王凯民



机械火工品设计与生产过程中的感度控制研究

王凯民

（中国人民解放军63961部队，北京，100012）

基于机械火工品可靠性设计理论，建立了机械火工品设计和生产过程中的感度控制方法，系统提出了感度控制的实施步骤。以某一针刺雷管为例说明了感度控制范围的计算与实施，并对其可靠性进行了验证。本研究为高可靠性机械火工品的生产提供了技术参考。

机械火工品；可靠性；设计；生产；感度；控制

机械火工品可靠性设计主要是感度参数的选择与设计。传统的机械火工品设计与生产控制方法是“画+打”的经验或半经验方法，即通过大量消耗产品的成败型试验来取得产品性能优化设计的参数，这不仅耗费人力物力，而且往往导致产品经不起实际使用的检验。近五年来，发展和提出了机械火工品可靠性设计技术[1]，尽管在部分产品研制设计过程中得到了初步应用，但在实际生产过程的控制方面仍没有得到有效使用，更没有在生产工艺中得到任何体现。因此，本文基于机械火工品可靠性设计理论，建立了机械火工品生产过程中的感度控制方法，系统提出了感度控制的实施过程，可广泛用于高可靠性机械火工品的生产指导。

1 机械火工品可靠性设计技术

1.1 机械火工品感度分布及感度变差系数

针刺火帽、针刺雷管、撞击火帽、撞击底火等9种产品的大样本步进法试验证明机械类火工品输入参数的感度分布为对数正态分布[2]。由于机械火工品感度服从非对称型的对数正态分布，所以，原则上要求升降法试验刺激量应进行自然对数转换。但由于对数等步长条件下的刺激量间隔较小，难以操作，且试验结果误差也较大，因此，在实际生产和试验时，绝大多数情况下仍采用正态分布设计升降法试验。

火工品感度变差系数定义为标准偏差与50%发火感度值50之比。通过分析步进法大样本试验，认为机械类火工品变差系数介于0.10～0.25之间。发火高度小于10cm时，工艺和试验操作都不易控制，变差系数一般小于0.25；发火高度大于10cm而小于15cm时，变差系数一般小于0.20；发火高度大于15cm时，其工艺控制性好，变差系数一般小于0.15。

1.2 机械火工品可靠性设计

1.2.1 全发火能量MAX和安全能量MIN的计算

（2）

对式（1）和（2）进行变换后，得：

（4）

根据对数正态分布和正态分布的参数转换公式[3]，并引入火工品感度变差系数（），有：

（6）

在引入置信度概念后，式（1）~（2）中的R和R就可用可靠度对应的最大发火率或最大不发火概率代替，全发火能量MAX和安全能量MIN分别为：

（8）

1.2.2 可靠性设计中裕度计算

为了比较全发火能量与发火限及全不发火能量与安全限的趋近程度，发火裕度1和安全裕度0定义如下：

不同变差系数对应的全发火能量MAX、安全能量MIN及裕度要求见表1。

表1 机械火工品全发火能量和安全能量及裕度

Tab.1 Firing energy, no-fire energy and margin of initiator

2 感度设计控制范围计算与实施

2.1 机械火工品感度设计控制范围计算

不论是研制设计阶段还是批生产前的施工试药过程，都需要确定和控制发火感度范围。主要步骤为：根据产品特点及发火能量，确定变差系数和裕度；利用表1所裕度，确定全发火能量值和全不发火能量值；根据确定的全发火能量值和全不发火能量值，由式（7）~（8）或查表1，反推发火感度的控制范围。

2.2 机械火工品确定感度控制范围的实施

机械火工品感度值通常是通过步进法、升降法（小样本法）获得的。步进法又称大样本法，优点是得到的50%感度值和标准偏差较为准确，缺点是试验样本量大，一般需要2 000余发试验才能确定50%感度值。升降法又称小样本法，优点是试验样本量小，一般需要3组每组约30发（合计100发），缺点是得到的几组50%感度值有一定差别，特别是标准偏差有时相差几倍，严重影响对全发火能量和全不发火能量值的推算结果。所以，在确定了机械火工品感度控制范围后，采用何种方法至关重要。

根据经验，确定产品的初始状态。根据初始状态进行2组升降法试验，若2组升降法试验得到的50%感度值均在感度控制范围，则该初始状态可以固化为设计状态；若2组升降法试验得到的50%感度值均不在感度控制范围，则该初始状态需要重新调整；若2组升降法试验得到的50%感度值只有1组在感度控制范围内，需要补试第3组升降法试验。若补试第3组升降法试验得到的50%感度值不在感度控制范围内，则该初始状态需重新调整；若在感度控制范围内，且3组50%感度值的均值也在感度控制值左右，则该初始状态可以固化为设计状态；若3组50%感度值的均值处于感度控制范围上限或下限，则该初始状态需重新调整。重新调整后仍按上述要求进行感度试验。

