2. 海军工程大学 科研部,湖北 武汉,430033
2. Office of Research and Development, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China
鱼雷武器系统在贮存使用过程中要经历不同环境的考验,各种环境通过对产品的刺激,使其潜在的失效因素被激活,导致产品的性能或者结构发生改变,甚至不能完成预定的功能,致使产品提前失效,从而降低了产品的可靠性,缩短了产品寿命[1]。由于每种环境因素对产品失效的影响机理不同,引起的失效模式也会不同,以至在不同的环境条件下产品的寿命与可靠性也会表现出较大的差异。本文在鱼雷武器系统贮存使用和环境剖面的基础上,分析了鱼雷在各个阶段的剖面以及各应力对其影响,设计出鱼雷综合试验剖面。
1 鱼雷剖面分析 1.1 寿命剖面寿命剖面[2]是指鱼雷从采购到寿命终了或退役这期间内经历的所有事件和环境的时序描述。产品在使用时间内经历的所有事件都能通过寿命剖面体现。鱼雷武器系统的寿命剖面通常包括:采购验收、吊装运输、贮存、维护、转运、装载、训练、作战值班等。鱼雷典型寿命剖面如图1所示。
依据鱼雷寿命剖面可知,在整个寿命周期内,鱼雷主要经历洞库、技术阵地贮存和艇上装载2种环境。鱼雷贮存剖面是指自验收交付以后在库房或者技术阵地内贮存经历的所有事件[3],主要包括洞库贮存、日常维护、定期检查等。贮存剖面是装备寿命剖面的组成部分,是进行贮存环境分析、贮存可靠性设计和贮存试验的依据。鱼雷典型的贮存剖面如图2所示。
鱼雷任务剖面是指鱼雷从装载艇上转成一级战备雷开始到鱼雷发射或者完成规定任务之后卸载解除武装这期间所经历的所有事项和环境的描述。鱼雷在艇上装载任务剖面如图3所示。
鱼雷实航任务剖面是指鱼雷从发射管射出,到命中目标或者航行终了为止这期间内所经受的事件或者环境按照一定时间顺序进行的描述。鱼雷在航行过程中的任务剖面图如图4所示。
鱼雷的贮存、使用环境要求是依据鱼雷相应的产品说明书得到的,比如,某型鱼雷使用说明书中规定:1)舱室温度:0 ℃~50 ℃;2)工作温度:低温–2 ℃,高温37 ℃;3)贮存温度:低温–40 ℃,高温 80 ℃;4)相对湿度:≤95%RH。
本文基于上述环境条件对鱼雷各阶段进行应力分析,制定综合试验剖面。
2.1 鱼雷运输环境及影响分析部队从鱼雷生产厂家采购鱼雷后,一般采用包装箱形式运输,运输主要方式有陆路运输、水路运输和空中运输。运输过程中影响鱼雷寿命的自然因素主要是温度、湿度、太阳辐射、降水和风速[4],自然因素的量值选取如表1所示。
对鱼雷运输来说,由于水路运输和空运相对复杂且较少使用,本文只对陆路运输进行研究。陆路运输中一般有公路和铁路2种运输方式,在运输过程中除受自然因素的影响外,还受到振动、冲击的影响,在公路运输中不同的路面产生的振动、冲击不同,根据GJB150.16–1986,公路运输垂直轴方向的典型振动曲线如图5所示。
铁路运输中振动、冲击相对较平稳,但在火车启动、紧急制动过程中振动、冲击相对较大[5],振动曲线如图6所示。
鱼雷在洞库或技术阵地贮存过程中,主要影响其寿命的环境因素为温度和湿度,一般规定鱼雷库房贮存温度为15 ℃~35 ℃,相对湿度控制在20%~80%。根据鱼雷贮存环境要求,鱼雷在贮存过程中有专用的包装箱,包装箱内有干燥剂且要进行抽真空充氮气处理。在鱼雷贮存过程中,湿度不大且变化较小,因此影响鱼雷雷内组件贮存寿命的环境应力主要为温度应力。
鱼雷在库房(技术阵地)长期的贮存过程中,由于温度应力等因素的作用,表面和内部都会发生缓慢的物理和化学变化,例如,元器件出现老化,绝缘特性下降,电阻值变大,性能参数出现超差现象等。另外一些敏感的元器件经过长时间的贮存后都会出现参数漂移的现象,导致其性能无法满足使用要求。
2.3 艇上装载环境及影响分析鱼雷在潜艇上装载时,主要受潮湿、盐雾、高温、低温以及综合应力等环境因素的影响,各环境应力对鱼雷的影响见表2。
鱼雷从发射管发射出去到命中目标或者航程终了过程中主要受到温度、湿度、盐雾、水压、电应力和振动的影响,这一阶段鱼雷所受到的应力是设计综合试验剖面的重点。各环境应力对鱼雷的影响如表3所示。
