祝逢春 劉恒春 游培寒 郭廣文 趙未平

95856部隊(duì)（江蘇南京，210028）

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TNT基炸藥儲(chǔ)存壽命評(píng)估研究?

祝逢春 劉恒春 游培寒 郭廣文 趙未平

95856部隊(duì)（江蘇南京，210028）

［摘 要］為解決有效評(píng)估炸藥儲(chǔ)存壽命的難題，提出一套基于炸藥加速退化試驗(yàn)失重率閾值的儲(chǔ)存壽命評(píng)估技術(shù)。采用基于偽失效壽命的加速壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)建模與處理方法，對(duì)某TNT基炸藥加速退化試驗(yàn)數(shù)據(jù)，使用正態(tài)分布和威布爾分布模型，估計(jì)了兩種模型參數(shù)，評(píng)定了其儲(chǔ)存壽命。研究表明，該評(píng)估技術(shù)可行，結(jié)論可信。

［關(guān)鍵詞］炸藥；加速試驗(yàn)；退化；失重率；儲(chǔ)存壽命；壽命評(píng)估

［分類號(hào)］ TQ560. 7

引言

炸藥儲(chǔ)存壽命是關(guān)系裝藥產(chǎn)品安全儲(chǔ)存、可靠使用的重要指標(biāo)。目前國(guó)內(nèi)外尚無(wú)有效的炸藥儲(chǔ)存壽命評(píng)定技術(shù)。對(duì)于炸藥的儲(chǔ)存壽命［1］，美國(guó)主要依靠長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，輔以加速儲(chǔ)存試驗(yàn)，獲取變化規(guī)律，建立外推模型進(jìn)行預(yù)報(bào)；俄羅斯相關(guān)理論與試驗(yàn)結(jié)合很好，加速儲(chǔ)存試驗(yàn)理論和方法較成熟，能夠通過(guò)加速儲(chǔ)存試驗(yàn)提前較長(zhǎng)時(shí)間預(yù)報(bào)；我國(guó)主要是采用性能監(jiān)測(cè)、加速儲(chǔ)存試驗(yàn)和產(chǎn)品類比等方法進(jìn)行綜合評(píng)估。

我國(guó)對(duì)于火工品加速試驗(yàn)和儲(chǔ)存壽命的研究較領(lǐng)先，并形成了標(biāo)準(zhǔn)［2］，而對(duì)于炸藥或炸藥裝藥產(chǎn)品的相關(guān)研究尚不多。目前，炸藥裝藥產(chǎn)品設(shè)計(jì)定型時(shí)，儲(chǔ)存壽命大多數(shù)是靠類比分析評(píng)估的。據(jù)報(bào)導(dǎo)，余文力等利用四溫度下定量截尾恒定應(yīng)力加速試驗(yàn)數(shù)據(jù)，按對(duì)數(shù)正態(tài)分布?jí)勖Ｐ驮u(píng)定了RDX混合炸藥儲(chǔ)存壽命［3］；石爽等人利用三溫度恒定應(yīng)力定時(shí)截尾加速試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)多種炸藥儲(chǔ)存壽命評(píng)估［4］，對(duì)樣品平均失重率退化模型研究較深。

加速退化試驗(yàn)［5-7］是在不改變產(chǎn)品失效機(jī)理的前提下，通過(guò)加大產(chǎn)品的熱應(yīng)力、電應(yīng)力或機(jī)械應(yīng)力等敏感應(yīng)力，加快產(chǎn)品的性能退化，利用高應(yīng)力水平下的性能退化數(shù)據(jù)，外推正常使用應(yīng)力下的產(chǎn)品的壽命和可靠性。其關(guān)鍵要識(shí)別出能夠表征產(chǎn)品功能退化和可靠性下降的性能值，以及引起產(chǎn)品發(fā)生性能退化的主要影響因素。

加速退化試驗(yàn)方法主要包括恒定加速退化試驗(yàn)和步進(jìn)加速退化試驗(yàn)。本文以某TNT基炸藥為研究對(duì)象，采用恒定加速退化試驗(yàn)，以炸藥失重率表征炸藥性能，將失重率閾值作為炸藥失效依據(jù)，提出一套符合統(tǒng)計(jì)學(xué)原理的基于加速退化試驗(yàn)數(shù)據(jù)的炸藥儲(chǔ)存壽命評(píng)估技術(shù)。

