何松偉 肖 承 黃立鳳

中國工程物理研究院化工材料研究所

最大熵試驗法在炸藥機加工藝安全管理中的應用

何松偉 肖 承 黃立鳳

中國工程物理研究院化工材料研究所

由于炸藥高能量、一定條件下能發(fā)生化學爆炸的特點，其機械加工過程承受的摩擦、擠壓、沖擊和加熱等，對機加過程的安全有著重要的影響。為確保炸藥機加過程的安全，本文基于最大熵試驗法，對改變炸藥機加線速度的安全可靠性進行了評估試驗。評估結果表明：在設計的目標值以及試驗次數狀態(tài)下進行炸藥切削是安全的。最大熵試驗法能夠為炸藥安全切削試驗設計提供理論依據，對炸藥機加工藝參數的變更管理具有指導意義。

最大熵試驗法；炸藥；工藝變更；安全評價

工藝（過程）安全管理（PSM）是預防重大化工安全事故的關鍵。作為工藝安全管理的一個核心要素，變更管理（MOC）已被國內外許多企業(yè)普遍重視[1]。在杜邦的安全管理系統(tǒng)中，對工藝技術方面的變更控制尤為重視。炸藥是一種能發(fā)生化學爆炸的物質，在熱、機械（撞擊、摩擦、或二者的綜合作用）、沖擊波、靜電等能量的作用下可被引發(fā)進行快速的化學反應，導致燃燒和爆炸[2]。因此，美國能源部成立了炸藥安全委員會，制定了新炸藥配方設計，炸藥合成、壓制、機加、試驗、裝配等操作活動危險性相適應的安全控制標準，并要求在任何炸藥作業(yè)活動前均應對過程的危險性進行分析評價[3]。炸藥在機械加工過程中，同時承受著外界多重作用，其中有摩擦、擠壓、沖擊和加熱等，而這些作用在炸藥切削過程中隨著切削參數的變化而變化。因此，美國國防部規(guī)定軍用炸藥在機加過程中應該保持安全有效操作所必需的刀具速度，適用的最大速度為：炸藥表面和切削刀具之間的相對速度不超過65m/min；工件或刀具的旋轉速度不超過525r/min；切削刀具和工件的進給速度不超過1mm/r。

隨著各種型號武器研制和精密物理實驗的開展，炸藥件形狀越來越復雜，對產品的尺寸和形位精度要求越來越高。另外，隨著各種新型鈍感高能炸藥的不斷出現、應用，以及炸藥部件加工設備的不斷升級換代，現有工藝參數已不能完全適應這些變化，變更工藝參數特別是提高切削線速度就有了現實需求。如何評定炸藥的機加安全性以及如何確定炸藥的機加工藝參數是炸藥機械加工的重要安全課題。國內外專家對炸藥件在生產過程中的引爆規(guī)律及安全評價技術進行了較多的研究[4-7]，但難以從理論上針對炸藥機械加工給出安全指導建議。

中國航天科技集團公司708所的劉炳章[8]開發(fā)了最大熵試驗法，解決了此前高可靠性火工裝置（R=0.9999，r=0.95）無理論驗證的難題，并結合工程實例，詳細介紹了最大熵試驗法在可靠性試驗與評估中的具體應用。劉炳章[9]利用最大熵試驗法及其可靠性評估公式，對某重點型號太陽電池翼在陰區(qū)展開的可靠性進行了評估。劉杰等[10]通過加大載荷或者減少承載能力，說明了最大熵試驗法的工程應用。李四超等[11]根據凸膜實際工作情況，明確功能參數，給出載荷強化系數和散差，利用最大熵試驗法解決了用小子樣試驗驗證凸膜承壓高可靠性的難題。王國平等[12]將最大熵法與蒙特卡洛法相結合，提出了應用最大熵法的武器系統(tǒng)密集度仿真方法，實現了某型遠程多管火箭武器系統(tǒng)密集度的仿真，試驗驗證了該方法的正確性。本文通過對比傳統(tǒng)的以二項分布為基礎的成敗型試驗方案和研究，采用最大熵試驗法，選取有效的試驗點和可接受的試驗次數進行炸藥切削安全評估試驗，對炸藥機械加工過程工藝參數的變更進行充分的安全論證和評估。試驗取得了預期效果，論證的機加線速度參數在炸藥生產中也得到了實際應用。

1 炸藥切削安全評估試驗方法的選擇

1.1 二項分布評估方法的優(yōu)缺點

二項分布評估方法，又稱經典計數法，作為一種傳統(tǒng)的火工品可靠性的評定方法，計算比較簡單，計算程序也比較完善，對一些結構簡單，成本較低的火工品來說，不失為一種簡便快捷的試驗方法。但對于成本較高的火工品來說，用計數法來評定其可靠性，一是樣本量太大，成本較高。二是信息量浪費太大，計數法只是利用了產品發(fā)火這一個信息，隨著高新技術的應用，試驗中設備和手段的進步和多樣化，使實驗信息具有了多種信息源。因此，如何利用小子樣的統(tǒng)計方法，在保證可靠性的情況下，盡量減少樣本量，就具有了十分重要的經濟和軍事效益。

