某型燃燒手榴彈作用可靠性失效分析

張德華，李海慶，潘會平，孫宏濤，李玉柱，韓 瑋，劉 敏

(山西北方晉東化工有限公司，山西 陽泉 045000)

彈藥失效診斷與控制是一項系統工程，它要求應用現代科學技術，在人力、物力、財力以及時間允許的條件下，對產品在全壽命周期內(即從設計、生產、運輸、貯存、使用維護直到報廢期間)發生的失效，或可能發生的失效進行診斷，從管理、機制和技術等方面提出控制措施，以便消除或盡量減少彈藥失效，最終保證彈藥發揮最佳效能[1]。

某型燃燒手榴彈是一種用于近距離作戰，主要用以實施縱火或熔燒金屬，焚毀敵方軍事設施和目標的輕武器特種彈藥。在靶場鑒定試驗中，該產品出現作用可靠率不滿足戰術技術指標要求的問題。由于該產品結構相對復雜，影響其可靠作用的因素較多，因此在分析問題、查找故障原因上有一定難度。本文采用故障樹分析方法對該彈藥發生的故障問題進行了分析，建立了產品作用可靠率降低的故障樹，并結合產品結構和試驗故障現象進行分析，準確診斷出失效原因與機理，有效解決了問題，及時對故障進行了歸零，同時提出了具體控制措施，使同類失效問題得到了有效控制。

1 故障現象

2013年11月，某型燃燒手榴彈進行鑒定試驗，靶場試驗數據統計見表1。由表1可知，在進行常溫和低溫條件的投擲作用可靠性2個試驗項目(各100枚)中，分別出現了不同程度的作用可靠率不達標現象(要求作用率≥97%)。

表1 靶場試驗數據統計

故障現象如下：1)低溫條件下，中硬地面試驗后有1枚彈體上部連接件與彈殼分離，造成上部已被引燃的裝藥層被帶出殼體，導致裝藥燃燒中斷；2)其余11枚未正常作用彈體的連接件泄壓孔處均有破孔或輕微燒焦現象，且彈體上部明顯發熱。

2 問題定位

因產品組成相對復雜，產品作用過程中受到的內外環境影響因素多，故障原因多樣，全面找出故障原因并對故障準確定位并歸零有一定難度；為此，采用故障樹分析方法，根據試驗現象、產品結構及作用機理建立了故障樹，并對產生故障的可能原因進行了全面的分析定位，為故障歸零提供了依據。

2.1 產品結構與作用原理

圖1 裝藥結構示意圖

該燃燒手榴彈主要由裝藥彈體和延時引信組成。裝藥彈體由連接件、裝藥殼體等組成。裝藥彈體的點傳火序列依次由點火藥、引燃劑、過渡藥和燃燒劑組成(見圖1)。彈殼采用冷軋鋼板加工成型，裝藥后連接件與殼體合裝后滾溝封邊密封連接。全彈工作原理為延時引信發火并輸出火焰，依次引燃裝藥表層的點火藥、引燃劑，然后點燃下一層的過渡藥，最終過渡藥引燃燃燒劑，通過燃燒劑燃燒作用完成毀傷功能。

2.2 產品歷史情況

該型燃燒手榴彈經歷將近4年的研制工作，至靶場鑒定試驗前，工廠累計試制、試驗該產品約500余枚，從未發生過彈體裝藥斷火、瞎火等非正常作用現象。

2.3 故障分析

從可靠性邏輯關系來分析該產品結構，產品主要由延時引信和裝藥彈體構成，同時裝藥彈體中的點傳火和裝藥序列也呈串聯關系，即其中任何一個環節出現故障都將導致系統出現故障。根據該產品的結構、工作原理，綜合分析可能導致燃燒手榴彈未正常作用故障的各種可能因素，建立了燃燒手榴彈非正常作用故障樹(見圖2)，按照故障樹對所有底事件進行了逐項排查。

