology；fuze；magnetorheological fluid；arming device；storage；failure；storage life estimation method

TJ430.4

A

1000-1093（2016）09-1606-06

10.3969/j.issn.1000-1093.2016.09.008

2015-11-26

国家自然科学基金项目（51175265）

胡明（1989—），男，博士研究生。E-mail:18652088301@163.com；王炅（1964—），男，教授，博士生导师。E-mail:wjiongz@njust.edu.cn