某型電點火具靜電感度發(fā)火研究

李便花，郝雁軍，潘會平，郭 健，楊銀棟，周文偉，陳麗娟

(1.山西北方晉東化工有限公司，山西 陽泉 045000；2.駐太原地區(qū)第三軍事代表室，山西 太原030000)

隨著世界武器裝備技術(shù)的快速發(fā)展和技術(shù)創(chuàng)新的推動，近年來我國啟動研發(fā)裝備一系列智能化、靈巧化彈藥。火工品作為彈藥的“心臟”，既要求可靠性高，又要求安全性好，因此火工品技術(shù)是武器系統(tǒng)的關鍵技術(shù)。自20世紀60年代以來，由于美國在研制破甲彈用壓電引信配用的高瞬發(fā)、高敏性電雷管中出現(xiàn)過多次由于人體靜電引發(fā)的偶然事故，促使人們認識了電火工品的靜電安全性問題。為了滿足電火工品在生產(chǎn)、儲存、運輸、裝配和使用等過程中的防靜電安全性要求，通過采用不同的方式進行靜電防護。

1 人體靜電的產(chǎn)生

人體本就是導體，人體靜電是由于人身體上的衣物等相互摩擦產(chǎn)生的附著于人體上的靜電。靜電的產(chǎn)生是由于原子核對外層電子的吸引力不夠，從而在摩擦或其他因素的作用下失去電子，于是造成摩擦物帶負電荷(獲得電子的帶負電荷，失去電子的帶正電荷)，在衣物絕緣性能比較好的情況下，這些電荷無法流失，就會聚集起來，并且由于衣物的電容性極差，從而造成雖然電荷量不大但電壓很高的狀況。

2 人體靜電的危害

人體靜電具有電量小、電壓高、能量小的特點。當人體產(chǎn)生的靜電越積越多，形成很高電位時，與其他不帶電或帶不同電荷的物體接觸、分離時，就會形成很高的電位差，從而發(fā)生靜電放電現(xiàn)象，甚至產(chǎn)生靜電火花。當攜帶靜電較多的人員操作或裝配靜電火花感度高的火工品時，靜電釋放產(chǎn)生的電火花會引燃產(chǎn)品內(nèi)裝有的起爆藥或點火藥，藥劑被點燃，產(chǎn)品就會發(fā)生燃燒、爆炸等嚴重的安全事故。

3 產(chǎn)品故障及影響

3.1 故障描述

某型電點火具在產(chǎn)品交驗時，用戶現(xiàn)場提出進行點火具“腳-腳”及“腳-殼”間的靜電感度試驗，產(chǎn)品逐發(fā)進行試驗時，13發(fā)產(chǎn)品“腳-腳”靜電感度試驗均符合要求，但13發(fā)產(chǎn)品“腳-殼”靜電感度試驗時均發(fā)生了發(fā)火現(xiàn)象，最小發(fā)火電壓為17 600 V，不符合產(chǎn)品對環(huán)境適應性的技術(shù)要求。

3.2 產(chǎn)品“腳-殼”靜電感度試驗發(fā)火的影響

該點火具是某型彈藥的首發(fā)元件，內(nèi)裝有106 g點火藥，如果在點火具生產(chǎn)中由于“腳-殼”靜電發(fā)火，會對操作人員形成傷害；如果在運輸中由于“腳-殼”靜電發(fā)火，會有產(chǎn)品殉爆的安全隱患；如果產(chǎn)品在全彈裝配時由于“腳-殼”靜電發(fā)火，可能會點燃彈藥發(fā)動機裝藥，致使彈藥作用，后果不堪設想；如果產(chǎn)品已安全裝配于全彈中，根據(jù)全彈發(fā)火回路供電圖(見圖1)可知，全彈只存在“腳-腳”發(fā)火回路，已沒有“腳-殼”現(xiàn)象，故不存在“腳-殼”靜電發(fā)火。

圖1 全彈發(fā)火回路供電簡圖

3.3 靜電感度試驗原理

靜電感度試驗是模擬人體放電(電壓25.0 kV，電阻5 000 Ω±250 Ω)對產(chǎn)品的安全性進行測試的一種試驗，試驗原理如圖2所示。圖2中，R1是充電電阻；R2是串聯(lián)放電電阻；S是高壓開關；C是電容器(500 pF)。