圖2 某型燃燒手榴彈非正常作用故障樹

2.3.1 引信故障

取靶試中的故障彈拆除引信后進行觀察，發現所有引信均正常作用，并可靠引燃點火藥，因此可以排除引信故障的原因。

2.3.2 殼體口部壁厚尺寸超差

本批產品用零部件加工完成后，均按圖樣尺寸要求全數普驗，經檢驗合格后方投入使用。本次故障排查過程中重新檢查了生產檢驗原始記錄，殼體尺寸均符合圖樣要求，無超差現象。

試驗現場，取連接件與彈殼分離的故障彈，檢測其殼體收口處壁厚尺寸均滿足圖樣要求，因此可以排除因殼體口部壁厚尺寸超差(小于圖樣尺寸下限)導致收口后彈體連接強度不足的可能性。

2.3.3 收口處翻邊尺寸較窄

彈體封裝采用了收口翻邊工藝，圖樣收口處翻邊尺寸要求為1～2 mm。本批產品試制時，該工序由成型模具保證此尺寸，未進行全數檢驗，因此本次故障排查時，對本批剩余產品進行了翻邊尺寸檢查，發現有個別產品存在不符合要求現象。挑出翻邊尺寸較窄的5枚彈體(收口處翻邊尺寸<1 mm)進行可靠性試驗，試驗結果如下：3枚彈體正常作用，2枚彈體作用后連接件與彈殼分離，與靶試時故障彈現象基本一致。因此，可以確定彈體收口處翻邊尺寸超差(低于工藝要求下限)，收口處束縛力降低，導致彈體連接強度不足是本次故障發生的原因之一。

2.3.4 藥劑點火能量不足

檢查該批產品生產原始記錄表明，用于該批產品裝配的所有藥劑的理化性能、燃燒熱等各項技術指標均無異常。

2.3.4.1 點火藥點火能量不足

解剖泄壓孔處有燒焦或破孔現象的故障彈后，觀察其彈體裝藥，發現點火藥、引燃劑以及過渡藥表層的藥劑均已被引燃，表明點火藥已可靠引燃下一級的引燃劑，因此，可排除點火藥點火能量不足的可能性。

2.3.4.2 引燃劑點火能量不足

通過觀察解剖后的故障彈體裝藥可以看到，點火藥、引燃劑已充分燃燒，其下一級的過渡藥表層也被可靠引燃，而原始記錄表明藥劑符合使用要求；因此，可以排除引燃劑點火能量不足的可能性。

2.3.5 藥劑水分超差

查閱生產裝配前各種藥劑水分含量測試記錄(見表2)，結果表明，均滿足工藝要求(工藝要求均為≤0.8%)。

表2 生產裝配前藥劑水分含量測試結果表

隨機取鑒定批剩余裝藥彈體10枚，解剖后對各裝藥層取樣進行水分含量分析，試驗數據見表3。表3中各種藥劑水分含量工藝要求均為≤0.8%。

表3 彈體裝藥水分含量測試結果表

由表3試驗數據可以看出，與生產裝配前相比較，被解剖樣品中的引燃劑和過渡藥都存在水分含量上升，甚至超出工藝要求范圍的現象。

2.3.5.1 點火藥水分超差

該點火藥為制式點火藥劑，由表2和表3數據對比可知，點火藥的水分含量在裝配前后未發生變化。該型點火藥吸濕性非常小，性能優良。在研制期間，按照相關國軍標要求，對該藥劑進行吸濕性能試驗，將點火藥放入底部盛有飽和硝酸鉀溶液的干燥器內進行吸濕作用，試驗環境溫度為(20±3) ℃，持續恒溫，24 h后取樣進行水分含量測試，其水分含量僅為0.13%，吸濕性極小，所以點火藥不存在水分超差的可能，且所有故障彈的點火藥層均完全燃燒并可靠引燃下一級的引燃劑裝藥，因此，可以排除點火藥水分超差影響裝藥燃燒的可能性。

