次數(shù)折合時間的電子安全起爆系統(tǒng)可靠性計算

杜永龍，李 強，陳 侃，展學磊

（西安機電信息技術(shù)研究所，陜西 西安710065）

0 引言

引信直列式爆炸序列一般采用沖擊片雷管作為初級火工品，爆炸序列不用隔爆機構(gòu)，初級火工品和其他傳爆組件直接對正。這種引信的安全系統(tǒng)采用電子系統(tǒng)實現(xiàn)，因此又稱為“電子安全系統(tǒng)”［1］。由于沖擊片雷管是一種窄脈沖、大電流的發(fā)火形式，因此，其起爆部件實際是一種高壓脈沖電路。由于直列式引信的安全系統(tǒng)和起爆部件均為全電子電路形式，為區(qū)別于機械安全起爆系統(tǒng)，本文將其稱為電子安全起爆系統(tǒng)。電子安全起爆系統(tǒng)能夠重復(fù)無損測試，通過統(tǒng)計研制階段試驗數(shù)據(jù)可以進行可靠性計算。

在可靠性計算方法上，傳統(tǒng)的機械安全起爆系統(tǒng)通常按照成敗型分析方法進行可靠性計算［2］。電子安全起爆系統(tǒng)由于具有無損測試的特點，因此用成敗型分析方法不適合；但由于工作時間短，用無故障工作時間也不合適。因此，本文針對此問題，提出次數(shù)折合時間的電子安全起爆系統(tǒng)可靠性計算方法。

1 電子安全起爆系統(tǒng)與常用可靠性計算模型

1.1 電子安全起爆系統(tǒng)工作特點

傳統(tǒng)引信的爆炸序列既有敏感火工品，也有鈍感火工品，安全系統(tǒng)負責將二者隔離并適時解除隔離。直列式爆炸序列中沒有敏感火工品，不需要隔離，或者理解為高能壁壘隔斷雜散能量通往爆炸序列的通道。電子安全起爆系統(tǒng)起爆直列式爆炸序列，其工作原理是：通過環(huán)境信息的識別和邏輯判斷，實現(xiàn)對組合保險件的控制，完成引信高壓電容充電，相當于解除隔離。當識別到預(yù)定目標信號后觸發(fā)高壓開關(guān)工作，高壓電容放電輸出起爆能量起爆沖擊片雷管。如果將沖擊片雷管分解，高能壁壘件劃入起爆部件，炸藥劃入爆炸序列，則電子安全起爆系統(tǒng)原理框圖可畫成圖1的形式。

圖1 直列式引信基本可靠性框圖Fig.1 The block diagram of ESAD reliability

電子安全起爆系統(tǒng)由電子電路部件組成，在試驗過程中可以進行無損檢測：外加信號源模擬提供各種環(huán)境信息，通過監(jiān)測電路的性能參數(shù)判斷環(huán)境信息識別和邏輯判斷功能；通過示波器外加高壓探頭監(jiān)測高壓電容充電電壓幅值，判斷引信是否處于正常待發(fā)狀態(tài)；外界模擬給出目標信號，通過監(jiān)測起爆輸出電流判斷其起爆可靠性。

1.2 指數(shù)分布和二項分布的可靠性計算模型

引信可靠性計算時按照試驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計特征可以分為成敗型可靠計算模型、指數(shù)壽命型可靠性計算模型、威布爾型可靠性計算模型及結(jié)構(gòu)（應(yīng)力-強度型）可靠性計算模型。實踐數(shù)據(jù)證明，電子電路部件一般使用指數(shù)分布，一次性爆炸元件一般使用成敗型分布（服從超幾何分布，用二項分布近似）［3］。

使用二項分布計算可靠性時，往往以可靠度單側(cè)置信下限RL作為度量可靠性的參數(shù)。直列式引信爆炸序列可以按照這種方法進行可靠性計算。具體方法是：統(tǒng)計試驗數(shù)n、失敗數(shù)F，在置信水平γ下，參照GJB376-87《火工品可靠性評估方法》中提到的計算公式（3）、（4）進行可靠度單側(cè)置信下限的計算［6］。

1.3 環(huán)境因子和環(huán)境系數(shù)

進行可靠性計算時，由于各類試驗條件不一致，必須將各類試驗數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為引信實際工作環(huán)境下的等效試驗數(shù)據(jù)，也就是必須確定各類試驗環(huán)境轉(zhuǎn)為實際工作環(huán)境的環(huán)境因子［3］。引信實際工作環(huán)境是飛行工作環(huán)境，飛行工作環(huán)境往往包括溫度、電磁、力學等綜合環(huán)境應(yīng)力，定義飛行工作環(huán)境的環(huán)境因子為1，其他試驗的環(huán)境因子是試驗環(huán)境相對飛行環(huán)境的折合系數(shù)。試驗環(huán)境包括實驗室等地面良好環(huán)境、惡劣地面固定環(huán)境和劇烈地面移動環(huán)境［7］。

