某型燃烧弹作用可靠率低的故障原因分析.pdf

2 0 1 5 年4 月某型燃烧弹作用可靠率低的故障原因分析蒲利森，等 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 4 3 5 2 ．2 0 1 5 ．0 2 ．0 1 3 某型燃烧弹作用可靠率低的故障原因分析米 蒲利森李绪强杜争强徐鹏 中国白城兵器试验中心 吉林白城，1 3 7 0 0 1 『摘要]采用故障树分析方法对某型燃烧弹故障问题进行了分析，建立了产品作用可靠率低的故障树，结合产 品结构和试验故障现象进行故障树分析，指出引信体锥面角度过大和装药强度不足是故障产生的主要原因，通过 采用减小引信体锥面角度、增加压药密度等措施，并经试验验证，对故障进行了有效归零；同时，提出了故障树分析 方法在轻武器弹药故障分析领域应用的基本步骤和方法，对于故障树分析方法应用领域的拓展有一定借鉴作用。 [ 关键词]故障树；轻武器；分析方法；燃烧弹；作用可靠率 『分类号] E 9 3 2 ．1 ；T Q 5 6 引言 故障树分析法是一种从系统到部件再到零件， 按“下降形”分析的方法，在宇航、核能、电子电力系 统等领域中已成为评价可靠性和安全性的重要手 段[ 1 引。但是，目前采用故障树分析方法分析轻武器 弹药故障的文献较少[ 6 ] 。 某型燃烧弹主要用于引燃敌方可燃物资。弹药 构成部件多。主要部件有引信、发射装药、主装药、点 火装置、燃烧药柱、弹体等，结构复杂；弹药使用过程 内外弹道环境复杂，影响弹药可靠作用的因素 多[ 7 ] ，因此，弹药出现故障后，分析问题、找出主要 影响因素和故障归零有一定难度。 为此，本文采用故障树分析法，对某型燃烧弹鉴 定试验中。出现的弹药作用可靠率不能满足指标要 求的现象进行了故障树分析，建立了故障树，找出了 主要故障问题，对故障原因进行了具体分析。依据故 障分析提出了改进措施，并进行了验证试验，完成了 弹药非正常作用故障的归零工作。采用故障树分析 方法对轻武器弹药故障进行分析，是一种积极的尝 试。事实证明，故障树分析方法可以作为轻武器弹药 故障归零的有效工具。 1 故障现象 某型燃烧弹在正样机鉴定试验中，因出现引信 瞎火和燃烧药剂燃烧不完全等现象导致弹药非正常 作用，导致作用可靠率偏低。其中引信瞎火主要表 现为弹丸碰击目标后引信未正常起爆点火燃烧药 剂燃烧不完全主要表现为主装药作用后，出现药剂 速燃，镁基合金弹体燃烧不完全现象。 2 原因分析 因产品结构复杂、产品作用过程中受到的内外 环境影响因素多、故障原因多样，全面找出故障原因 并且对故障准确定位并归零有一定难度。为此，采 用故障树分析方法。根据试验现象、产品结构及作用 机理对产品系统建立了故障树，并对故障产生的可 能原因进行了全面的分析定位，为故障归零提供了 依据。 2 ．1 燃烧弹非正常作用故障树的建立 首先，应分析产品的具体结构并理清各部分的 逻辑关系。从可靠性逻辑关系来分析产品结构，产 品主要部件引信、主装药、发射装药、发射药和点火 装置等部分呈串联关系，也就是说，其中任何一部分 出现故障都将导致系统出现故障引信与主装药、点 火装置和发射药是因果关系，如果因果两方面不相 容，弹药系统也会出现可靠性失效[ 8 删。 其次，应排除干扰因素。因产品均能正常发射， 因此不考虑发射装药、发射药筒及点火装置发生故 障的可能。 再次，综合上述分析及试验结果．列出可能引起 故障的全部因素，并建立故障树。以燃烧弹作用不 正常作为顶事件T ，，根据试验结果和可靠性分析， 初步分析可能是由于引信瞎火、弹丸不作用、引信与 弹丸不匹配导致的燃烧弹作用不正常，将它们分别 作为中间事件A ，、事件B ，、事件C ，，建立燃烧弹作 用不正常故障树。 米收稿日期2 0 1 4 - ．0 6 - 0 3 作者简介蒲利森 1 9 7 7 ～ ，男，工程师，主要从事榴弹特种弹试验研究。