2.3.5.2 引燃劑水分超差

取鑒定批剩余的引燃劑進行持續吸濕處理后，按照實彈裝藥序列和密度，分別壓制20發藥柱(平均分為2組)進行發火性能驗證試驗，每組平均試驗數據見表4。

表4 引燃劑吸濕處理后發火性能試驗結果

由表4試驗數據可以看出，當引燃劑水分含量達到1.12%時，所有試樣均正常作用，未出現引燃劑未被點燃或過渡藥斷火現象；同時，對靶場鑒定試驗中出現的故障彈解剖后觀察其彈體裝藥，發現點火藥、引燃劑以及過渡藥表層的藥劑均已被引燃，都是在過渡藥燃燒過程中發生斷火，現象一致。所以，可排除因引燃劑水分含量超差導致裝藥彈體作用不可靠的可能性。

2.3.5.3 過渡藥水分超差

取鑒定批剩余的過渡藥進行持續吸濕處理后，按照實彈裝藥序列和密度，分別壓制20發藥柱(平均分為2組)進行發火性能驗證試驗，每組平均試驗數據見表5。

表5 過渡藥吸濕處理后發火性能試驗結果

由表5試驗數據可以發現，當過渡藥水分含量達到0.94%時，燃燒過程中在過渡藥層出現燃燒中斷現象，有90%的試樣能夠正常完成全部燃燒過程；當水分含量增至1.5%時，僅有10%的試樣過渡藥能夠持續完成全部燃燒過程。試驗現象表明，水分含量的增加會導致過渡藥持續燃燒的難度增大，斷火概率增大。

結合上述水分含量超差的試驗數據可以看出，引燃劑和過渡藥都存在因吸濕、受潮導致水分含量超出工藝要求范圍的現象。由于投擲試驗中的故障彈均是在過渡藥層中部出現燃燒中斷現象，表明在引燃劑水分含量略高出工藝要求上限時，過渡藥表層藥面仍能被可靠引燃；同時結合表4和表5試驗結果，可以確認過渡藥水分超差是導致本次故障發生的原因之一。

2.3.5.4 燃燒劑水分超差

據表2和表3測試數據可以看出，裝藥彈體中燃燒劑水分含量未發現有超出工藝要求(≤0.8%)的現象。裝藥彈體中燃燒劑的水分含量與生產裝配前相比也基本無明顯變化，表明燃燒劑未發生水分含量超差現象，可以排除燃燒劑水分超差造成產品燃燒中斷的可能性。

3 機理分析

彈體裝藥內部，各種藥劑的燃燒按如下過程進行傳遞。

1)點火。延時引信發火并輸出火焰，引燃裝藥表層的點火藥。

2)引燃。點火藥點燃引燃劑，引燃劑引燃過渡藥，火焰傳播到過渡藥內部，燃燒沿彈體裝藥軸向推進。

3)燃燒。過渡藥逐層燃燒完全并點燃主裝藥燃燒劑，燃燒劑燃燒釋放出高溫和大量熱熔渣，最終實現燃燒毀傷功能。

基于上述作用機理，分析該產品出現未正常作用現象，導致彈體裝藥斷火的原因如下。

1)彈體收口處連接強度不足。裝藥殼體與連接件收口處翻邊尺寸較窄，有不滿足工藝要求現象，殼體與連接件之間的連接強度降低，出現部分被試彈體在燃燒過程中連接件與殼體分離，燃燒壓力降低，同時表層已引燃的過渡藥裝藥層被帶出殼體，從而導致彈體裝藥燃燒中斷。