综合试验剖面是产品所受环境应力和试验时间的关系图,是遵循特定的原则将多个任务剖面的数据进行处理合成得到的综合剖面图[6]。综合试验剖面是通过模拟产品实际环境条件,能有效地检验产品,寻找出产品在设计、元器件使用和生产工艺上面的薄弱环节,进而分析原因,找出解决办法[7]。综合试验剖面设计过程如图7所示。
通过分析鱼雷在贮存和使用过程中所受温度应力的影响,在温度应力中有高低温循环[8],高温循环包括高温工作循环和高温贮存循环,低温循环应包括低温工作循环和低温贮存循环。
1)高温影响
高温能够加快鱼雷非金属材料老化、氧化,物理性能降低;加快橡胶等密封材料变形,使密封性能变差,绝缘失效;零部件之间润滑性能降低,磨损加剧;各组件受热容易发生膨胀和变形,导致结构件发生损坏。
2)低温影响
低温容易使材料脆化,强度降低,出现断裂和硬化的现象;密封材料受冷收缩变形,导致密封性能降低,容易引起泄露;油脂类材料受冷可能出现固化现象,导致润滑性能下降。
3)交变温度影响
交替变化的温度,对鱼雷组件影响较大,特别是精密仪器连接部位,由于不同材料的膨胀系数不同,会使非金属密封件、连接处间隙发生改变,使鱼雷稳定性降低。
在试验剖面的制定中,对于持续时间较短的温度应力应予以删除,因为鱼雷还没来得及冷透或热透就结束了,对鱼雷影响较小,可以忽略。对于温度变化率不大的(小于5 ℃/min),应进行相应地处理(增加到5 ℃/min),参考相关文献,在温度加速寿命试验中,高温和低温各占总试验时间的一半。
3.2 湿度应力分析由于鱼雷运输持续时间较短,在贮存过程中要经过密封充氮处理,所以湿度对鱼雷的影响主要集中在鱼雷艇上装载和实航阶段,这两阶段都发生在海上,海上不仅湿度大,而且盐分高,促使鱼雷元器件金属表面发生电化学反应,加快腐蚀;吸收潮气后,火工品、鱼雷外壳、安全结构的防静电层的绝缘效果会下降,甚至丧失功能;对电子元器件来说,高湿度会导致介电常数增大;橡胶等非金属材料吸湿后,会导致霉变和老化变质。表4中描述了温度和湿度的施加过程。
鱼雷在运输、吊装、装运、艇上装载和实航过程中都会受到不同程度振动应力的影响。运输过程中振动应力的大小主要受路面平整程度的影响;冲击表示载荷的一种急剧变化,主要出现在运输过程中的加速和急刹车,装载阶段出现跌落的情况。鱼雷在艇上装载振动情况可以参照GJB899A–2009中相关部分进行应力施加。鱼雷实航阶段的振动应力参考相关的标准制定。
在设计试验剖面时,为方便制定,对于振动应力较小的(即W0小于0.1(m/s2)2/Hz)增大到0.1(m/s2)2/Hz。
3.4 电应力分析根据寿命剖面,鱼雷在贮存期间的检修、维护保养,任务期间的射前自检、发射航行都要经受电应力。电应力对鱼雷的影响,一方面,通电时间的长短会影响电子组件的使用寿命。鱼雷在出厂时,设计方会给出电应力的上限电压和下限电压,超过此范围就会造成电子组件性能破坏。另一方面,在高湿度高盐度情况下,通电会增大鱼雷各组件的损伤。
鱼雷在进行通断电循环试验时,要根据实际任务情况输入电压变化循环,一般第1阶段循环电压为1.1倍的标准电压,第2阶段为标准电压,第3阶段为0.9倍的标称电压[9],时间按1:2:1的比例进行施加。
为了真实反映鱼雷的工作状态,在进行通断电循环试验时,要对输入电压进行拉偏,其偏离值为鱼雷使用说明书中要求的上限电压和下限电压。如果产品在通电过程中出现故障,可以中断此循环,重复输入此电压,看故障是否与输入电压有关。
3.5 综合试验剖面的制定根据鱼雷的可靠性试验环境条件分析可以得到温度、湿度、振动及电应力的综合环境可靠性试验剖面,典型的鱼雷可靠性试验剖面如图8所示。
本文从鱼雷寿命、贮存、任务剖面入手,设计出鱼雷在不同时期的剖面图,分析了鱼雷在运输、库房(技术阵地)贮存、艇上装载和实航各个阶段所受到的应力以及各个应力对鱼雷寿命的影响,进而得到制定综合试验剖面必不可少的各个应力数据,最后按照一定的规则对多个任务的应力数据进行处理合成后得到综合试验剖面。该综合试验剖面对于设计鱼雷可靠性试验有指导意义。
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