某產品峰值壓力和時間超差分析

摘 要：某產品在驗收試驗P-t發火輸出過程中，出現峰值壓力和時間超差的現象。通過理論分析、故障排查和試驗驗證，最終找出了峰值壓力和時間超差的原因。

關鍵詞：P-t發火輸出；峰值壓力和時間；超差；原因

某產品進行P-t發火輸出試驗時， 其中一發產品P-t曲線形狀出現異常，峰值壓力降低及峰壓時間增長，峰值壓力及時間分別為5.2MPa和50.2ms（如圖1），正常曲線見圖2。由于發火輸出試驗的結果對考核產品的性能穩定性及可靠性具有重要作用。因此，必須找出產品P-t曲線異常的原因。首先應對產品P-t曲線測試系統進行全面排查，分析是否是測試原因造成峰值壓力及峰壓時間均超差。

1 P-t曲線測試影響因素分析

產品P-t曲線測試系統由密閉爆發器、壓電晶體傳感器、電荷放大器、數字示波器、脈沖發生器及數據處理系統等部分組成，產品在密閉爆發器中進行定容燃燒，壓力不斷增加，壓力傳感器將壓力信號轉換成電荷信號，通過電荷放大器將電荷信號轉化為電壓信號，由數據采集卡（瞬態記錄儀）采集，再經計算機程序轉換處理，得到燃燒過程的壓力-時間曲線（即p-t曲線）。

根據產品P-t曲線測試系統的工作原理分析，引起產品峰值壓力和時間超差可能會有兩種情況，其一，測試系統儀器本身異常；其二，在P-t曲線測試過程中人為操作失誤。從這兩種可能的情況主要分析了三個部分的問題：

（1）對試驗所使用的傳感器、電荷放大器、脈沖發生器、示波器和數據采集系統等儀器的性能是否完好進行檢查。

（2）對發火電流、傳感器靈敏度、電荷放大器的參數設置的檢查。

（3）對產品測壓容器的容積、密封性和容腔是否干燥的檢查。建立測試系統故障樹如圖3。

2 故障排查及定位

2.1 測試系統儀器本身異常

2.1.1 傳感器異常

（1）傳感器性能異常。試驗所使用的傳感器在計量與檢定周期內。在產品P-t曲線出現異常后，對所用傳感器進行靜態標定，結果顯示傳感器靈敏度值準確，線形度良好。因此，可以排除傳感器性能差引起曲線異常的可能。

（2）傳感器孔暢通性異常。針對產品峰值壓力降低的現象，可能是產品發火后產生的殘渣堵塞傳感器孔。針對這個原因，我們首先對產品發火后的殘渣進行檢查，發現發火后產生的殘渣與其它正常的并沒有明顯的不同，無論從殘渣的數量和尺寸的大小，都與正常的一致。從拆卸下來的測壓容器檢查來看，傳感器孔位置并沒有發現有堵塞的殘渣。為了進一步驗證殘渣對傳感器孔的堵塞問題，用3發產品進行了試驗，用同一個容器，在不進行任何清理的情況下連續試驗，所試的3發產品P-t曲線均正常，而且試驗過程未發現有傳感器孔堵塞的現象。因此，排除了傳感器孔堵塞的可能。

2.1.2 電荷放大器異常

試驗所使用的電荷放大器在計量與檢定周期內。在產品P-t曲線出現異常后，用該套測試設備對同批的一發裝入清理干凈的測壓容器內的產品進行試驗，結果符合要求。因此，可以排除電荷放大器性能異常引起曲線異常。

2.1.3 發火電流異常

在產品P-t曲線出現異常后，對整個測試系統進行檢查，沒有發現線路上有短路分流的情況，用該套測試設備對同批的一發裝入清理干凈的測壓容器內的產品進行試驗，結果符合要求。因此，可以排除發火電流分流引起曲線異常的可能。

2.1.4 測壓容器密封性差

如果容器密封性差，產品在容器中發火時會出現漏氣，造成產品峰值壓力偏低。試驗前傳感器和產品均用試驗工藝要求的力矩扳手旋緊，在產品P-t曲線出現異常后，將產品從容器中取出，產品上裝有工藝要求尺寸的紫銅墊圈，在剛打開容器的壓蓋時，就聽見有氣體排出的聲音，說明容器密封性良好。又將一發產品裝入容器內，傳感器和產品均不用扭力扳手旋緊，結果顯示壓力曲線形狀和正常壓力曲線的形狀基本一致，只是壓力降低，時間正常。因此，我們排除了容器密封性差引起曲線異常的可能。

2.2 人為操作不當

2.2.1 各設備試驗參數設置錯誤

在產品P-t曲線出現異常后，檢查發火電流、傳感器靈敏度、電荷放大器的參數設置均與摸底和試生產時設置一致，未發現有設置錯誤的情況，在產品P-t曲線出現異常后，用該套測試設備對同批的一發裝入清理干凈的測壓容器內的產品進行試驗，結果符合要求。因此，我們可以排除試驗參數設置錯誤引起曲線異常的可能。