1 評(píng)估基礎(chǔ)

加速性能退化試驗(yàn)評(píng)估產(chǎn)品壽命，在電子器件、非金屬材料領(lǐng)域比較普遍［8-9］，而用于炸藥儲(chǔ)存壽命評(píng)估較為鮮見(jiàn)。進(jìn)行加速退化試驗(yàn)，特征參數(shù)和加速因素的選取是試驗(yàn)成功的關(guān)鍵，特征參數(shù)閾值是壽命評(píng)估的依據(jù)，其科學(xué)性、合理性至關(guān)重要。

1. 1 性能退化特征參數(shù)的選取

進(jìn)行加速退化試驗(yàn)，選擇的樣品性能特征參數(shù)，一是必須有準(zhǔn)確定義而且能夠進(jìn)行監(jiān)測(cè)，二是隨著試驗(yàn)時(shí)間增長(zhǎng)，有明顯的趨勢(shì)性變化，能客觀反映產(chǎn)品狀態(tài)。對(duì)于有機(jī)炸藥，在一般情況下分子結(jié)構(gòu)保持相對(duì)穩(wěn)定，但在較高溫度或特殊情況下會(huì)出現(xiàn)揮發(fā)、升華或分子鏈斷裂分解成氣相產(chǎn)物等現(xiàn)象，使得試樣質(zhì)量發(fā)生變化，這種失重現(xiàn)象與炸藥性能密切相關(guān)。此特性常用于炸藥熱分解研究，并以此評(píng)價(jià)炸藥熱性能。庫(kù)存炸藥隨著儲(chǔ)存時(shí)間增加，受環(huán)境溫度影響，其成分會(huì)分解揮發(fā)，質(zhì)量會(huì)發(fā)生變化。可見(jiàn)，將炸藥失重率作為炸藥特征參數(shù)符合加速退化研究要求。

1. 2 特征參數(shù)閾值的確定

美國(guó)軍用標(biāo)準(zhǔn)ML—STD—1751規(guī)定，無(wú)論任何原因引起的炸藥失重1%均認(rèn)為該炸藥失效。文獻(xiàn)［10］的試驗(yàn)研究表明，一般炸藥質(zhì)量分解約1%～2%就進(jìn)入加速分解期，并將失重率達(dá)1%作為某型固體云爆劑的失效閥值。同樣，文獻(xiàn)［3］將失重率達(dá)1%作為RDX混合炸藥的失效閥值。因此，本文也將失重率1%作為性能退化參數(shù)的閾值。

1. 3 加速因素的選取

本研究的炸藥處于較密封狀態(tài)，儲(chǔ)存過(guò)程中受濕度影響較小，因而進(jìn)行加速退化試驗(yàn)時(shí)，僅進(jìn)行溫度單因素加速試驗(yàn)。

1. 4 儲(chǔ)存壽命評(píng)估方法

利用加速退化試驗(yàn)數(shù)據(jù)評(píng)估儲(chǔ)存壽命有兩種方法［11-13］：一種是基于偽失效壽命的加速退化數(shù)據(jù)建模分析方法，另一種是基于退化量分布的加速退化

數(shù)據(jù)建模分析方法。本文采用前一種方法。

2 試驗(yàn)及結(jié)果

試驗(yàn)用炸藥為某TNT基炸藥，樣品儲(chǔ)存8 a。分別稱量27份塊狀裝藥樣品，每份5 g。3個(gè)老化箱的試驗(yàn)溫度分別設(shè)定為59、65、71℃；各老化箱放炸藥樣品9份，定期取出樣品稱其質(zhì)量（取出稱量時(shí)應(yīng)該注意減少時(shí)間，控制溫度，并保持干燥），直到90 d停止試驗(yàn)。試驗(yàn)獲得數(shù)據(jù)如表1～表3所示。

