小型电爆阀性能裕度表征与可靠性评估研究

邓坤秀，陈 栋，徐 勇，梁 浩



小型电爆阀性能裕度表征与可靠性评估研究

邓坤秀，陈 栋，徐 勇，梁 浩

（中国工程物理研究院总体工程研究所，四川 绵阳，621999）

针对小型电爆阀，提出了一种采用阀芯尾速表征小型电爆阀性能裕度，并基于阀芯尾速统计分析评估其功能可靠性的方法。采用光纤位移干涉仪精确获得阀芯尾速，可避免测量误差过大给工程实际评估带来较大的不确定性。本方法试验样本需求少，使试验评定电爆阀可靠性成为可能，能够有效满足工程需要。

电爆阀；性能裕度；可靠性评估；光纤位移干涉仪

电爆阀是利用火工品输出高压燃气作为动力源，完成气路启闭功能的一次性使用火工装置，在国防工业领域应用广泛。小型电爆阀体积小、爆燃气压力峰值高（数百MPa）且上升时间快（约数十μs）、阀芯动作行程（mm级）及历时短（约百μs），同时伴随瞬时高温和加速度冲击，给其开阀性能参量的准确测试带来极大挑战，因此目前小型电爆阀可靠性评估仍采用计数法，但该方法试验量大、耗费高、周期长。

鉴于计数法的不足，Bement[1]提出了一种基于能量测量的小样本可靠性预测方法。该方法通过测量火工装置动作所需的能量以及点火器传递的能量确定性能裕度，以预计产品可靠性。荣吉利[2]在此基础上得到了相似的可靠性预计方法，此方法的关键在于能量的准确测量。但因小型电爆阀动作过程强耦合的特点，目前已有的测试方法无法准确测量其动作所需的能量及电爆管传递的能量。

我国中国工程物理研究院流体物理研究所基于光纤激光多普勒测试技术，研制了连续精密测量运动物体位移或速度的光纤位移干涉仪（AFDISAR），目前主要用于冲击波物理和爆轰物理研究中位移或速度剖面的连续观测[3]。因此，本文提出采用阀芯尾速表征小型电爆阀性能裕度，并运用AFDISAR进行精确测试，根据阀芯尾速统计分布规律开展电爆阀开阀可靠性评估。

1 小型电爆阀组成与功能

小型电爆阀结构示意如图1所示，通常由火工品部分-电爆管组件、机械部分-阀体组件（阀体、限压套、阀芯、盲管（本例，或密封隔膜））组成。工作时，开阀电信号输入，电爆管受激发燃爆，产生高温高压燃气，燃气经限压套短时蓄积压力后，推动阀芯沿阀体通道加速运动，切断盲管接通气路，并在剩余能量的作用下继续运动至停位。

图1 小型电爆阀结构示意图

2 性能裕度表征与测试方法

2.1 性能裕度表征参数

根据小型电爆阀的组成与功能，其失效模式为未接通气路，失效原因为电爆管在接收到开阀电信号后未燃爆或产生的燃气压力不足以驱动阀芯克服阻力完成剪管功能并运动到位。阀芯在燃气作用下运动是一个先剪管再与阀体锥面楔紧耗能停位的序贯过程，只要运动到确定位置，就可以认为接通气路为确定性事件。小型电爆阀阀芯运动到6.5mm处完成剪管，运动到8.5mm处完全接通气路，则电爆阀开阀功能性能裕度采用阀芯运动到8.5mm处还剩余的速度（简称尾速）进行表征。

2.2 性能裕度测试方法

AFDISAR[4]具有测速范围广（1×10-3～10 km/s）、时间分辨率高（<50ps）、测量结果相对扩展不确定度小（≤2%）、光纤探头所需测试空间小等优点，可通过超精细光纤探头直接测量阀芯的端面速度，实现对阀芯速度和位移的精确测量。该种测试方法只需在阀体底部开设与阀腔孔同轴的Φ1mm通孔，为光纤探头和阀芯测试面之间的入射和反射光束提供通路，因此其对阀芯运动速度的影响可以忽略不计。

阀芯测速系统如图2所示，主要由小型电爆阀试验件、程控电源、测速系统等组成。程控电源起爆电爆管并同步触发高带宽示波器，输入阶跃信号启动测速系统的“零时”程序，确保整个试验系统时序同步。测速系统采用中心波长为1 550nm的光纤激光器输出连续光，经信号传输回路输入至光纤探头，一部分光直接由探头端面反射回来作为本振光，另一部分光照射到阀芯测试面；当测速系统“零时”程序启动时，电爆阀动作时刻且其阀芯运动信息从信号传输回路原路返回至AFDISAR，并与本振光进行干涉叠加，形成干涉条纹信号；通过模拟带宽不低于6GHz、4通道采样率不低于20GHz/s的高带宽示波器记录干涉条纹信号；干涉条纹信号经数据处理后获得阀芯运动速度。