E - m a i l s u n n y ．1 a o p u 1 6 3c o m 通信作者李绪强 1 9 8 6 ～ ，男，工程师，主要从事榴弹特种弹试验研究。E - m a i l x u q i a n g _ l e e f o x m a i l ．c o r n 万方数据 爆破器材E x p l o s i v eM a t e r i a l s 第4 4 卷第2 期 图1 某型燃烧弹故障树分析 F i g ．1 F a u l tt r e ea n a l y s i so fai n c e n d i a r yb o m b 表1 故障树分析中事件代号含义 T a b ．1E v e n tc o d em e a n i n g si nf a u l tt r e ea n a l y s i s 事件代号事件名称事件代号事件名称 T ，燃烧弹作用不正常x 。传火距离大，点火能力不足 A 。 引信瞎火x 。卡摆与骑马轮啮合失效 B 。弹丸不作用x ，。转子力矩不够 C 。引信与弹丸不匹配x ，。骑马轮与转子啮合失效 D 。传火序列失效x ．转子座不合格 E ，雷管未完全到达待发位置X 。，活机体白锁 F 。保险机构不作用x 。。活机体击发无力 G ．雷管未被引炸X 。，雷管能量不足 H ，点火管不能被引燃 x 。。 点火管瞎火 I 。离心保险失效x 。，离心片不合格 J ，后作保险失效x 。。转子座尺寸不合格 x ，雷管瞎火x 。。扭簧抗力强 x 主装药未被引燃X 。 漏装钢珠 x 3压圈脱落，主装药剂喷出X 。 弹道簧定位不可靠 x 。主装药能量不足X 击针太长 x ，主装药燃速过快x ，弹道簧抗力强 K传火孔设计不合理X 。活机体运动受阻 x ，引信、弹丸能量不匹配 燃烧弹故障树分析如图1 所示。故障树分析中 事件代号含义见表1 。 2 ．2 故障树定性分析 建立故障树后应依据产品结构、结合试验具体 情况对故障树所列故障原因逐条进行故障分析，从 而对可能故障进行定位。 建立以燃烧弹作用不正常为顶事件的故障树， 可以看出燃烧弹作用不正常的影响因素有2 4 个，其 中由引信原因引起的1 7 个，由弹丸引起的4 个，由 引信与弹丸不匹配引起的3 个。下面针对原因进行 具体分析 1 引信瞎火。引信瞎火包括雷管瞎火、传火序 列失效、雷管未完全到达待发位置、保险机构不作用 4 种情况。由于雷管、传火序列和引信保险机构均 采用现有成熟技术，因此重点分析保险机构不作用 的原因。 保险机构不作用包括离心保险失效和后坐保险 失效，离心保险失效包括离心片不合格、转子座尺寸 不合格和扭簧抗力强；后坐保险失效包括漏装钢珠、 弹道簧定位不可靠、击针太长、弹道簧抗力强、活机 万方数据 2 0 1 5 年4 月某型燃烧弹作用可靠率低的故障原因分析蒲利森，等 5 5 体运动受阻。其中离心片、转子座、扭簧、钢珠、弹道 簧均为引信保险机构的关键件和重要件，装配前要 进行1 0 0 ％检验，并且通过对剩余零件的检验发现 均是合格的。由于活机体是引信发火的关键部件， 通过对低温条件下的引信进行分解检查，发现机体 上有残留润滑剂，且已凝固；同时，通过对试后瞎火 弹进行分解检查，发现引信的活机体、钢球及引信体 锥面产生了机构自锁。初步分析活机体运动不到位 可能是导致引信瞎火的主要原因。 2 弹丸不作用。弹丸不作用包括主装药未被 引燃，压圈脱落，主装药剂喷出，主装药能量不足，主 装药燃速过快。从试验现象来看，弹丸不作用主要 是指主装药作用后，出现药剂速燃现象、镁基合金弹 体燃烧不完全现象。因此主装药燃速过快使能量泄 压过快是弹丸不作用的主要原因。 3 引信与弹丸不匹配。引信与弹丸不匹配包 括传火孔设计不合理，引信与弹丸能量不匹配，传火 距离大、点火能力不足等方面。