储存引信安全与解除保险装置性能退化与失效

张星宇，齐杏林

（陆军工程大学石家庄校区，石家庄 050003）

0 引言

引信的基本功能是在预定的时间、地点引爆弹药装药。为确保引信勤务处理时安全而又能够适时作用，需要将安全与解除保险装置置于引信的传爆序列中，并保证可以经受从工厂到对目标作用所遇到的各种严苛环境。目前运用广泛的各类近炸引信普遍采用了机械保险与电保险结合的安全与解除保险装置，经过长期储存，安全与解除保险装置的电子组件、机械结构、火工品性能均会发生退化，其中一些部件一旦出现失效，会导致整个引信系统的失效，势必影响弹药的正常使用，产生严重的安全隐患。目前国内对引信安全与解除保险装置经过长期储存后的性能变化没有掌握，也没有形成成熟的研究方法。本文以某型近炸引信为研究对象，对多个储存年份的非密封样品的安全与解除保险装置进行测试试验，并通过试验结果分析确定储存性能失效情况及现象，总结研究方法。

1 作用原理及失效模式预测

1.1 安全与解除保险装置作用原理

某型近炸引信安全与解除保险装置由装有后坐保险的转子座、转子部件、保险座部件等组成。其中，转子座由上、下导爆管，活机体、制动簧、反恢复机构、后坐保险机构等组成；转子部件由驱动扭簧、针刺雷管、转子组成；保险座部件由电作动器、螺塞、击针、接电合件、电点火头等组成。其作用原理如图1 所示。

图1 安全与解除保险装置作用原理框图

引信在发射时，受到后坐过载的作用，上、下后坐筒压缩后坐簧移动到位后，反恢复扭簧将其锁定，解除后坐保险。出炮口后，近感发火控制部件发出解保信号，电作动器作用推动活塞使保险夹释放转子，电保险解除。转子在驱动扭簧的作用下，迅速转正到位，此时雷管与传爆序列对正，引信进入待发状态。弹丸飞行时，由于制动簧的作用，活机体不能运动，保证弹道安全。

引信接近目标时，近感发火控制部件输出起爆信号，通过电点火头，引爆电雷管，经传爆序列最终起爆弹丸。当装定为触发时，近感发火控制部件不作用，引信碰击目标，活机体克服制动簧阻力，带动针刺雷管前冲，撞击击针发火，实现触发。

1.2 失效模式

通过上文对安全与解除保险装置作用原理的分析可知，该系统采用后坐保险和电保险的双保险模块，具有电起爆和机械触发起爆两种作用方式。首先采用故障树分析法（FTA），根据其作用原理及结构特点进行分析，其故障树如图2 所示。

图2 安全与解除保险装置故障树

结合安全与解除保险装置作用原理分析可知，后坐保险和电保险未能适时解除是电容近炸引信失效的主要原因，过早解除则会降低引信的安全性，而未解除会导致引信瞎火；电起爆和机械触发作用过早会导致引信早炸，而作用失效会导致引信瞎火。通过故障树和以上分析，利用FMECA 法（故障模式影响及危害度分析法）对引信安全与解除保险装置失效模式分析结果如表1 所示。

表1 安全与解除保险装置故障模式及影响分析

1.3 失效模式预测

根据表1 分析，将安全与解除保险装置可能出现的失效模式归纳为以下5 类：

1）后坐保险组件失效导致过早或无法解除保险；

2）电解保电路、电作动电路失效，导致电保险无法解除；

3）电起爆电路、电点火头失效，导致电起爆失效进而使近炸功能失效；

4）电雷管、导爆管、传爆药柱等火工品失效，导致引信无法起爆弹丸主装药造成瞎火；

5）各弹簧等机械组件退化、锈蚀、结构缺陷导致引信瞎火或早炸。

其中，机械组件与火工品组件具有较高可靠性，在长期储存过程中不易发生失效，各个电路以及电气元件受储存环境影响较大，易发生失效，因此，在试验过程中，电子组件为安全与解除保险装置储存性能的主要研究对象。

2 储存性能试验与检测方案设计

2.1 试验样本量

为研究引信长期储存后的性能状态，根据GJB166-86《引信制造与验收技术条件》等相关国军标和生产工艺要求，工厂会从每个生产批次的产品中抽取部分引信进行长期储存，分别以密封状态、非密封状态、露天状态3 种状态进行。结合工厂实际情况以及研究需要，抽取该型近炸引信2、4、6～12共9 个贮存年份，每年份10 发非密封状态下储存的产品进行试验，样本量情况如表2 所示。

表2 试验样本量

2.2 试验方案设计

试验开始前，以5 发引信为一组，采用X 射线对安全与解除保险装置进行不分解检测，以确定关键机械机构所处状态。经检测，所有样本安全与解除保险装置均处于安全位置，未解除保险；套筒活动路径上无阻碍，可进行移动；各扭簧未发生断裂现象；转子旋转方向上无障碍，可转动；活机体未发生位移；各机构形状完整无损伤。因此，可确认安全与解除保险装置中机械机构在长期储存过程中无明显失效，可正常作用。

按照《引信制造与验收技术条件》进行传爆可靠性性试验。如图3 所示，将改装好的安全与解除保险装置与传爆管放置在防爆掩体外侧，用3 根长度适中的导线分别连接发火线、解保线、地线，试验人员在有一定安全距离的防爆掩体内侧进行操作，使用数字万用表对电路中的电阻进行测量，并使用13 V～27 V 的直流电源引爆电火工品，引爆结束后检查传爆可靠性。