2.3 针刺火工品感度控制设计与实施举例

某系列子弹药要求使用高敏感的微型针刺雷管。其主要技术指标为：发火：8cm（落球7g）；不发火：1.14cm（落球7g）；可靠度：0.999（置信度0.90时）。针刺火工品的发火感度主要受针刺药感度和针刺部位盖片厚度决定。计算该针刺火工品的感度设计控制范围具体为：（1）发火落高仅8cm，其变异系数可按0.25计算，并查表1，得到裕度为1.00。（2）根据发火高度8cm、不发火高度1.14cm及确定的裕度值1.00，确定全发火能量值为8cm、全不发火能量值为1.14cm。（3）根据确定的全发火能量值8cm和全不发火能量值1.14cm，以及可靠度0.999要求，查表1得到[2.268 650，0.414 850]，反推发火感度50的控制范围为[3.52,2.75]，其均值为3.13cm。

根据经验，初步选定该针刺雷管所用针刺药组分为四氮烯、羧甲基纤维素氮化铅、硫化锑，针刺部位盖片厚度为0.04mm。首先，根据初始状态进行2组升降法试验，得到的50%感度值分别为3.65cm和2.94cm。因只有1组50%感度值在感度控制范围内，需要补试第3组。第3组得到的50%感度值为3.48cm，在感度控制范围内，且3组50%感度值的均值3.35cm处于中值附近，则该状态为最终状态。

3 某型针刺雷管感度设计与可靠性试验

为确定用升降法（小样本）代替步进法（大样本）计算50%发火值的可行性，仍以某高敏感微型针刺雷管为例。实际该产品进行的3组升降法试验结果及步进法试验结果分别见表2~3。

表2 某针刺雷管升降法试验结果

Tab.2 Up-and-down method test results of some stab detonator

表3 某针刺雷管步进法（大样本）试验

Tab.3 Run-down method test results of some stab detonator

对表3的步进法试验结果进行2检验（如表4），判定感度分布符合对数正态；在对数正态分布下，根据极大似然估计求得对数50%发火值为1.151 3（对应3.26cm），对数标准偏差为0.249 4（对应0.826 3cm），推算出最小全发火值为6.926 0 cm（0.999）。

表42检验结果

Tab.4 Χ2Inspection result

对比升降法和步进法试验结果可知，所得50%发火均值基本相同，而升降法所得标准偏差值（0.37）明显小于步进法实际结果（0.826），而这一实际值则与选择0.25变差系数时所得值（0.837）基本相同。这说明在设计及生产过程中，可以用升降法所得50%发火均值进行推算，标准偏差则应采用经验变差系数与发火均值求得。为验证该针刺火工品的可靠度选取试验温度-40℃，分别在强化系数为0.90和0.95下进行可靠性试验验证，结果见表5。

表5 可靠性试验验证结果

Tab.5 Reliability verification test results

在一批产品中，分别任意抽取225、657和2 300发产品，保-40℃低温4h，分别在6.50mm、7.20mm和8.0mm下进行发火试验，结果全发火，且输出钢凹深度均大于0.25mm的指标值，证明该批产品的发火可靠度达到0.999（置信度为0.90）。

4 结论

基于机械火工品可靠性设计理论，建立机械火工品设计与生产过程中的感度控制方法与实施步骤，可广泛用于高可靠性机械火工品的设计与生产。

[1] 王凯民.火工品工程（上卷）[M].北京：国防工业出版社,2014.

[2] 刘宝光.敏感性数据分析与可靠性评定[M].北京:国防工业出版社,1995.

[3] 贺国芳.可靠性数据的收集与处理[M].北京:国防工业出版社, 1995.

Research on Sensitivity Control during Design and Production of Mechanical Initiator

WANG Kai-min

(63961 Unit of PLA , Beijing, 100012)

Based on the reliability design theory of mechanical initiator, the sensitivity control method of mechanical initiator during design and production was proposed, as well as the implement process was put forward. Take some stab initiator as an example, the calculation and implement of sensitivity control range were conducted, and the reliability was verified. The study give reference for production of mechanical initiator with high reliability.

Mechanical initiator；Reliability；Design；Production；Sensitivity；Control

1003-1480（2017）02-0009-03

TJ45+1

A

2017-02-27

王凯民（1965 -），男，高级工程师，主要从事火工品技术研究与论证管理。