2)過渡藥水分含量超差。過渡藥的燃燒過程綜合了許多吸熱和放熱化學過程及傳熱物理過程。燃燒狀況受很多因素影響，整個過程極為復雜[2]。穩態燃燒的傳播速度基本由反應溫度和傳導至未燃物的熱量決定。隨著藥劑中水分含量的升高會消耗熱量，從而減緩燃燒速率，直至不能持續燃燒而中斷。試驗結果表明，過渡藥水分含量超差就會出現燃燒難以持續的現象。該類現象在本次故障總數中所占比例最高，成為主要故障原因。該批產品進行生產裝配期間正值夏季，氣候潮濕，雖然在壓藥裝配工房采取了相應的措施(對稱裝藥和壓藥工序所在的工房進行了防潮密封隔斷改造，工房內增加吸濕機，相對濕度可控制在40%～50%，滿足工藝要求)，但在稱裝藥、壓藥和裝配工序外的轉運、存儲等工序環節未能有效控制環境濕度；因此存在產品吸濕的可能性。

4 問題復現

為進一步驗證上述原因分析的準確性，進行了如下試驗。

用鑒定批剩余藥劑按照鑒定批的技術狀態重新裝配該產品30枚。裝配之前，將引燃劑和過渡藥進行吸濕處理，引燃劑水分含量為0.9%，過渡藥水分含量為0.9%，燃燒劑水分含量為0.6%，彈體合裝時，保證了收口處翻邊尺寸滿足工藝要求；然后，進行了作用可靠性試驗，試驗數量為常溫、高溫和低溫各10發。

試驗結果表明，高溫條件下所有被試品試驗全部正常作用；常溫和低溫試驗中各出現1枚未正常作用現象；全部被試樣品中未再出現連接件被推出裝藥殼體、彈體分離的現象。

解剖2枚故障彈觀察發現，引信均正常作用，點火藥和引燃劑均被可靠引燃，表層過渡藥也被可靠引燃，但在過渡藥中部斷火。2枚試樣故障現象基本相同，與靶試故障彈試驗現象也基本一致。從試驗結果看，復現了彈體裝藥未被點燃的故障現象。

基于上述排查及驗證認為，本次試驗中彈體裝藥燃燒中斷故障的主要原因是過渡藥水分含量超過工藝上限要求。

5 采取的措施及驗證

5.1 采取的措施

根據故障問題分析結果，采取如下措施。

1)針對故障彈中收口翻邊尺寸較窄、連接強度降低的現象，進行了提高可靠性裕度的設計改進。彈體合裝收口時，將收口處的翻邊尺寸由圖樣的1～2 mm增大至2～3 mm，提高收口強度，同時加強制造過程中對彈體收口質量的檢查、控制。

2)嚴格控制試制裝配時的工藝環境條件和藥劑水分含量。保障制造過程中所有工序環境條件符合工藝要求，各種藥劑水分含量嚴格控制在工藝要求范圍以內。

3)裝藥彈體收口合裝后及時加裝密封堵頭和密封圈，并用包裝袋密封包裝保存，防止產品受潮。

5.2 試驗驗證

明確故障原因后，按照上述改進措施方案，重新組織進行了藥劑制備和全彈的生產制造。在整個制藥和裝配過程中，加強控制生產環境工藝條件(環境溫度和濕度)，嚴格執行工藝要求，補充試制裝配彈體200枚，分別進行了振動、跌落、浸水、自然溫度投擲試驗60枚，作用可靠性試驗140枚。作用可靠性試驗中，常溫40枚，高溫40枚，低溫60枚，全部作用可靠，未再出現瞎火、斷火和連接件脫落等現象，作用可靠率為100%，產品均滿足指標要求。驗證試驗結果表明，采取措施合理、有效。

6 結語

采用故障樹法分析明確故障原因，通過有效控制制造工藝后進行了驗證試驗，被試樣品全部正常作用，產品正常作用率有了顯著提高，達到了戰術技術指標要求。試驗結果表明，產品故障分析定位準確，改進措施有效，順利完成故障歸零。可見，采用故障樹分析方法對該類產品故障進行分析效果明顯，是進行彈藥產品故障分析、歸零的有效工具。