GJB299C-2006《電子設(shè)備可靠性預(yù)計手冊》中定義了環(huán)境系數(shù)：不同環(huán)境類別的環(huán)境應(yīng)力（除溫度應(yīng)力外）對元器件失效率影響的調(diào)整系數(shù)［7］。從概念來看，環(huán)境系數(shù)是取地面良好環(huán)境為1，環(huán)境系數(shù)是各試驗環(huán)境相對地面良好環(huán)境的折合系數(shù)。而環(huán)境因子是取飛行環(huán)境為1，環(huán)境因子是各試驗環(huán)境相對飛行工作環(huán)境的折合系數(shù)。可以看出環(huán)境系數(shù)和環(huán)境因子本質(zhì)相同，表征形式有所區(qū)別。但是，環(huán)境系數(shù)是基于元器件的定義，環(huán)境因子是基于整機產(chǎn)品或單元部件的定義，二者不能等同處理。

通過環(huán)境因子可以將試驗數(shù)據(jù)等效轉(zhuǎn)換為飛行工作環(huán)境試驗數(shù)據(jù)，但是目前還沒有一個具體的確定方法，使得通過試驗數(shù)據(jù)進行可靠性計算時存在困難。

2 次數(shù)折合時間的電子安全起爆系統(tǒng)可靠性計算方法

2.1 次數(shù)折合時間的可靠性計算方法原理

次數(shù)折合時間的可靠性計算方法原理主要是確定環(huán)境因子，將試驗數(shù)據(jù)等效轉(zhuǎn)換為飛行工作環(huán)境試驗數(shù)據(jù)；由于電子安全起爆系統(tǒng)工作時間短，采用等效工作次數(shù)代替等效工作時間作為試驗數(shù)據(jù)進行可靠性計算。

認為間斷工作次數(shù)服從指數(shù)分布，定義MNBFL為平均故障間隔次數(shù)，Nμ為等效工作次數(shù)，建立以電子安全起爆系統(tǒng)工作次數(shù)為參數(shù)的指數(shù)分布模型：參照公式（1）和（2），以工作次數(shù)折合工作時間，得到電子安全起爆系統(tǒng)在有故障Z≠0 和無故障Z=0兩種情形的MNBFL計算公式（5）和（6），同時由MNBFL可以推導(dǎo)出飛行工作可靠度單側(cè)置信下限RL（飛行工作時工作1次），見公式（7）。

2.2 確定環(huán)境因子和工作時間

采用使用元器件中的最小環(huán)境因子作為電子安全起爆系統(tǒng)的環(huán)境因子。具體方法是首先在GJB299C-2006《電子設(shè)備可靠性預(yù)計手冊》查到不同元器件的環(huán)境系數(shù)。其次從列表中用環(huán)境系數(shù)除以飛行工作環(huán)境的環(huán)境系數(shù)得到環(huán)境因子，分別得到不同元器件的地面良好環(huán)境的環(huán)境因子、惡劣地面固定環(huán)境的環(huán)境因子和劇烈地面移動環(huán)境的環(huán)境因子。最后以所用元器件的最小環(huán)境因子作為電子安全起爆系統(tǒng)的環(huán)境因子。

以電阻、二極管和電容構(gòu)成的整機舉例說明。如表1所示，從GJB299C-2006中分別得到片式膜電阻、固體鉭電容和普通二極管三種元器件的環(huán)境系數(shù)，分別計算不同環(huán)境下的環(huán)境因子，取最小環(huán)境因子作為該環(huán)境下整機的環(huán)境因子。

表1 三種元器件構(gòu)成的整機在不同試驗環(huán)境下的環(huán)境系數(shù)-環(huán)境因子列表Tab.1 Machine composed of three kinds of components under different test environments environmental factors-environmental factors list

由于環(huán)境因子是將試驗數(shù)據(jù)等效轉(zhuǎn)換為飛行工作環(huán)境試驗數(shù)據(jù)，用元器件中的最小環(huán)境因子轉(zhuǎn)換后的試驗數(shù)據(jù)是整機中的最弱情形下的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，顯然是一種保守等效方法。

工作時間是引信在試驗環(huán)境中的無損檢測時間，將試驗環(huán)境下的工作分類，其中實驗室測試、聯(lián)試等歸類到地面良好環(huán)境工作；將高溫、低溫、溫度沖擊、高濕、霉菌、鹽霧、電磁等環(huán)境條件下的測試歸類為惡劣地面固定環(huán)境工作；將振動、沖擊、加速度等環(huán)境條件下的測試劇烈地面移動環(huán)境工作。統(tǒng)計各種試驗環(huán)境下的無損檢測時間作為工作時間進行收集。在得到某個試驗環(huán)境的環(huán)境因子Ki后，統(tǒng)計到該環(huán)境下工作時間為ti時，等效工作時間轉(zhuǎn)換為Ki·ti，則累計等效工作時間為∑NiKiti（N 代表不同試驗環(huán)境）。

