楊艷峰，鄭堅，狄長春，王東

（1.95856部隊，南京210028；2.軍械工程學院，石家莊050003；3.總參陸航研究所，北京101121）

火炮機械系統(tǒng)可靠性強化試驗方案探討

楊艷峰1，2，鄭堅2，狄長春2，王東3

（1.95856部隊，南京210028；2.軍械工程學院，石家莊050003；3.總參陸航研究所，北京101121）

目的嘗試將可靠性強化試驗理論引入其可靠性研究中，提高火炮機械系統(tǒng)的可靠性。方法首先分析可靠性強化試驗的發(fā)展動態(tài)及其應用于機械系統(tǒng)的必要性，而后在對其理論依據(jù)進行分析的基礎上，明確火炮機械系統(tǒng)可靠性強化試驗研究的目的。結果依據(jù)火炮機械系統(tǒng)的主要失效模式，制定了包含機械工作原理分析等7個步驟的可靠性強化試驗方案，詳細分析了各環(huán)節(jié)的內容及作用。結論研究結果為可靠性強化試驗在火炮機械系統(tǒng)中的應用提供一定理論支撐。

火炮；機械系統(tǒng)；可靠性強化試驗

可靠性通常指設備或系統(tǒng)在其壽命期內，在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內完成規(guī)定任務的能力，而可靠性試驗是對產(chǎn)品的可靠性進行調查、分析和評價的一種手段，一般分為工程試驗和統(tǒng)計試驗兩大類[1]。工程試驗主要用于檢測零部件的缺陷、確定其使用壽命、實現(xiàn)可靠性增長。統(tǒng)計試驗的目的則是通過試驗驗證產(chǎn)品是否達到規(guī)定的可靠性要求。

由于傳統(tǒng)可靠性試驗存在周期長、效率低、耗費高等缺點，加之高可靠長壽命已經(jīng)成為重大系統(tǒng)或裝備的發(fā)展目標，因此，傳統(tǒng)的可靠性試驗技術和方法已經(jīng)無法滿足這一需求。從20世紀80年代末開始，加速試驗技術的發(fā)展逐漸成為實現(xiàn)高可靠長壽命的有效手段。

可靠性強化試驗（RET）作為工程試驗，就是一種以激發(fā)故障為目的的新型加速應力試驗技術方法，很好地彌補了傳統(tǒng)可靠性試驗技術在時間和經(jīng)費上不能與系統(tǒng)設計、研制需求相適應的不足。與加速壽命試驗不同，RET不僅僅是通過施加遠大于技術條件規(guī)定的應力而快速地進行試驗，而是在此基礎上開展故障或失效分析，并進行優(yōu)化和改進，來提高設備或系統(tǒng)的可靠性。

針對火炮機械零部件可靠性試驗周期長、效費比低的問題，筆者從火炮機械系統(tǒng)RET理論方面進行探索，力圖為火炮機械系統(tǒng)在設計或使用階段RET的實施提供有力的理論支撐。

1 RET研究動態(tài)

1.1 國內外發(fā)展動態(tài)

目前，國外特別是美國、德國等發(fā)達國家已將RET技術廣泛應用于交通、計算機、能源和軍事等領域[2—3]。一方面，國外為機械、電子工業(yè)部門提供設計制造和試驗服務的公司，如德國的TUV Provide Service、美國的QualMark等，將RET作為一種重要的可靠性保障服務提供給客戶[4]。另一方面，國外機械、電子、航空航天等行業(yè)的產(chǎn)品供應商，如福特、惠普、波音等，已經(jīng)高度認識到RET在其產(chǎn)品質量和可靠性保障方面的重要性，把RET作為發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設計缺陷、及時改進和優(yōu)化、提高產(chǎn)品質量、贏得用戶和市場的重要技術手段。

由于國外對我國的技術封鎖，極大地限制了RET技術在國內的發(fā)展。國內在RET技術方面的研究與應用比較晚。20世紀90年代初，一些學者通過對外訪問、技術交流等途徑了解到國外對加速試驗的重視。21世紀初國內陸續(xù)發(fā)表了一些RET技術的介紹類、跟蹤研究類文章[5—6]。近幾年，隨著對RET技術發(fā)展和研究的深入，國內開始了獨立探索和應用[7—9]。