1.2 最大熵試驗法的原理及應用條件

基于最大熵試驗法的可靠性評估方法已成功應用于航天火工裝置的可靠性評估中，可以成功地驗證產品達到0.9999～0.999999的高可靠度，并能最大限度地減少實驗所需的次數。

最大熵試驗法適用于有數量指標的物理量，例如電壓、藥量、間隙等。依據最大熵原理推導出熵強化系數K所對應的工況點A做最大熵試驗所需的樣本量的計算公式為：

式中：

NK—熵強化系數K所對應的工況點A做最大熵試驗所需的樣本量（即試驗次數）；

γ—設計工況點B置信度指標；

R—設計工況點B可靠度指標；

K—熵強化系數。

熵強化系數K的計算公式為：

式中：

CR—熵強化系數對應的試驗工況點K的載荷量；

C—設計工況點B的載荷量。

1.3 最大熵試驗法的實施步驟

首先，確定工況點B和工況點A載荷量，進而確定熵強化系數K。其次，根據在設計工況點B對置信度要求γ和所要驗證的可靠性指標R，以及由步驟一所確定的熵強化系數K，按公式（1）求出做最大熵試驗所需的樣本量NK。最后，在K所對應的工況點A進行成敗型試驗。若NK個樣本，全部成功，則認為產品滿足在設計值工況點B置信度為γ，可靠度為R的要求。

2 最大熵試驗法的安全可靠性評估試驗

2.1 試驗設計

依據最大熵試驗法的實施步驟和推導出的計算公式（1），確定安全切削試驗方案中的熵強化系數K和試驗次數NK。

將線速度目標值vB作為設計工況點B的工藝參數，將線速度目標值vB放大一定倍數后的線速度vA作為試驗工況點A的工藝參數，保持進給量f和切削深度ao不變。考慮到切削熱的大小直接影響了炸藥切削過程的安全性，將工況點B和工況點A分別對應的單位時間內產生的切削熱Q作為兩工況點的載荷量。單位時間內產生的切削熱Q依據公式（3）計算。

其中，Fc和Ff為主切削力和進給抗力，v和f為切削速度和進給量。針對工況點B和工況點A對應的切削參數，在冷卻水條件下，測試兩工況點的切削力，計算單位時間內產生的切削熱QB與QA，再計算熵強化系數K和試驗次數NK。

2.2 試驗工況點A參數的確定

針對同一種刀具和某一低感炸藥，在線速度（100～1000）m/min范圍內，開展線速度與切削熱的單調性考核試驗，考核切削熱是否隨線速度的增大而增大。針對考核結果，選取出產生切削熱最大的線速度值以作為試驗工況點A的切削參數。試驗結果表明，在線速度（100～800）m/min范圍內，切削熱是隨線速度的增大而增大，但當線速度大于800m/min時，隨著線速度的增加，產生的切削熱基本保持不變。因此將試驗工況點A的線速度VA確定為800m/min。

2.3 試驗次數NA的確定

將試驗工況點B的線速度vB確定為100m/min。設置置信水平γ=0.95，安全可靠度R=0.999999時，根據最大熵試驗原理以及計算公式（1），計算出試驗工況點A的熵強化系數K=7.5，從而計算出所需的試驗次數NK=18。

2.4 試驗驗證和結果分析

在水冷卻條件下，選用同一種刀具，在選取的試驗工況點A參數條件下開展18次的安全切削驗證試驗。整個試驗過程采用遠控隔離操作，確保人員安全。試驗結果顯示，18次試驗中無一次出現異味以及肉眼可見的變色、燃燒、爆炸現象，證明試驗過程是安全的，在設計工況點B狀態(tài)下進行炸藥切削，可達到置信度γ=0.95，安全可靠度R=0.999999的要求。

3 結論

最大熵試驗法將工藝參數的變更與成敗型試驗相結合起來，以更加優(yōu)化的方法驗證安全切削試驗的可行性，并最大限度的減少了所需試驗樣本量。為深入研究精密炸藥切削工藝，針對不同感度的炸藥在現行切削工藝參數基礎上再提高其適用范圍而開展安全切削試驗提供了理論基礎。

（1）基于最大熵試驗法設計的安全切削試驗，可以達到相當高的置信水平和安全可靠度。

（2）基于最大熵試驗法的安全切削試驗是一種有效的安全評估方法。

基于最大熵試驗法的安全切削試驗，結合炸藥安全性的沖感、摩感等感度評定結果，以及跌落、類沖塞等安全試驗，可以更加全面地評估由于炸藥機加工藝參數的變更所帶來的安全風險，為炸藥機加工藝參數的變更管理提供決策依據。

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何松偉（1980-），男，學士，工程師，主要從事炸藥爆轟安全性能研究和生產安全管理工作。