表1 59℃加速試驗(yàn)時(shí)的失重率Tab. 1 Weight loss rate in accelerating test at 59℃%

表2 65℃加速試驗(yàn)時(shí)的失重率Tab. 2 Weight loss rate in accelerating test at 65℃%

表3 71℃加速試驗(yàn)時(shí)的失重率Tab. 3 Weight loss rate in accelerating test at 71℃　%

3 壽命評(píng)估

先對(duì)各應(yīng)力下各樣品數(shù)據(jù)作曲線，由退化曲線選擇退化軌跡模型，采用最小二乘法估計(jì)退化軌跡模型參數(shù)，根據(jù)各樣品退化軌跡模型和退化閾值，計(jì)算各應(yīng)力下各樣品偽失效壽命；再對(duì)偽失效壽命分布進(jìn)行檢驗(yàn)，確定分布模型，估計(jì)模型參數(shù)；然后利用加速模型建模分析方法，推導(dǎo)失效壽命參數(shù)與應(yīng)力水平關(guān)系，用外推法估計(jì)正常應(yīng)力下炸藥儲(chǔ)存壽命模型參數(shù)，從而由儲(chǔ)存壽命分布函數(shù)計(jì)算出炸藥在正常條件下的儲(chǔ)存壽命。

3. 1 退化軌跡模型的選擇與模型參數(shù)計(jì)算

分別對(duì)每一溫度下每個(gè)樣品數(shù)據(jù)作圖，發(fā)現(xiàn)裝藥失重率曲線呈線性上升分布［1］。采用最小二乘法求出退化軌跡模型參數(shù)。

設(shè)模型為：式中：y為失重率，%；t為試驗(yàn)時(shí)間，d。

退化軌跡如圖1所示，計(jì)算參數(shù)如表4所示。

表4 不同溫度時(shí)各樣本模型參數(shù)的計(jì)算值Tab. 4 Assessment parameters of samples at different temperature

3. 2 各樣本偽失效壽命的外推

由退化軌跡模型和特征參數(shù)閾值，分別計(jì)算59、65℃和71℃各樣品偽失效壽命。對(duì)于新炸藥退化閾值（失重率）為1. 0%，而本研究炸藥已儲(chǔ)存8 a，按炸藥壽命20 a的保守估計(jì)，可確定退化閾值為0. 6%，將表4的參數(shù)分別代入式（1），計(jì)算偽失效壽命t，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 不同溫度下各樣品的偽失效壽命Tab. 5 Pseudo-failure life calculation of samples at different temperature　d

3. 3 失效壽命分布檢驗(yàn)與參數(shù)估計(jì)

以圖估法［14］對(duì)偽失效壽命進(jìn)行威布爾分布和正態(tài)分布假設(shè)檢驗(yàn)。從文獻(xiàn)［4］中附表7. 1查得，9個(gè)樣本情況的概率Fn（ti）為0. 074 12、0. 179 62、0. 286 24、0. 393 08、0. 500 00、0. 606 91、0. 713 76、0. 820 38、0. 925 87。以概率為縱坐標(biāo)，3個(gè)溫度的偽失效壽命為橫坐標(biāo)分別作圖，如圖2。

對(duì)于正態(tài)分布模型，采用式（2）和式（3）分別計(jì)算3個(gè)溫度下的偽失效壽命均值和標(biāo)準(zhǔn)差，計(jì)算所得參數(shù)如表6所示。

表6 不同溫度下的正態(tài)分布參數(shù)Tab. 6 Estimated parameters of Gaussian distribution at different temperature

對(duì)于威布爾分布模型，采用最小二乘法擬合直線，以lnln｛1/［1 - F（t）］｝為縱坐標(biāo)，lnt為橫坐標(biāo)作圖，如圖3，其中F（t）和t分別為概率和偽失效壽命。偽失效壽命在概率圖上分布均呈直線，說(shuō)明偽失效壽命服從正態(tài)分布和威布爾分布。威布爾分布的形狀參數(shù)＾mi和尺度參數(shù)＾ηi計(jì)算方法參照式（1），

直線斜率a即為＾mi，e- b則為＾ηi，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 不同溫度下的威布爾分布參數(shù)Tab. 7 Estimated parameters of Weibull distribution at different temperature