静态试验结果表明， 传火距离和能量匹配能够满足正常引燃药柱，说明 弹丸与引信不匹配的主要因素应该是传火孔设计不 合理导致的。 通过建立的故障树以及对未正常作用弹药进行 分解检查，造成全弹不正常作用原因为 1 引信活机体运动不到位 2 传火孔设计不合理 3 主装药剂喷出，能量不足，药柱强度低。 2 ．3 故障产生原因分析 通过故障树分析对可能故障进行定位后，要从 产品结构设计、产品生产工艺控制、使用环境因素影 响等方面对故障产生的具体原因进行详细分析，为 提出解决方案提供依据。 2 ．3 ．1 引信活机体运动不到位因素分析 结合故障树分析定位和试验的具体情况，通过 分析活机体运动简图 图2 以及其装配工艺，可以 从两个方面分析主要影响引信活机体运动不到位的 因素 a 活机体待发位置 b 活机体激发状态 图2 活机体运动简图 F i g ．2D i a g r a mo ft h ep e r c u s s i o nu n i t 1 结构设计上．当引信体锥面角度过大时，引 信活机体、钢球有可能在引信体锥面产生机构自锁， 使得活机体不能前冲，造成引信瞎火。 2 生产工艺上，清洗零件所用清洗液中润滑剂 配比过多，会造成润滑剂在低温时发生凝固，阻碍活 机体前冲，导致活机体击发无力而引起引信瞎火。 为进一步确定引信机构自锁的故障原因，对引 信发火装置进行了相关分析。 引信发火由击针戳击雷管而实现的，击针戳击 雷管能量的大小由弹簧压缩储能及活机体惯性能决 定，钢球及活机体受力如图3 所示。从图3 a 中可 以看出．钢球主要受到摩擦力、离心力、惯性力和正 压力的作用；从图3 b 中可以看出，活机体主要受 到弹簧簧力、惯性力和正压力的作用。 敝 ‰ 9 4 ＼／ 订N I Ⅳ2 ，‘1 、、。。，一、’’。‘‘、、 卜飞 r i k fQ t f R 。 a 钢球 b 活机体 Ⅳ1 一钢球与引信体压力；N 2 一钢球与活机体压力； 工一钢球与引信体锥面摩擦系数以一钢球与活机体 摩擦系数；Q 3 一钢球惯性力；F 。．一钢球所受离心力； o 一钢球半径；R 。一弹簧簧力；a 一钢球在引信体锥 面上的约束角；Q ，一活机体惯性力 图3临界条件下钢球及活机体的受力图 F i g ．3 F o r c ea n a l y s i so ft h eb a l la n dt h ep e r c u s s i o n u n i tu n d e rc r i t i c a lc o n d i t i o n 假设钢球内收时绕D 点滚动，根据外弹道原理 可知[ 1 1 | ，此时钢球过载系数K ，表达式为 K g ≤ m 3 y 3 ∞；s i n a R l [ e o s O ／一五 1 s i n o c ] { m 。[ c o s a - f 1 s i n o t ] m 。。。s d 2 m 3r 3 f i G 广r c ／3 s i n a ／浮。 1 式中m ，为活机体部件质量；G 为战斗部质量；m ， 为钢球总质量；- 为钢球质心到中心轴线距离； c J 。 为旋转角速度；R ，为弹簧簧力；r ，为钢球半径；A 为 极转动惯量；O L 为钢球在引信体锥面上的约束角；口 为摩擦转角；g 为重力加速度；工为钢球与引信体锥 面摩擦系数；．￡为钢球与活机体摩擦系数。 由引信产品图和引信尺寸链计算手册可查到 m 1 5 ．1 3X1 0 ～k g ，G 2 3 5 1 0 ～k g ，m 3 1 ．0 5 万方数据 5 6 爆破器材E x p l o s i v eM a t e r i a l s 第4 4 卷第2 期 』0qk g ，7 3 6 ．7 5X1 0 ～m ，c a o 10 2 1r ／s ，R 1 7 ．5 N ，r 。 1 ．7 5 1 0 ～m ，A 0 ．2 9 6 1 0 3 k g ／m 2 ，p 2 ．