1.2 國內應用現(xiàn)狀

目前，RET在我國從理論到試驗設備再到具體的實踐已經(jīng)得到一定的發(fā)展，尤其是電子類產(chǎn)品的可靠性強化試驗開展得較多[10—11]，其理論研究和應用研究均比較完善。機械類產(chǎn)品的可靠性強化試驗開展得較少，應用不太成熟。其主要原因是機械產(chǎn)品的壽命分布類型復雜和失效模式多樣，建立相應的加速模型，進行數(shù)值模擬和試驗難度都很大，相關理論和技術還很欠缺；而且絕大多數(shù)機械產(chǎn)品不能使用常規(guī)的可靠性強化試驗設備，如高低溫循環(huán)試驗箱、多自由度振動試驗臺等，需要研制針對機械工作原理和失效形式的可靠性強化試驗設備。因此，針對不同的機械系統(tǒng)，研制開發(fā)相配套的可靠性強化試驗設備以及試驗技術具有緊迫性和必要性。

在軍用領域，RET技術尚未被人們普遍了解和接受，但在裝備可靠性研制試驗中可以采用加速應力的方法，以縮短試驗周期，降低試驗費用?，F(xiàn)有文獻中，對RET在武器裝備上的應用的報道相對較少。近幾年針對火炮機械系統(tǒng)具體機構零部件也開展了RET研究的一些探索[12—14]，但還沒有針對機械系統(tǒng)如何開展RET提出一個通用的試驗方案。

2 RET理論依據(jù)

2.1 理論依據(jù)

RET技術的理論依據(jù)是故障物理學[15]，把故障和失效當作主要研究對象，通過人為施加逐漸增大的環(huán)境應力和工作應力來主動激發(fā)產(chǎn)品故障和暴露產(chǎn)品設計中的薄弱環(huán)節(jié)，從而達到對產(chǎn)品設計缺陷盡早發(fā)現(xiàn)和修正的目的。

2.2 試驗目的分析

RET以提高系統(tǒng)可靠性為目的而將激發(fā)的機制引入試驗中，進而縮短試驗時間，快速獲取系統(tǒng)可靠性特征。在產(chǎn)品設計研制過程中，RET越來越多地得到應用，不僅增加了產(chǎn)品的固有可靠性，而且提高了可靠性試驗的效費比。對于已經(jīng)設計并投入生產(chǎn)使用的產(chǎn)品來說，由于設計和定型試驗階段僅將產(chǎn)品是否能夠實現(xiàn)預期功能作為試驗重點，所設計的產(chǎn)品工作應力域度比較窄，而沒有將產(chǎn)品在壽命周期內性能的良好性考慮在內，由此造成的產(chǎn)品低可靠性直接影響產(chǎn)品的正常使用。因此，可以將RET應用到已經(jīng)使用較長時間的產(chǎn)品可靠性研究中。

對于設計研制階段火炮機械系統(tǒng)而言，RET的目的就是為了提高系統(tǒng)的固有可靠性；而對于已經(jīng)定型使用的火炮來說，則是為了實現(xiàn)系統(tǒng)可靠性的增長。

3 火炮機械系統(tǒng)RET方案

火炮機械系統(tǒng)可靠性強化試驗，就是要通過一定的技術手段來加快零部件失效進程，縮短零部件可靠性試驗周期，短時間內有效激發(fā)故障或暴露零部件設計和制造的薄弱環(huán)節(jié)，為零部件設計的改進和可靠性增長提供依據(jù)。對于火炮機械系統(tǒng)中的裝置或機構而言，從其零部件自身來說，其失效機制主要為磨損和疲勞。磨損發(fā)生在兩個相互作用的零件表面，而疲勞則是由零件承受循環(huán)載荷作用不斷形成的，二者皆是一個逐漸累積的過程，直到失效，即零件壽命終結。據(jù)此，在前期研究[12]的基礎上，文中制定了火炮機械系統(tǒng)可靠性強化試驗方案，如圖1所示。主要包括：機械工作原理分析、機械失效機理分析、失效加速性驗證、RET技術研究、RET方案的制定和實施、強化試驗效果的評估、系統(tǒng)可靠性分析與增長研究等。