圖2 靜電感度試驗原理

當開關K1導通時，直流高壓電源給電容C充電，靜電電壓表V指示電壓，調(diào)節(jié)高壓輸出達到(25 000±250) V電壓，電壓穩(wěn)定后，轉(zhuǎn)開關K2導通，電容C對產(chǎn)品試樣放電。

4 原因分析

4.1 產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)及作用原理

該電點火具由殼體、2個點火管(電點火頭與絕緣套管合裝而成)、點火藥組成，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖

作用原理：當給點火頭輸入發(fā)火電流時，電點火頭發(fā)火并引燃點火藥，點火藥作用產(chǎn)生的高溫高壓氣體沖破殼體點燃下一級傳火裝置。

4.2 因素排查

根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及靜電感度試驗原理，形成靜電感度試驗發(fā)火的因素有試驗儀器及產(chǎn)品本身質(zhì)量兩大因素。

4.2.1 試驗儀器

試驗是驗證產(chǎn)品質(zhì)量的最后一道程序，如果試驗中所用的儀器出現(xiàn)異常，有可能會影響產(chǎn)品質(zhì)量的判斷，使產(chǎn)品質(zhì)量出現(xiàn)誤判。試驗儀器中涉及直流高壓電源、靜電電壓表、串聯(lián)放電電阻因素。

4.2.1.1 直流高壓電源

產(chǎn)品試驗使用直流高壓電源，使用時間在電源檢定周期內(nèi)，故障發(fā)生后對該電源進行了重新檢定，符合電源的技術(shù)要求。排查結(jié)論：直流高壓電源無異常。

4.2.1.2 靜電電壓表

靜電電壓表是顯示電源充電達到的真實數(shù)值，如果靜電電壓表異常，按照靜電電壓表數(shù)值進行放電，有可能加載至產(chǎn)品上的電壓比顯示的數(shù)值大，導致產(chǎn)品“腳-殼”電壓擊穿發(fā)火。故障出現(xiàn)后，對靜電電壓表進行了重新檢定，電壓表符合要求。排查結(jié)論：靜電電壓表無異常。

4.2.1.3 串聯(lián)放電電阻

該電點火具產(chǎn)品“腳-殼”絕緣電阻≥10 MΩ，因此串聯(lián)放電電阻(5 000±250) Ω無論正常與否，在產(chǎn)品“腳-殼”靜電試驗進行時，分壓作用很小。對串聯(lián)放電電阻進行檢測，數(shù)量為5 012 Ω。排查結(jié)論：串聯(lián)放電電阻無異常。

該電點火具出現(xiàn)故障后，用該儀器對另一種電點火具進行靜電感度試驗，無發(fā)火現(xiàn)象，符合產(chǎn)品要求。因此排查結(jié)論為試驗儀器無異常。

4.2.2 產(chǎn)品本身

根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，影響產(chǎn)品靜電發(fā)火的因素有電點火管、藥劑以及產(chǎn)品設計。

4.2.2.1 電點火管

該電點火具用電點火管是采用制式產(chǎn)品，經(jīng)排查，點火管生產(chǎn)過程中人員穩(wěn)定，原材料未更換批次，生產(chǎn)完成后按照技術(shù)要求進行了125發(fā)試驗，結(jié)果符合要求。排查結(jié)論：電點火管無異常。

4.2.2.2 點火藥

點火藥水分含量影響藥劑對靜電的敏感度，對故障批產(chǎn)品用點火藥進行追溯，點火藥在使用前水分為0.7%，產(chǎn)品裝配完成驗收時水分為0.8%，故障發(fā)生后，隨機抽取故障批產(chǎn)品10發(fā)，點火藥水分分析結(jié)果為0.7%～0.9%，均符合≤1.0%的技術(shù)要求。排查結(jié)論：點火藥無異常。