图2 阀芯测速系统

3 可靠性评估

3.1 可靠性评估模型

小型电爆阀的开阀可靠性采用阀芯尾速不低于规定速度（0m/s）的概率度量。阀芯尾速由小型电爆阀动作过程中电爆管输出燃气作用在阀芯顶端的推力和阀芯运动过程来自阀体、盲管的阻力共同决定。由经典内弹道学理论[5]知，输出燃气压力受环境温度、主装药药粒厚度、均匀性、质量、药室容积以及装药产生的气体压强等独立随机因素的影响，呈正态统计分布特性[6]。同样，运动阻力值也是受阀体和阀芯结构尺寸、材料性能等独立的随机误差影响，由中心极限定理可知其近似服从正态分布[7]。因此，阀芯尾速可视为服从正态分布。引入“应力——强度”模型，小型电爆阀可靠性评估模型如图3所示。

图3中v为应力值，（）为强度的概率密度曲线，阴影部分即为“干涉区”。

图3 小型电爆阀可靠性模型

3.2 试验样本获取

按照图2搭建试验系统，抽取6发同型号的小型电爆阀产品进行阀芯测速试验。试验样本中2发产品的阀芯速度——时间曲线见图4（a），积分处理后获得的位移——速度曲线见图4（b）。在电爆阀动作后期，阀芯速度曲线出现截尾情况，但阀芯行程超过8.5mm，已完成接通气路功能，试验获得的阀芯尾速有效。6个试验样本的阀芯尾速见表1。

图4 阀芯速度与时间、位移的关系曲线

表1 阀芯尾速

Tab.1 Remaining speed of plunger

3.3 可靠性评估结果

应用试验获取的样本值，根据公式（1）和（2），可得小型电爆阀可靠度置信下限和相应的置信度为：

若按照计数法，获得以上置信度下的可靠度，需要1 927个无失效试验样本，而利用本文中的方法只需6个试验样本，因此本文中的方法具有极大的优越性。

4 结论

针对现有小型电爆阀可靠性评估样本需求多的缺点，提出了利用阀芯尾速直接表征小型电爆阀性能裕度，并基于其统计分布特性，按照应力——强度模型进行其可靠性评估的方法。通过光纤位移干涉仪精确测得阀芯尾速，成功利用少数试验样本（6发）完成了小型电爆阀的高可靠性评估（0.998 9，置信度0.88）。同时，在已知阀芯运动阻力的情况下，可通过阀芯速度历程间接获得电爆管输出燃气作用在阀芯顶端的推力，用于分析现有燃气压力测试方法的测试误差。本方法可为航空航天类火工装置或其他类似产品的可靠性评估及性能评判提供参考。

[1] Bement L J, Multhaup H A. Determining functional reliability of pyrotechnic mechanical devices[J]. AIAA Journal,1999, 37(3): 357-363.

[2] 荣吉利,宋乾强,张涛.一种预测航天火工装置可靠性的小样本方法[J].宇航学报, 2015,36(3):117- 120.

[3] 王德田,李泽仁,吴建荣等.光纤位移干涉仪在爆轰加载飞片速度测量中的应用[J].爆炸与冲击,2009,29(1):105-108.

[4] Strand O T, Goosman D R. Martinez C, et al. Compact system for high-speed velocimetry using heterodyne techniques [J].Review of Scientific Instnunents,2006,77(8): 83-108.

[5] 鲍廷钰,邱文坚.内弹道学[M].北京:北京理工大学出版社,1995.

[6] 胡昌寿.航天可靠性设计手册[M].北京: 机械工业出版社, 1999.

[7] 盛骤,谢世千,潘承毅.概率论与数量统计[M].北京:高等教育出版社,2004.

[8] GB/T 4885-2009 正态分布完全样本可靠度置信下限[S].国防工业技术委员会,2009.

Research on Performance Margin Characterization and Reliability Evaluation for Small Pyrovalve

DENG Kun-xiu，CHEN Dong，XU Yong，LIANG Hao

（Institute of System Engineering, CAEP, Mianyang, 621999）

Aimed at small pyrovalve, a method was presented for evaluating the reliability of small pyrovalve. Based on the statistical analysis of the plunger’s remaining speed, the performance margin was characterized in this paper. The plunger’s remaining speed was accurately obtained by the fiber displacement interferometer, which can avoid the large measurement error that brings great uncertainty to the actual engineering evaluation. The low demand of test samples makes it possible to evaluate the reliability of the small pyrovalve by testing and meet the engineering requirement.

Pyrovalve；Performance margin；Reliability evaluation；Fiber displacement interferometer

1003-1480（2018）06-0019-03

TJ45+9

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2018.06.005

2018-08-13

邓坤秀（1984 -），女，工程师，主要从事电爆阀设计及研究。