機械火工品設計與生產過程中的感度控制研究

高清宏

摘 要：火工品技術廣泛應用于武器裝備、航天和航天器等領域。近年來，機械爆炸產品可靠性設計技術得到了發展和提出，雖然它已經在一些產品的開發設計中得到了初步的應用，但是在實際生產過程的控制中并沒有得到有效的應用，更沒有在生產過程中得到體現。本文基于機械炸藥的可靠性設計理論，建立了機械炸藥設計和生產中的靈敏度控制方法，給出了靈敏度控制的實現步驟。

關鍵詞：機械火工品;設計;感度控制

中圖分類號：TQ560.6 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）04-0101-02

機械起爆裝置的可靠性設計主要是敏感參數的選擇和設計，機械爆炸設計和生產控制的傳統方法是“繪畫+演奏”的經驗或方法，也就是說，通過對消費品進行大量的成功或不成功的試驗，可以得到產品性能參數的優化設計。每一個煙花都有一個關鍵的刺激，當外部刺激大于臨界刺激時，由于生產過程、原材料等隨機因素的影響，臨界刺激是一個隨機變量，不同類型的起爆藥具有不同的分散度，變異系數可以用來表示靈敏度的相對分散度，變異系數小，產品靈敏度小，在實際工程中，如果產品的靈敏度分散度很小，產品很容易滿足可靠性指標，否則就不能滿足可靠性指標。因此，變異系數的取值是影響產品可靠性設計的重要因素，基于機械炸藥產品可靠性設計理論，建立了機械炸藥產品生產過程中的靈敏度控制方法，系統地提出了靈敏度控制的實現過程，可廣泛應用于高可靠性的生產指導中。

1 火工品的概念

火工品是指含有少量火藥、炸藥或煙火，并能在預定的刺激下點燃而產生燃燒或爆炸效果，用以完成點火、爆轟、機械工作或特效功能的部件或裝置的總稱。煙火的本質功能可以概括為三個方面：能量轉換、能量傳遞和能量放大。

2 火工品的分類

根據輸入和輸出形式的不同，煙火可分為火焰法、打針/沖擊/摩擦法、電熱法、電爆炸法、沖擊波法、激光法等點火方法。火工品按其輸出可分為點火、起爆、延遲、功等用途。常用的點火器有帽、起爆器、點火器、點火器、推進劑包、引信、放火裝置等。點火器包括雷管、雷管、雷管、助推器、雷管等。延遲點火器包括延遲管、延遲柱、定時筒、延遲電纜，爆炸裝置包括執行器、切割器、壓力缸。RS、爆炸開關、釘子等。其他點火裝置包括排氣管、火炬、火炬、煙霧彈、誘餌、燃氣發生器等。

3 機械火工品可靠性設計技術

3.1 機械火工品的分布和偏轉系數

采用針沖式雷管、針沖式雷管、沖擊式雷管、沖擊式雷管、沖擊式引信等9種產品的大樣本逐步法，證明了機械起爆裝置輸入參數的靈敏度分布是對數正態分布。由于機械起爆裝置的靈敏度服從非對稱型對數正態分布，原則上要求對激勵進行自然對數變換。然而，由于在這種長對數條件下刺激間隔較短，測試結果誤差較大，在大多數情況下，它們仍然是實際的生產和測試標準。靈敏度變化系數k定義為標準偏差（Sigma）與50%點火靈敏度（U50）之比。通過對大樣本試驗的逐步分析，得出機械起爆裝置的變異系數在0.10～0.25之間。當點火高度小于10cm時，工藝和試驗操作不易控制，變化系數一般小于0.25;當點火高度大于10cm小于15cm時，變化系數一般小于0.20。當點火高度大于15cm時，過程控制良好，變異系數一般小于0.15[1]。

3.2 機械火工品可靠性設計

全發火能量HMAX和安全能量HMIN的計算，機械火工品感度參數分布為yNμσ，假設在設計發火刺激量作用下，發火可靠度為;其設計安全刺激量為H0，對應安全可靠度為Rs。則：

3.3 感度設計控制范圍計算與實施

3.3.1 機械火工品靈敏度設計控制范圍的計算

在大批量生產前的開發設計階段和施工過程中，必須確定和控制點火靈敏度的范圍。主要步驟是：（1）根據產品特性和點火能量確定變化系數和裕度;（2）確定總點火能量和總非點火能量;（3）根據確定的總點火能量和總非點火能量，由公式得出點火靈敏度的控制范圍。

3.3.2 機械煙火藥靈敏度控制范圍的實現

機械起爆裝置的靈敏度值通常是通過逐步遞增的方法獲得的，逐步法又稱大樣本法，其優點是獲得的50%靈敏度值和標準偏差相對準確，但缺點是試樣尺寸大。一般來說，需要2000多次試驗來確定50%的靈敏度值。升降法又稱小樣本法，測試的優點是樣本量小，通常需要30組左右，缺點是靈敏度值存在50%的組差，特別是有時會出現多次標準差，嚴重影響計算的總點火能量和總非點火能量值。因此，在確定機械炸藥產品的敏感度控制范圍后，根據經驗采用哪種方法來確定初始產品狀態是非常重要的。如果50%的原始狀態的感官控制在感官控制范圍內，則可作為設計狀態進行鞏固，在上升試驗中，除非50%的感官控制值不在感官控制范圍內，否則必須重新評估初始狀態。如果50%的感官控制值在感官控制范圍內，則應進行額外的增強試驗。如果附加上升試驗感官值的50%不在感官控制范圍內，則必須改變初始狀態，初始狀態可以在感官控制范圍內，而平均50%狀態可以在感官控制范圍內。如果平均50%在觸覺控制范圍或更低范圍內，則初始狀態必須改變，重新評定，重新調整后仍符合要求，進行靈敏度測試[2]。