圖1 火炮機械系統(tǒng)可靠性強化試驗方案Fig.1 RET scheme of gun mechanical system

3.1 機械工作原理分析

在機械系統(tǒng)中，機構或零部件的工作原理可以統(tǒng)稱為機械工作原理，是指機構或零部件在所處系統(tǒng)中發(fā)揮其功能和完成任務的動作過程。這一工作過程是根據(jù)使用要求、技術條件及工作環(huán)境等情況，在機械產(chǎn)品設計時所擬定的來實現(xiàn)賦予產(chǎn)品的功能、性能及用途。因此，對于一個機械系統(tǒng)，弄清機構或零部件的工作原理也就明確了機械的設計本質，這是在實施可靠性強化試驗之前需要做的基礎性工作。

3.2 機械失效機理分析

機械的失效機理指機構或零部件失去其自身功能用途的原因[16]。失效機理是導致失效的物理、化學、熱力學或其他過程的表征。該過程是不同形式的應力作用在部件上造成零件局部損傷或整體性能的下降，最終導致機構甚至整個系統(tǒng)的功能喪失，即失效。對于火炮機械系統(tǒng)來說，磨損和疲勞是常見的失效機理，那么，機械失效機理分析就是要明確零部件失效的原因及其表征，為RET的可行性分析和具體試驗技術研究提供依據(jù)。

3.3 失效加速性驗證

機械失效是否具有加速性是可靠性強化試驗應用于火炮機械系統(tǒng)的可行性直觀地表征，也可以描述為火炮機械系統(tǒng)是否具有強化試驗的可能性。對于一個失效過程不具備加速性的機械系統(tǒng)，也就不適合進行可靠性強化試驗。在失效機理明確的前提下，要考慮系統(tǒng)中機械零部件的工作應力是否可以強化，強化應力的實現(xiàn)是否容易等，尋求并建立適用于該機械強化試驗的理論依據(jù)和實現(xiàn)方法。

3.4 強化試驗技術確定

在分析確定了機械失效具有加速性的前提下，需要對機械失效機理做進一步分析，研究影響機械失效的因素以及可以改變這些因素的途徑和方法，進而確定相應的強化試驗技術。例如，在火炮炮閂中，擋彈板軸和撥動軸是磨損導致失效的兩相互作用零件，彼此之間的作用強度是決定磨損進程的因素之一，為加快失效可以從改變試驗機構的作用強度上來研究確定強化試驗技術。

3.5 強化試驗實施

強化試驗的實施包括試驗方案的制定和具體的實施過程。在確定了強化試驗的技術后，依據(jù)研究任務制定強化試驗方案的具體實施過程，主要包括以下內容。

1）試驗前準備。主要包括試驗場地的確定及環(huán)境條件的標定，試驗對象的選取，試驗設備的檢查和調試等。

2）強化應力的施加。指強化試驗應力的選取和應力水平的確定，以及施加的方式。

3）試驗數(shù)據(jù)的采集。為了研究火炮機械系統(tǒng)各零部件在退化失效過程中的動態(tài)特性，需要在試驗中對相關指標進行測量。

3.6 強化試驗效果評估

為評估強化應力下試驗效果，引入強化系數(shù)的概念，即將強化應力下的試驗結果與正常應力下的試驗結果相比。對于強化系數(shù)小即強化試驗效果不明顯，且還未達到極限應力的，可以及時地提高強化應力水平。

對于火炮機械系統(tǒng)強化試驗而言，強化系數(shù)計算的內容因零部件失效模式不同而有所區(qū)別。如磨損失效零部件，其表面在磨損后會出現(xiàn)犁溝或凹坑等磨損形式，且會產(chǎn)生磨屑，故可以將零部件磨損量的多少作為評估不同應力水平下強化效果的指標。疲勞失效零部件則可以將損傷量或疲勞壽命作為衡量強化效果的指標。當疲勞失效強化試驗以壽命作為強化效果判別依據(jù)時，不同的機械系統(tǒng)零部件壽命的定義不同。如火炮行走系統(tǒng)，由于工作的連續(xù)性，機械零部件的壽命主要以行駛里程來衡量；而炮閂系統(tǒng)則以機構在失效前完成的動作次數(shù)來衡量。