2.2.2 測壓容器的使用錯誤

如果測壓容器容積大于技術條件的規定，則可能會造成產品峰值壓力偏低。在摸底和試生產時對使用的測壓容器進行了編號和容積滴定。在產品P-t曲線出現異常后，檢查了容器，發現與摸底和試生產使用的是同一容器，并再次對其容積進行了滴定，測壓容器容積符合公差要求。因此，排除了測壓容器使用錯誤，容積偏大造成產品峰值壓力偏低的可能。

2.2.3 測壓容器容腔內有水潮濕

在試驗工藝中規定了每一發產品發火后必須先清理測壓容器容腔內的殘渣，然后用清水洗干凈，最后用棉紗或衛生紙擦拭干凈并用吹風機吹干，方可用于下一發產品試驗。針對試驗中要求用水清洗測壓容器容腔的規定，同時結合異常曲線的形狀，可能是操作人員遺漏了將用水洗過的測壓容器容腔進行清理吹干，從而引起了產品P-t曲線的異常。

針對這個原因，做了相應的驗證試驗，所試的6發產品P-t曲線均出現異常的現象，而且曲線的形狀和趨勢均與故障曲線相同。因此，產品P-t曲線出現異常正是由于測壓容器用水清洗后容腔內水分未清理干凈，容腔潮濕造成的。

3 機理分析

通過造成曲線異常原因的逐一排查，最終發現是由于測壓容器容腔用水清洗后未清干，容腔內有水造成容腔潮濕，從而導致曲線異常。在P-t曲線試驗過程中，產品的作用過程是：測試系統給產品供電，產品橋絲發熱，到一定燃燒點，藥燃燒，產生高壓高熱氣體，使產品發火爆炸，由于測壓容器內有少量的水液存在，溫度比高壓高熱氣體要低很多，這時容腔內殘留的水就成了吸熱的介質。

根據公式：

Q=cm△t （1）

Q：熱量J；

C：水的比熱容4.2×103J/[kg×℃]；

m：水的質量kg；

△t：變化的溫度℃。

可以得出水吸收的熱量為：Q吸=c水m水△t1

假設在測壓容器容腔內干燥情況下藥燃燒產生熱量為Q1，那么在測壓容器容腔內有水狀態下，總熱量

Q2=Q1-Q吸=c燃氣m燃氣△t2 （2）

由根據公式（2）得出測壓容器容腔內有水狀態下，藥燃燒后熱量減少，溫度降低。

在密閉爆發器實驗中，火藥氣體具有高溫高壓的性質，p、T與比容w之間的函數關系不能用理想氣體狀態方程pV=nRT來表示，必須采用真實氣體狀態方程，常用的是范德瓦爾（Van der wals）方程；

（p+■）（w-？琢）=RT （3）

式中，a：反映分子間的吸引力的物理量；

α：余容；

R：氣體常數；

w：氣體比容。

由于氣體的溫度很高，分之間的吸引力很小，故式中a/w2項可以忽略不計，于是范德瓦爾（Van der waals）方程可以簡化為：

p（w-α）=RT （4）

根據公式（4） 得出P與T成正比，根據公式（2）藥燃燒后熱量減少，溫度降低，結合公式（4）和公式（2）可以得出：溫度降低時，壓強變小，所以產品峰值壓力降低。

因為測壓容器內有水液存在，藥與水接觸的面吸濕受潮，延遲藥完全燃燒時間，同時藥燃燒面積減少。

根據公式：r=△l/△t （5）

式中， r：燃速；

△l：燃燒距離；

△t：燃燒時間。

由公式（5）可以看出：當藥燃燒面積減少，燃燒時間延長的情況下，藥本身的燃速必然減緩，所以曲線上升段平緩，峰壓時間延長。

4 故障復現

在明確了故障機理后，進行了相關的驗證試驗，同時也讓故障得以復現。首先用3發產品進行P-t曲線試驗驗證，試驗時，測壓容器均用水清洗，但容腔不進行擦拭吹干處理，直接進行產品的裝配和發火。試驗結果顯示：產品P-t曲線均明顯出現異常，其后，又用3發與異常曲線產品同批生產的產品進行驗證，結果顯示：產品P-t曲線也出現了與異常曲線相同的曲線形狀。

我們將測壓容器容腔清洗干凈，用衛生紙擦拭干凈并用吹風機吹干之后，又用與該產品同批的6發產品進行驗證，發現6發產品的曲線完全正常，峰值壓力和時間數據符合技術要求。

由驗證試驗可以看出將測壓容器容腔清洗干凈，用衛生紙擦拭干凈并用吹風機吹干之后，產品的峰值壓力和時間值以及曲線走勢均恢復正常。

5 結束語

從故障復現試驗過程來看，在測壓容器容腔內有少量水液存在的情況下，均出現了與異常的產品P-t曲線現象相同的情況，其出現的機率為100%，這足以證明，故障機理分析和故障定位完全正確，故障曲線被完全復現出來。由此可見：在以后的產品峰值壓力和時間測試試驗中，必須將測壓容器容腔清洗干凈后，用棉紗或衛生紙擦拭干凈并用吹風機吹干才能使用。

參考文獻

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作者簡介：李玲（1980.8-），女，工程師，本科，從事環境可靠性測試工作。