图3 安全与解除保险装置试验

传爆可靠性性试验检测项目如下：

1）解保电阻R；解保电阻为数字万用表测得的电作动器两端的电路电阻，电阻过大会导致电作动器不作用或作用不完全，致使安全与解除保险装置电解保失效；

2）发火电阻R；发火电阻是指电点火头两端的电路电阻。发火电阻过大会导致电发火失效进而造成引信瞎火；

3）传爆可靠性；引爆结束后，检查传爆序列是否可靠作用，传爆管应爆炸完全，无残留药粉。

3 试验数据处理与分析

3.1 试验数据

根据试验方案，分别对9 个储存年份共计90发非密封存放的近炸引信的安全与解除保险装置进行试验与检测，检测项目包括解保电阻R、发火电阻R以及传爆可靠性，部分试验数据如下页表3、表4 所示。

表3 解保电阻Rj（Ω）部分试验数据

表4 发火电阻Rd（Ω）部分试验数据

通过数据可以得出，储存年份为8 年、9 年、10年、12 年的引信安全与解除保险装置分别出现1发、2 发、1 发、1 发失效。除电作动器与电点火头发生失效的样本外，其余样本电火工品正常作用，传爆可靠性均合格。

3.2 数据处理

试验检测结果取顺序统计量，即样本数据由小到大顺序进行重新排列，如x≤x≤x≤…≤x，其中，下标i 表示其排序的序号，定义经验分布函数为：

对于一组数据，若样本量n≥20 时，经验分布函数按式（2）计算：

当样本量n≤20 时，经验分布函数按式（3）计算：

将表3 与表4 试验数据取经验分布函数并作图分析，同时计算各年份解保电阻R与发火电阻R均值。

1）解保电阻；不同储存年份安全与解除保险装置的解保电阻的经验分布如图4 所示。

图4 解保电阻经验分布对比图

由图4 经验分布可得，解保电阻最小值为8 Ω，最大值为135 kΩ，除8 年、9 年分别有1 发、2 发样品解保电阻阻值过大失效外（均大于120 kΩ），均满足解保电阻8 Ω～15 Ω 的要求。计算均值分布在8.76 Ω～9.82 Ω 之间，无退化规律。经过分析得到：解保电阻失效为电阻偏大失效，属于突发失效；从储存年份第8 年开始出现失效，储存8 年份与储存9 年份分别失效1 发、2 发。

2）发火电阻：不同储存年份安全与解除保险装置的发火电阻的经验分布如图5 所示。

图5 发火电阻经验分布对比图

由图5 经验分布可得，除10 年、12 年分别有1 发、1 发样品发火电阻阻值偏大失效外（均大于90 kΩ），其余发火电阻阻值分布在7.4 Ω～11.5 Ω，满足发火电阻7 Ω～15 Ω 的要求。计算均值分布在8.51 Ω～9.78 Ω 之间，无退化规律。经过分析得到：发火电阻失效模式为发火电阻偏大失效，属于突发失效；从储存年份第10 年开始出现失效，储存10年、12 年各有1 发失效。

3.3 失效分析

由试验测试结果分析可知，安全与解除保险装置存在解保电阻和发火电阻阻值偏大失效，其中，最大阻值为135 kΩ，远超过失效阈值上限12 Ω 与15 Ω。发火电阻与解保电阻组成如下页图6 所示。

图6 发火电阻、解保电阻结构组成框图

发火电阻由电点火头内阻以及发火插针、接电片、焊点、地线紧固螺钉、地线插针之间的接触电阻组成；解保电阻由电作动器内阻、接电片、焊点、短路扭簧、接电销、地线紧固螺钉、地线插针之间的接触电阻组成。电火工品贮存加速寿命试验结果表明，加速试验前后电火工品内阻没有显著改变，且贮存寿命满足15 年要求。因此，推断解保电阻和发火电阻阻值偏大失效是由各导电体阻值或直接接触电阻增大导致，主要包括：

1）焊点。焊点在于电路板接触处由于焊锡与电路板材料不同，储存过程中在温度应力的作用下，会因为膨胀系数不同导致变形程度存在差异，进而在层间结合处产生微裂纹，随着温度循环次数的增加，微裂纹不断扩大，会影响电路性能甚至出现断路；

2）地线紧固螺钉。引信储存时在装卸、搬运过程中，不可避免地会受到振动和冲击的作用，螺钉等紧固件在振动载荷的作用下，容易发生松动或结构破坏，会导致螺钉等固定力矩下降，或者出现断裂、位移等严重后果，使地线接触不良，造成阻值偏大；

3）接触电阻。接触电阻的公式为：

式中，R 为解除电阻，ρ、ρ为接触两材料的电阻率，α 为接触点半径。接触点半径与接触时形变有关，根据Hertz 弹性变形公式得：

经过长期储存，一方面，在温度与湿度应力的循环作用下，各导电件表面形成氧化膜，致使接触材料电阻率增大；另一方面，短路扭簧弹性退化或结构出现缺陷，致使其与接电销之间的正压力减小，使得电路各组件之间接触力减小甚至发生脱落，由式（6）可知，正压力F 减小、电阻率ρ 增大，会造成电路中接触电阻R 增大。

4 结论

安全与解除保险装置是引信的关键部件之一，关系引信的安全使用与可靠作用。本文在归纳引信安全与解除保险装置组成与结构的基础上，采用FTA 法与FMECA 法对长期储存过程中装置的失效模式进行了预测，并设计试验对2、4、6～12 共9 个年份90 发非密封储存样品的解保电阻、发火电阻、传爆可靠性进行了测试。

试验结果表明，安全与解除保险装置的发火电阻与解保电阻在储存第8 年开始出现失效，8 年、9 年、10 年、12 年分别失效1 发、2 发、1 发、1 发，现象为发火电阻和解保电阻偏大，均为突发失效，性能无退化规律；除电作动器与电点火头发生失效的样本外，其余样本电火工品正常作用，传爆可靠性均合格。