3.7 可靠性分析與增長

通過對強化試驗得到的數(shù)據(jù)進行處理，分析機械零部件的失效規(guī)律，確定火炮機械系統(tǒng)零部件的可靠性特征。對可靠性未能滿足實際工況的薄弱環(huán)節(jié)進行改進。在不改變零部件完成規(guī)定設計動作的前提下，尋求固有可靠性增加的方法和途徑，如零部件制造工藝優(yōu)化、外形的重新設計等。改進后再進行強化試驗，驗證零件可靠性是否增加，直到可靠性達到最佳狀態(tài)。

火炮機械系統(tǒng)改進應當遵從以下原則：機械的改進必須確保所賦予任務的完成，不能改變設計任務；改進應當在經(jīng)濟可承受的范圍之內，實現(xiàn)效費比最優(yōu)。

總之，在火炮機械系統(tǒng)RET中，強化試驗技術的確定是整個試驗的關鍵，工作原理和失效機理分析是基礎，加速性驗證是前提，強化試驗效果評估是對試驗可行性的衡量。

4 結語

文中分析了RET發(fā)展動態(tài)和火炮機械系統(tǒng)RET研究的必要性。依據(jù)RET理論，明確了火炮機械系統(tǒng)RET研究的目的，并結合火炮機械系統(tǒng)零部件失效的特點，制定了適合于火炮機械系統(tǒng)的RET方案?；鹋跈C械系統(tǒng)RET研究有助于提高火炮裝備可靠性試驗水平，節(jié)約設計費用，縮短研制周期，實現(xiàn)系統(tǒng)固有可靠性增長。

[1]張敏.可靠性試驗與環(huán)境試驗的關系[J].防化研究，2007，（3）：61—64. ZHANG Min.The Relation between Reliability Testing and Environment Testing[J].Chemical and Biological Defense，2007，（3）：61—64.

[2]SILVERMAN M.Summary of HALT and HASS Results at an Accelerated Reliability Test Center[C]//Proceedings of Annual Reliability and Maintainability Symposium.Santa Clara：QualMark Corporation，1998：30—36.

[3]JONATHAN L P，ERIK K R.Highly Accelerated Life Testing of Base-metal-electrode Ceramic Chip Capacitors[J].Microelectronics Reliability，2002，42（6）：815—820.

[4]溫熙森，陳循，張春華，等.可靠性強化試驗理論與應用[M].北京：科學出版社，2007. WEN Xi-sen，CHEN Xun，ZHANG Chun-hua，et al.Theory and Application of Reliability Enhancement Testing[M].Beijing：Science Press，2007.

[5]陳循，陶俊勇，張春華.可靠性強化試驗與加速壽命試驗綜述[J].國防科技大學學報，2002，24（4）：29—32. CHEN Xun，TAO Jun-yong，ZHANG Chun-hua.Reliability Enhancement Testing and Accelerated Life Testing：An Introductory Review[J].Journal of National University of Defense Technology，2002，24（4）：29—32.

[6]蔣培，陳循，張春華，等.可靠性強化試驗技術綜述[J].強度與環(huán)境，2003，30（1）：59—64. JIANG Pei，CHEN Xun，ZHANG Chun-hua，et al.Reliability Enhancement Testing[J].Structure&Environment Engineering，2003，30（1）：59—64.

[7]姜海勛，葉建華，李志強.可靠性強化試驗技術在全壓智能探頭研制中的應用[J].裝備環(huán)境工程，2013，10（6）：140—145. JIANG Hai-xun，YE Jian-hua，LI Zhi-qiang.Application ofReliability Enhancement Testing in the Development of Airborne Pressure Probe[J].Equipment Environmental Engineering，2013，10（6）：140—145.

[8]張仰平，卓繼志，李興林，等.ABLT-7型帶座外球面軸承壽命及可靠性強化試驗機[J].軸承，2009（12）：48—50. ZHANG Yang-ping，ZHUO Ji-zhi，LI Xing-lin，et al.Life of ABLT-7 Insert Bearing with Housing and Reliability Enhancement Testing Machine[J].Bearing，2009（12）：48—50.