4.2.2.3 產(chǎn)品防靜電設計

該型電點火具發(fā)火元件為點火管，點火管由點火頭外套絕緣套管組成，點火頭為橋絲式結(jié)構(gòu)。

橋絲結(jié)構(gòu)電火工品的防靜電設計一般有2種：一是產(chǎn)品內(nèi)部設計絕緣系統(tǒng)，增加“腳-殼”間的絕緣強度，以保證在所要求的靜電放電電壓下不會被擊穿，即為“堵”；二是采用保護性靜電泄放裝置或材料，構(gòu)成靜電的泄放通道，即為“泄”[1]。根據(jù)該型產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析，點火頭外套絕緣套管，將點火頭屏蔽，增加了點火頭與殼體之間的絕緣電阻，靜電設計采用了“堵”的方式。

1)設計原理分析。

“堵”的靜電設計模式，產(chǎn)品裝配在零部件邊界條件下確保靜電感度試驗符合要求(產(chǎn)品不發(fā)火)，產(chǎn)品裝配邊界條件如圖4所示，一是絕緣套管口部與殼體內(nèi)壁相接觸；二是絕緣套管與殼體底平面相接觸。為防止產(chǎn)品“腳-殼”靜電感度試驗出現(xiàn)發(fā)火現(xiàn)象，l1、l2及絕緣套管的壁厚δ必須滿足在產(chǎn)品“腳-殼”之間靜電電壓(25 000±250) V時不被擊穿。

圖4 產(chǎn)品裝配極限結(jié)構(gòu)圖

圖4中，l1是絕緣套管一端面至點火頭的距離；l2是點火頭至絕緣套管另一端面的距離。l1、l2擊穿通道為“殼體-空氣-點火頭”，套管壁厚δ擊穿通道為“殼體-絕緣套管-點火頭”。

根據(jù)公式

U=εl

式中，ε為介電強度，ε空氣=3.93 kV/mm[2]，ε酚醛模塑料=3.5 kV/mm；l為靜電釋放距離。

可知：l1(l2)=25.5(kV)/3.93(kV/mm)，即l1(l2)=6.5 mm。因此l1(l2)只要>6.5 mm，在該通道靜電電壓加載時就不會發(fā)生擊穿發(fā)火現(xiàn)象。

壁厚δ=25.5(kV)/3.5(kV/mm)，即壁厚δ=7.3 mm。因此可知，產(chǎn)品圖定絕緣套管壁厚只要>7.3 mm，在該通道靜電電壓加載時就不會發(fā)生擊穿發(fā)火現(xiàn)象。

“泄”的靜電設計模式，是在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中設計出一條保護通道，使腳殼間靜電能量早于危險通道優(yōu)先泄放，起到保護作用。根據(jù)該點火具結(jié)構(gòu)，靜電“泄”的方法是在點火頭腳線與殼體接觸部位去掉腳線絕緣皮2～3 mm，再將導靜電膠液涂覆在去掉絕緣皮的芯線與殼體之間(見圖5)。

圖5 涂導靜電膠液產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖

2)產(chǎn)品實物排查。

對該型電點火具用點火管進行檢查，隨機抽取50發(fā)進行檢測，l1數(shù)據(jù)范圍為0.22～1.28 mm，l2數(shù)據(jù)范圍為1.66～2.94 mm，l1、l2產(chǎn)品實際尺寸均<6.5 mm，根據(jù)“堵”的設計計算，當靜電電壓(25 000±250) V加載至產(chǎn)品“腳-殼”時會擊穿產(chǎn)生靜電火花，導致產(chǎn)品發(fā)火。

對該型電點火具用點火管壁厚進行檢查，隨機抽取50發(fā)進行檢測，δ數(shù)據(jù)范圍為2.42～2.54 mm，均小于設計計算的7.3 mm，因此當靜電電壓(25 000±250) V加載至產(chǎn)品“腳-殼”時會擊穿產(chǎn)生靜電火花，導致產(chǎn)品發(fā)火。

從該型電點火具結(jié)構(gòu)中分析，產(chǎn)品在設計時無涂導靜電膠液的設計，因此產(chǎn)品無靜電泄放通道，無“泄”的靜電設計模式。

4.3 原因定位

根據(jù)對試驗儀器、產(chǎn)品本身生產(chǎn)過程、產(chǎn)品設計各因素的分析及排查，判斷形成此次故障的原因是產(chǎn)品設計時未充分考慮防靜電設計，防靜電能力不足。