1 5 3 ，g 9 ．8m ／s 2 ，六 0 ．6 ，五 0 ．0 5 。 根据燃烧弹正样机鉴定试验时被试品的结构尺 寸，其锥面角为1 3 0 。，即O Z 6 5o ，由式 1 可得K 。一 1 8 1 。根据以上计算过程，不难看出引信体锥面角度 过大，可能引起引信活机体自锁。 因此，为减少活机体受阻情况，应该1 减小引 信体锥面角度以防止引信活机体自锁2 降低配比 液中润滑剂的比例，在确保机构正常运动的前提下 不致产生堆积残留。 2 ．3 ．2 传火孔结构设计分析 从产品结构分析产品采用弹底引信，其主装药 为燃烧药剂，药柱下部采取用一环形压圈将药柱压 紧固定，使其在充分燃烧时能将合金弹体可靠引燃， 在压圈正对引信点火管的地方开有一个直径为6 m m 的传火孔，点火管壳直径与传火孑L 直径相同。 从作用过程分析引信发火后，点火管的底部管 壳从点火管上被冲掉并贴在装药上，脱落的点火管 底部管壳容易将传火孔堵塞，致使弹药药柱不能被 可靠引燃，从而使得弹丸不能正常燃烧。从以上分 析可以看出，压圈传火孔结构影响引信的可靠作用， 为顺利传火，应该加大传火孑L 口径。 2 ．3 ．3 主装药燃速分析 主装药速燃现象的发生。分析其原因主要是主 装药破碎造成的。造成主装药破碎可能的原因 1 主装药强度未达到设计要求，在装配时主装 药压人弹体过程中药柱破碎；弹丸碰击目标后碎裂 药柱被点燃，药柱燃烧速度加大，弹体内压力迅速增 大。弹丸泄压孔不能及时泄压，使弹体内压力迅速 增大，并超过压圈与弹体的螺纹连接强度，使得压圈 脱落且药剂从弹体内喷出，导致镁基合金弹体不能 完全燃烧。试验时出现部分弹丸在碰击目标发火 后。弹丸继续飞行．弹丸的尾部有药剂喷出的现象也 说明了这一原因。 2 主装药强度达到设计要求时，在压力机将药 柱压人钢套装配工程中，造成药柱内部产生裂纹，使 得药柱燃烧速度加剧，导致压圈脱落后药剂喷出。致 使镁基合金弹体不能燃烧，导致弹丸作用不可靠。 因此，加强主装药强度和改进压药工艺，防止主 装药裂纹产生，才能有效地防止主装药速燃现象。 3 改进措施 根据故障产生的具体原因，有针对性地采取相 应措施，从而达到故障归零的目的。本产品具体采 取了以下3 项改进措施。 1 将引信体的锥面角度减小5 。，适度降低清洗 液中润滑剂比例将引信体锥面角度由1 3 0 。调整为 1 2 5 0 ，此时活机体受到的最大过载系数K 。 1 4 7 ，满 足钢球释放活机体的条件为K 。≤1 8 1 ，能够可靠释 放钢球确保引信正常发火适度降低清洗液中润滑 剂比例的措施，确保低温条件下引信活机体运动的 灵活性。 2 增大传火孔直径将压圈传火孑L 直径由6m m 增加到7m m ，使引信发火后不致于堵塞传火孔，同 时增加了接火面积，提高引燃的可靠性。改进后结 构尺寸如图4 所示。 压 圈 引信压螺部件 图4 引信传火结构简图 F i g ．4 D i a g r a mo ff u s em e c h a n i s m 3 改进装药工艺，提高压圈与弹体的连接强 度通过增加装药密度的方法，提高药柱的强度；增 加压圈螺纹长度，提高压圈与弹体的连接强度，使压 圈不易从弹体中脱出。 4 试验验证 改进措施确定后，要进行相应的验证试验 表2 ，验证故障分析是否准确全面，改进措施是否 袁2改进前后作用可靠性试验结果对比 T a b ．2 C o m p a r i s o n so ft e s tr e s u l t sb e f o r eo ra f t e ri m p r o v e m e n t 万方数据 2 0 1 5 年4 月某型燃烧弹作用可靠率低的故障原因分析蒲利森，等 5 7 有效，从而完成对故障的归零。表2 中，指标要求正 常作用率1 9 0 ％。 产品经过改进后，在常温、高温和低温条件下进 行了验证试验，弹药全部正常作用．