[9]趙帥帥，姚軍.某型滑油溫度傳感器的可靠性強化試驗[J].裝備環(huán)境工程，2012，9（1）：34—38. ZHAO Shuai-shuai，YAO Jun.Reliability Enhancement Test of Lubrication Oil Temperature Sensor[J].Equipment Environmental Engineering，2012，9（1）：34—38.

[10]易難，吳鳳鳳.某型電源裝置可靠性強化試驗條件與方案研究[J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗，2008，26（1）：41—44. YI Nan，WU Feng-feng.The Research of Reliability Enhancement Test Conditions and Its Plan for a Power System[J]. Electronic Product Reliability and Environmental Testing，2008，26（1）：41—44.

[11]何榮華，張亞，李波，等.軍用電子元件的可靠性強化試驗方案研究[J].科學技術與工程，2009，9（18）：5460—5464. HE Rong-hua，ZHANG Ya，LI Bo，et al.Research Program of Reliability Enhancement Test about Military Electronic Components[J].Science Technology and Engineering，2009，9（18）：5460—5464.

[12]楊艷峰，鄭堅，狄長春，等.某型炮閂系統(tǒng)關重件可靠性強化試驗仿真研究[J].火炮發(fā)射與控制學報，2011（4）：9—12 YANG Yan-feng，ZHENG Jian，DI Chang-chun，et al.Simulation and Research of Reliability Enhancement Testing about the Key Components of the Breech System[J].Journal of Gun Launch&Control，2011（4）：9—12.

[13]萬龍，馬吉勝，郝大海，等.某型軍用履帶車輛行駛強化試驗仿真技術研究[J].軍械工程學院學報，2008，20（5）：22—25. WAN Long，MA Ji-sheng，HAO Da-hai，et al.Simulation Research on Intensified Driving Test of Tracked Vehicle[J].Journal of Ordnance Engineering College，2008，20（5）：22—25.

[14]金朝，秦俊奇，狄長春，等.某輸彈機疲勞失效構件可靠性強化試驗仿真研究[J].火炮發(fā)射與控制學報，2011（4）：9—12. JIN Zhao，QIN Jun-qi，DI Chang-chun，et al.Simulation and Research on Reliability Testing of Ramming Mechanism Component[J].Journal of Gun Launch&Control，2011（4）：9—12.

[15]劉加凱，齊杏林，范志鋒.可靠性強化試驗的機理探析[J].裝備環(huán)境工程，2009，6（6）：36—38. LIU Jia-kai，QI Xing-lin，F(xiàn)AN Zhi-feng.Analysis of Reliability Enhancement Testing Mechanism[J].Equipment Environmental Engineering，2009，6（6）：36—38.

[16]孫智，江利，應鵬展.失效分析[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005. SUN Zhi，JIANG Li，YING Peng-zhan.Failure Analysis[M]. Beijing：China Machine Press，2005.

Discussion on Reliability Enhancement Test Scheme of Gun Mechanical Systems

YANG Yan-feng1，2，ZHENG Jian2，DI Chang-chun2，WANG Dong3
（1.The Unit 95856，Nanjing 210028，China；2.Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China；3.Army of Aviation Institute，Beijing 101121，China）

Objective To enhance the reliability of the gun mechanical systems by introducing the theory of reliability enhancement test into its reliability research.Methods At first,the development dynamics of reliability enhancement test and its necessity of application in gun mechanical systems were analyzed.Then based on analysis of theoretical evidence for reliability enhancement test technologies,the research purpose of reliability enhancement test on gun mechanical systems was clarified.Results According to the major failure modes of gun mechanical system,a reliability enhancement test scheme including 7 steps such as analysis of mechanical working principle etc was instituted.The content and function of each step in the scheme were analyzed in detail.Conclusion The research results could provide theoretical support for application of reliability enhancement test in gun mechanical systems.

gun；mechanical system；reliability enhancement test

10.7643/issn.1672-9242.2016.02.024

TJ303；TB302.3

：A

1672－9242（2016）02－0134-05

2015-09-18；

2015-10-21

Received：2015-09-18；Revised：2015-10-21

楊艷峰（1988—），男，河北張北人，博士研究生，主要研究研究方向為武器系統(tǒng)可靠性與試驗技術。

Biography：YANG Yan-feng（1988—），Male，from Zhangbei，Hebei，Doctoral candidate，Research focus：reliability and test technology of weapon system.