2.3 次數(shù)折合時間的可靠性計算步驟

電子安全起爆系統(tǒng)屬于直列式引信的重要組成單元，實際工作時間短，特別是起爆部件屬于高壓脈沖功率單元，因此區(qū)別以往工作時間的試驗數(shù)據(jù)收集方式，提出收集工作次數(shù)作為試驗數(shù)據(jù)。通過次數(shù)計算電子安全起爆系統(tǒng)可靠性。具體步驟包括收集數(shù)據(jù)和折合計算。

1）數(shù)據(jù)收集。在試驗時，引信按照任務(wù)流程進行了重復(fù)測試，電子安全起爆系統(tǒng)上電工作1次，即通過監(jiān)測電路性能判斷解保狀態(tài)、起爆輸出電流等技術(shù)指標判斷其工作可靠性，如果滿足各項監(jiān)測指標，判定工作正常，即統(tǒng)計工作次數(shù)為1。

2）折合計算。以電子安全起爆系統(tǒng)按照任務(wù)流程上電工作完整時間為基準，對應(yīng)的工作時間折合為工作次數(shù)。定義折合工作次數(shù)為mj，則累計折合工作次數(shù)為Kjmj。將累計工作次數(shù)、故障次數(shù)和置信度代入公式（5）～（7），計算得到無故障和有故障兩種情形下的可靠度單側(cè)置信下限。

可以看出，次數(shù)折合時間的可靠性計算方法實際上是在以環(huán)境系數(shù)確定環(huán)境因子，將累計等效工作時間折合為累計等效工作次數(shù)，再按照類推的工作次數(shù)指數(shù)模型計算得到電子安全起爆系統(tǒng)的可靠度單側(cè)置信下限。

3 驗證計算

3.1 試驗數(shù)據(jù)的計算

以一種直列式引信為例，按照次數(shù)折合時間的方法對電子安全起爆系統(tǒng)可靠性進行計算。整個研制過程中，去掉爆炸序列的直列式引信即電子安全起爆系統(tǒng)，能夠進行重復(fù)測試，完成各項性能、環(huán)境、可靠性增長試驗和飛行工作試驗。由于可靠性增長試驗條件苛刻，加載綜合環(huán)境應(yīng)力、試驗環(huán)境與飛行工作環(huán)境近似，所以將可靠性增長試驗和飛行試驗的數(shù)據(jù)歸入飛行工作環(huán)境試驗。

將實驗室性能測試、車間聯(lián)試歸入地面良好環(huán)境試驗，參照GJB299C-2006《電子設(shè)備可靠性預(yù)計手冊》，按照表1形式得到電子安全起爆系統(tǒng)所用元器件的所有環(huán)境因子。取元器件最小環(huán)境因子0.07作為電子安全起爆系統(tǒng)的環(huán)境因子；將環(huán)境試驗中的氣候試驗項目歸入惡劣地面固定環(huán)境試驗，取所用元器件的最小環(huán)境因子0.2作為惡劣地面固定環(huán)境的環(huán)境因子；將環(huán)境試驗中的力學試驗項目歸入劇烈地面移動環(huán)境試驗，取所用元器件的最小環(huán)境因子0.43作為劇烈地面移動環(huán)境的環(huán)境因子。統(tǒng)計各試驗環(huán)境的試驗時間和數(shù)量，建立電子安全起爆系統(tǒng)試驗數(shù)據(jù)收集表（表2）。

表2 電子安全起爆系統(tǒng)試驗數(shù)據(jù)收集表Tab.2 The collection form of ESAD test data

3.2 可靠性計算比較

取置信度為0.8，通過累計折合時間，按照公式（6）計算得到電子安全起爆系統(tǒng)平均故障間隔次數(shù)MNBFL為429次，以飛行工作1次計算，按照公式（7）得到飛行工作可靠度置信下限RL為0.997 7。

如果將無故障工作次數(shù)增加1倍即累計折合次數(shù)增加1倍，計算得到飛行工作可靠度置信下限為0.998 8。比較可以看出，無故障工作次數(shù)增加，可靠性提高，證明方法有效。

4 結(jié)論

本文提出了次數(shù)折合時間的電子安全起爆系統(tǒng)可靠性計算方法。以環(huán)境系數(shù)確定環(huán)境因子，將累計等效工作時間折合為累計等效工作次數(shù)，再按照類推的工作次數(shù)指數(shù)模型計算得到電子安全起爆系統(tǒng)的可靠度單側(cè)置信下限。如果將無故障工作次數(shù)增加1倍即累計折合次數(shù)增加1倍，計算得到飛行工作可靠度增大。通過比較可以看出，無故障工作次數(shù)增加，可靠性提高，證明方法有效。計算方法的充分性有待進一步積累數(shù)據(jù)。

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