3. 4 加速模型的擬合

擬合所得正態(tài)分布參數(shù)與溫度的關(guān)系如下：從表7看，威布爾分布形狀參數(shù)估計(jì)值很接近，表明加速退化試驗(yàn)過(guò)程中失效機(jī)理保持不變。

擬合所得威布爾參數(shù)與溫度的關(guān)系如下：

3. 5 正常溫度下分布參數(shù)的外推

對(duì)于正態(tài)分布，正常溫度（293 K）下的均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別由式（4）和式（5）計(jì)算得：

參數(shù)＾η0由式（6）計(jì)算得：

3. 6 估計(jì)儲(chǔ)存壽命

采用兩種分布計(jì)算的中位壽命均為21. 1 a，這里可取整數(shù)21 a作為炸藥的剩余儲(chǔ)存壽命。

根據(jù)以上樣本21 a的儲(chǔ)存壽命評(píng)估結(jié)果，加上樣本歷經(jīng)8 a儲(chǔ)存時(shí)間，得出該炸藥儲(chǔ)存壽命為29 a。

4 結(jié)論

炸藥儲(chǔ)存壽命評(píng)估的準(zhǔn)確性，主要取決于特征參數(shù)及其閾值的合理性、試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性以及評(píng)估技術(shù)的科學(xué)性。基于失重率閾值的依據(jù)是美軍標(biāo)ML—STD—1751，此依據(jù)是否合理或具普適性需要進(jìn)一步驗(yàn)證。試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性要取決于樣品狀況、試驗(yàn)條件控制、測(cè)試儀器精度等多種因素。評(píng)估技術(shù)中評(píng)估方法、加速模型和數(shù)據(jù)量大小對(duì)結(jié)果均產(chǎn)生影響。此外，實(shí)際獲得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)通常會(huì)出倒掛現(xiàn)象，這還需要參照相關(guān)文獻(xiàn)作統(tǒng)計(jì)修正。

本文介紹一種炸藥儲(chǔ)存壽命的評(píng)估技術(shù)。它不局限于TNT基炸藥，也適用于其他炸藥或產(chǎn)品（如電子器件、非金屬材料等）的儲(chǔ)存壽命評(píng)估。評(píng)估過(guò)程表明，采用加速退化試驗(yàn)數(shù)據(jù)，基于失重率閾值，利用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，可以評(píng)估炸藥儲(chǔ)存壽命。

參考文獻(xiàn)

［1］ 孟濤，張仕念，易當(dāng)祥，等.導(dǎo)彈儲(chǔ)存延壽技術(shù)概論［M］.北京：中國(guó)宇航出版社，2013.

［2］ 機(jī)械電子工業(yè)部.火工品試驗(yàn)方法71℃試驗(yàn)法：GJB736. 8—1990［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1990. Ministry of Machine-building and Electronics Industry. Initiating explosive device：method of the test at 71℃：GJB736. 8—1990［S］. Beijing：China Standard Press，1990.

［3］ 余文力，董三強(qiáng)，朱滿林，等.導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部炸藥裝藥的儲(chǔ)存可靠性研究［J］.空軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2005，6（2）：43-45，49. YU W L，DONG S Q，ZHU M L，et al. Research on storage reliability of missile warhead explosive charge ［J］. Journal of Air Force Engineering University （Natural Science Edition），2005，6（2）：43-45，49.

［4］ 石爽，曲仕茹，朱麗嫻，等.基于老化失重率的炸藥儲(chǔ)存可靠性研究［J］.彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2011，31（6）：120-122. SHI S，QU S R，ZHU L X，et al. The research on explosive storage reliability based on weight loss rate of aging ［J］. Journal of Projectiles，Rockets，Missiles and Guidance，2011，31（6）：120-122.

［5］ 鄭德強(qiáng)，張正平，李海波，等.加速退化試驗(yàn)技術(shù)研究、應(yīng)用與發(fā)展［J］.裝備環(huán)境工程，2011，8（2）：100-104. ZHENG D Q，ZHANG Z P，LI H B，et al. Research，application and development of accelerated degradation test technology［J］. Equipment Enviromental Engineering，2011，8（2）：100-104.