3.3.3 針刺火工品感度控制設計與實施舉例

該系列的子彈需要使用高度靈敏的微型針孔雷管。主要技術指標有：點火：8cm（7g）;失敗：1.14厘米（7g）;可靠性：0.999（置信度：0.90）。起爆藥的點火靈敏度主要由起爆藥的起爆靈敏度和起爆藥蓋的厚度決定。該針刺藥的靈敏度設計控制范圍計算如：（1）點火落點高度僅為8cm，變異系數可計算為0.25，得到1.00的裕度。（2）根據8cm的點火高度、1.14cm的不著火高度和1.00的確定余量值，分別確定8cm的總點火能值和1.14cm的總不著火能值。（3）根據確定的總點火能值為8cm，總不著火能值為1.14cm，可靠性要求為0.999，反推的點火靈敏度H50控制范圍為[3.52，2.75]，平均值為3.13cm。

根據經驗，初步將引物中使用的原始引物分為四氮化鉛、羧甲基纖維素氮化鉛和硫化銻，引物蓋層厚度為0.04mm。首先，根據提升試驗的初始狀態，50%的靈敏度值分別為3.65cm和2.94cm。由于靈敏度控制范圍內只有50%的靈敏度值，補充試驗得到的50%的靈敏度值為3.48cm，處于靈敏度控制范圍內，50%的靈敏度值在中值附近的平均值為3.35cm，則該狀態為最終狀態。

3.3.4 該型號針刺雷管的靈敏度設計及可靠性試驗

為了確定用提升法代替步進法計算50%點火值的可行性，本文還以某高敏微針刺雷管為例。三組提升法和臺階法的實際測試結果如表1所示。

對表的步進法試驗結果進行檢驗，判定感度分布符合對數正態;在對數正態分布下，根據最大似然估計，log-50%的點火值u為1.1513（對應3.26cm），log-標準差sigma為0.2494（對應0.8263cm），最小總點火值M為6.9260cm（對應0.999）。通過比較提升方法和步進方法的測試結果，可以看出，50%的平均值獲得的點火起重方法基本上是相同的，而標準差值（0.37）通過提升方法顯然是小于實際結果（0.826）通過步進方法，這實際價值基本上是一樣的，通過選擇0.25變異系數（0.837）。由此可見，在設計和生產過程中，50%的點火均值可采用提升法計算，標準差可采用經驗變異系數和點火均值計算。測試和驗證針灸的可靠性提出了選擇試驗，溫度40℃，在加強系數K分別為0.90和0.95可靠性測試，保證40℃低溫4h，分別在6.50毫米，7.20毫米和8.0毫米，點火實驗結果充分燃燒，和鋼產量參數值大于0.25毫米，凹深試驗表明，該產品的點火可靠性為0.999（置信水平為0.90）[3]。

4 感度變差系數在火工品可靠性設計中的應用

目前工藝材料的發展主要是用于圖解法、附加的和更多的經驗，在理論計算中很少使用，也沒有定量的評定可調性。對于機械部件，可靠性要求與光方向分布之間的關系可以通過參考部件分布參數的理論值來實現，該理論值可以在設計和試驗過程中從理論上進行計算。所選參數可進行調整，以優化設計防火元件的目的，從而減少科學設計澆注可靠性指標，發火：8cm;不發火：1.14cm;可靠度：0.90時。針刺火工品的發火感度主要受針刺藥感度和針刺部位蓋片厚度決定。計算該針刺火工品的感度設計控制范圍具體為：發火落高僅8cm，其變異系數可按0.25計算，得到裕度為1.00。根據發火高度8cm、不發火高度1.14cm及確定的裕度值1.00，確定全發火能量值為8cm、全不發火能量值為1.14cm。根據確定的全發火能量值8cm 和全不發火能量值1.14cm，以及可靠度0.999要求，反推發火感度H50的控制范圍其均值為3.13cm。根據經驗，初步選定該針刺雷管所用針刺藥組分為四氮烯、羧甲基纖維素氮化鉛、硫化銻，針刺部位蓋片厚度為0.04mm。可保證可靠性指標，最重要類型的變異系數的平均值作為設計參數，即考慮盡量避免生產過程中的潛在誤差，這意味著在設計和產品中，可以推斷通過提升方法獲得的50%的熱量平衡值[4]。

5 結語

機械火工品可靠性靈敏度設計需要設置的值系數的變異，變異系數類似的產品可以利用現有的統計分析值，還可以根據所提供的機械靈敏度敏感性變異系數的分布函數確定變異系數的值，通過機械火工品可靠性靈敏度設計理論，在設計和生產過程中設置機械起爆裝置的靈敏度控制方法和實施步驟，可廣泛應用于高可靠性的機械設計和生產中。

參考文獻

[1] 陳應舒，孫伏.結構可靠性設計中尺寸變差系數的確定方法[J].陜西工學院學報（自然科學版），2014，20（1）：1-3.

[2] 劉寶光.敏感性數據分析與可靠性評定[M].北京：國防工業出版社，2012.

[3] 穆慧娜，焦清介，溫玉全，等.基于可靠性指標變換的機械能激發火工品可靠性設計方法[J].北京理工大學學報，2008（6）：478-480.

[4] 翟志強，蔡瑞嬌，董海平.利用升降法試驗數據進行感度分布檢驗方法研究[J].火工品，2006（3）：1-4.