5 改進措施及試驗驗證

根據(jù)上述分析結(jié)果，只有對產(chǎn)品部分結(jié)構(gòu)進行改進或完善，才能徹底解決該型電點火具“腳-殼”靜電發(fā)火故障。

5.1 方案一

5.1.1 方案內(nèi)容

產(chǎn)品總體結(jié)構(gòu)不變，只對點火管絕緣套管進行調(diào)整。將絕緣套管材料由酚醛模塑料調(diào)整為聚四氟乙烯，l1、l2長度為8 mm，承受電壓冗余為23%；壁厚δ為0.6 mm，根據(jù)U=εl，聚四氟乙烯可承受電壓為36 kV(ε聚四氟乙烯=6 kV/mm)，承受電壓冗余為41.2%。改進后的點火管如圖6所示。

圖6 改進后的點火管實物圖

5.1.2 試驗驗證

1)按照圖6點火管結(jié)構(gòu)進行生產(chǎn)。將絕緣套管口部與殼體內(nèi)壁接觸，絕緣套管側(cè)面與殼體底部接觸(見圖7)。隨機抽取生產(chǎn)的點火管100發(fā)，進行“腳-殼”及“腳-腳”靜電感度試驗，均未有點火管發(fā)火現(xiàn)象。

圖7 點火管與殼體裝配方式

2)將點火管裝配成電點火具280發(fā)，產(chǎn)品尺寸、藥量、電阻及絕緣電阻全部符合技術(shù)要求。50發(fā)經(jīng)落高15 cm、頻率1 Hz、30 min震動后進行“腳-殼”及“腳-腳”靜電感度試驗；230發(fā)直接進行“腳-殼”及“腳-腳”靜電感度試驗。試驗結(jié)果為280發(fā)產(chǎn)品均未出現(xiàn)發(fā)火現(xiàn)象，對280發(fā)產(chǎn)品輸入發(fā)火電流后，產(chǎn)品均發(fā)火。

5.2 方案二

5.2.1 方案內(nèi)容

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不調(diào)整，按照圖5進行導靜電膠液涂覆。

5.2.2 試驗驗證

按照方案內(nèi)容裝配電點火具產(chǎn)品100發(fā)，檢測產(chǎn)品尺寸、藥量、電阻全部合格，但產(chǎn)品絕緣電阻值有36發(fā)為0，原因是：與殼體接觸部位點火頭腳線去掉絕緣皮的芯線直接與殼體接觸，導靜電膠液未將兩者隔離，使產(chǎn)品“腳-殼”發(fā)生短路，絕緣電阻為0。其余64發(fā)產(chǎn)品的絕緣電阻值范圍為0.1～3.1 MΩ，不符合絕緣電阻≥10 MΩ的技術(shù)指標要求。對50發(fā)產(chǎn)品進行“腳-殼”及“腳-腳”靜電感度試驗，結(jié)果產(chǎn)品均未出現(xiàn)發(fā)火現(xiàn)象。

5.3 方案確定

根據(jù)上述方案改進及試驗結(jié)果分析，方案一在沒有改變總體結(jié)構(gòu)的情況下，調(diào)整絕緣套管材料及尺寸，能夠滿足產(chǎn)品設計及生產(chǎn)要求；方案二雖然能夠解決產(chǎn)品防靜電要求，但產(chǎn)品生產(chǎn)過程工藝性較差，良品率低，且絕緣電阻不符合研制總要求。因此，產(chǎn)品改進應采用方案一。

6 結(jié)語

通過上述研究可以得出如下結(jié)論。

1)該型電點火具靜電發(fā)火的原因是由于產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)設計時未充分考慮產(chǎn)品防靜電的能力，產(chǎn)品設計完成后未進行防靜電試驗驗證，致使產(chǎn)品在用戶試驗條件要求下出現(xiàn)“腳-殼”靜電感度試驗發(fā)火現(xiàn)象。

2)產(chǎn)品設計是產(chǎn)品質(zhì)量控制的源頭，源頭未得到充分技術(shù)確認及試驗驗證，“先天”的質(zhì)量隱患隱藏在批生產(chǎn)過程中，增加了產(chǎn)品的質(zhì)量風險。

3)火工品的質(zhì)量與安全是相輔相承的，質(zhì)量問題會帶來安全隱患，即火工品既要有高可靠性，又要有高安全性。