［6］ 陳妤.電力電子電路參數(shù)辨識(shí)新方法與故障預(yù)測(cè)算法研究［D］.南京：南京航空航天大學(xué)，2012. CHEN Y. Research on new parameter identification methods and failure prediction algorithms of power electronic circuits［D］. Nanjing：Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，2012.

［7］ 沈崢嶸，時(shí)鐘，游曼.加速退化試驗(yàn)方案優(yōu)化問(wèn)題經(jīng)驗(yàn)參數(shù)估計(jì)方法［J］.環(huán)境技術(shù)，2014（2）：10-14. SHEN Z R，SHI Z，YOU M. The rough estimation of the unknown parameters of the problem with designing an accelerated degradation testing［J］. Enviromental Technology，2014（2）：10-14.

［8］ 李坤蘭.恒溫加速退化試驗(yàn)的灰色預(yù)測(cè)［J］.裝備環(huán)境工程，2011，8（4）：20-24. LI K L. Grey prediction of constant temperature accelerated degradation testing［J］. Equipment Environmental Engineering，2011，8（4）：20-24.

［9］ 馬小兵，王晉忠，趙宇.基于偽壽命分布的退化數(shù)據(jù)可靠性評(píng)估方法［J］.系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2011，33 （1）：228-232. MA X B，WANG J Z，ZHAO Y. Reliability assessment using constant-stress accelerated degradation data based on pseudo life distribution［J］. Systems Engineering and Electronics，2011，33（1）：228-232.

［10］ 趙方超，羅天元，李超，等.某型固體云爆劑加速老化試驗(yàn)與儲(chǔ)存壽命預(yù)測(cè)研究［J］.裝備環(huán)境工程，2011，8（6）：34-37，39. ZHAO F C，LUO T Y，LI C，et al. Study on the accelerated aging test and storage life prediction of SE-FAE ［J］. Equipment Environmental Engineering，2011，8 （6）：34-37，39.

［11］ 陳循，張春華，汪亞順，等.加速壽命試驗(yàn)技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2013. CHEN X，ZHANG C H，WANG Y S，et al. Accelerated life testing technology and application［M］. Beijing：National Defense Industry Press，2013.

［12］ 鄧愛(ài)民，陳循，張春華，等.基于加速退化數(shù)據(jù)的可靠性評(píng)估［J］.彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2006，26（2）：808-812，815. DENG A M，CHEN X，ZHANG C H，et al. Reliability assessment based on accelerated degradation data［J］. Journal of Projectiles，Rockets，Missiles and Guidance，2006，26（2）：808-812，815.

［13］ 鄧愛(ài)民，陳循，張春華，等.基于性能退化數(shù)據(jù)的可靠性評(píng)估［J］.宇航學(xué)報(bào)，2006，27（3）：546-552. DENG A M，CHEN X，ZHANG C H，et al. Reliability assessment based on performance degradation data［J］. Journal of Astronautics，2006，27（3）：546-552.

［14］ 潘吉安.可靠性維修性可用性評(píng)估手冊(cè)［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1995.

Study on Storage Life Assessment of a Composite Explosive Based on TNT

ZHU Fengchun，LIU Hengchun，YOU Peihan，GUO Guangwen，ZHAO Weiping

Unit 95856（Jiangsu Nanjing，210028）

［ABSTRACT］ To solve the problem of explosive storage life assessment，alifetime assessment technology based on weight loss rate threshold in explosive accelerating degradation test was introduced. According to the accelerating lifetime test modeling based on its Pseudo-failure life，accelerating degradation test data of a kind of TNT explosive were used in Gaussian distribution and Weibull distribution models. Storage life of this explosive was obtained by calculating the parameter distributions in the two models. Research results show that the new assessment method is feasible for storage life assessment of explosive，and the calculation results are reliable.

［KEY WORDS］ explosive；accelerating test；degradation；weight loss rate；storage life；lifetime assessment

doi：10. 3969/ j. issn. 1001-8352. 2016. 03. 008

收稿日期：?2015-06-23

作者簡(jiǎn)介：祝逢春（1964 -）男，博士，高工，主要從事彈藥儲(chǔ)存可靠性研究。E-mail：13382763857@189. cn