全弹正常作用率 有了显著提高，达到了产品规定的战术技术指标要 求。试验结果充分说明了产品故障分析定位准确， 改进措施有效，故障完满归零。 5 结论 本文以某型燃烧弹非正常作用故障归零为例， 阐明了故障树分析在轻武器弹药故障分析的5 个步 骤，即建立故障树、故障定位分析、分析产品故障产 生原因、提出改进措施、进行验证试验。这一分析模 式对于故障树分析在轻武器弹药故障分析方面的应 用有一定指导和借鉴作用。 参考文献 『1 ]李建平，余建星．模糊故障树分析方法在工程质量风 险分析中的应用[ J ] ．水利水电技术，2 0 0 8 ，3 9 2 4 5 4 8 ． L iJ i a n p i n g ，Y uJ i a n x i n g ．A p p l i c a t i o no ff u z z yf a u l tt r e e a n a l y s i st or i s ka n a l y s i so fc o n s t r u c t i o nq u a l i t y [ J ] ．W a t e r R e s o u r c e sa n dH y d r o p o w e rE n g i n e e r i n g ，2 0 0 8 ，3 9 2 4 5 4 8 ． [ 2 ]王少萍．工程可靠性[ M ] ．北京北京航空航天大学出 版社．2 0 0 0 ． [ 3 ] K r a s i c hM ．U s eo ff a u l tt r e ea n a l y s i sf o re v a l u a t i o no f s y s t e m r e l i a b i l i t yi m p r o v e m e n t si nd e s i g np h a s e [ C ] ／／ R e l i a b i l i l y a n d M a i n t a i n a b i l i l yS y m p o s i u m ．A n n u a l ， 2 0 0 0 ． [ 4j A r e i d i a c o n oG ，C a m p a t e l l iG ．R e l i a b i l i t yi m p r o v e m e n to f ad i e s e le n g i n eu s i n gt h eF M E T Aa p p r o a c h [ J ] ．Q u a l i t y a n dR e l i a b i l i t yE n g i n e e r i n gI n t e r n a t i o n a l ，2 0 0 4 ，2 0 2 1 4 3 1 5 4 ． [ 5 ] 宋保维，毛昭勇，王雯琴，等．基于故障树分析的鱼雷 可靠性评定方法[ J ] ．系统仿真学报，2 0 0 7 ，1 9 1 0 2 18 0 ．2 18 2 S o n gB a o w e i ，M a cZ h a o y o n g ，W a n gW e n q i n ，e t a 1 ． R e l i a b i l i t y e v a l u a t i o nm e t h o do ft o r p e d ob a s e do nF T A [ J ] ．J o u r n a lo fS y s t e mS i m u l a t i o n ，2 0 0 7 ，1 9 1 0 2 1 8 0 2 1 8 2 ． [ 6 ]王伟，王健，黄德武．小I I 径弹药系统失效的故障树分 析[ J ] ．沈阳理工大学学报，2 0 1 0 ，2 9 6 4 9 - 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