基于FTA法的79式7.62mm沖鋒槍可靠性分析

王振興， 原梅妮， 張 明， 向豐華

（中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山西 太原 030051）

1 79式7.62 mm沖鋒槍的概述

79式7.62mm沖鋒槍是我國(guó)自主設(shè)計(jì)生產(chǎn)的輕型沖鋒槍?zhuān)谶^(guò)去的30年乃至今天一直是我國(guó)單兵作戰(zhàn)武器中的重要力量。槍械的可靠性是指槍械在規(guī)定操作條件下，保證安全以及在槍械壽命期內(nèi)保持原有性能的能力［1］。可靠性低的武器不但會(huì)降低任務(wù)效能，而且在壽命周期內(nèi)會(huì)增加大量額外的使用和保障費(fèi)用［2］。保證槍械的可靠性就是保證士兵的生命安全，也是提高軍隊(duì)在戰(zhàn)爭(zhēng)中取勝概率的條件。因此對(duì)槍械的可靠性研究是極具現(xiàn)實(shí)意義的工作［3］。

2 79式7.62 mm沖鋒槍的主要及工作原理

79式7.62mm沖鋒槍采用導(dǎo)氣式自動(dòng)方式，槍機(jī)回轉(zhuǎn)式閉鎖。主要機(jī)構(gòu)由閉鎖機(jī)構(gòu)、加速機(jī)構(gòu)、供彈機(jī)構(gòu)、退殼機(jī)構(gòu)、擊發(fā)機(jī)構(gòu)、發(fā)射機(jī)構(gòu)和保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)組成。槍械通過(guò)各個(gè)機(jī)構(gòu)的共同配合完成送彈、閉鎖、擊發(fā)、開(kāi)鎖、退殼一系列動(dòng)作，從而完成槍械的射擊。

自動(dòng)機(jī)裝彈入膛后，通過(guò)擊錘擊打槍機(jī)內(nèi)的機(jī)針撞擊彈丸底部，完成擊發(fā)點(diǎn)火。79式7.62mm沖鋒槍采用的是擊錘回轉(zhuǎn)式擊發(fā)機(jī)構(gòu)，擊針裝在槍機(jī)的擊針孔里，由擊針?shù)N限制前后移動(dòng)行程。當(dāng)槍機(jī)完成推彈入膛后，槍機(jī)前端的擊針縮回到擊針孔內(nèi)并在槍機(jī)框后端露出機(jī)針時(shí)，此刻扣動(dòng)扳機(jī)，解脫擊錘，則撞擊擊針完成擊發(fā)動(dòng)作。

3 79式7.62 mm沖鋒槍的可靠性分析

槍械可靠性是反映槍械的耐用度、可靠程度以及無(wú)故障完成任務(wù)的能力。它反映的是槍械在規(guī)定的使用條件下和使用指標(biāo)下，完成任務(wù)的可靠性［4］。通常槍械可靠度指的是槍械的使用可靠度，即槍械在使用過(guò)程中無(wú)故障的完成在規(guī)定條件下預(yù)定指標(biāo)動(dòng)作的能力。

3.1 槍械可靠性的特征量

槍械可靠性的特征量是用來(lái)表示槍械產(chǎn)品總體可靠性高低的各種可靠性數(shù)量指標(biāo)的總稱(chēng)。對(duì)于一般產(chǎn)品來(lái)說(shuō)可靠性特征可以采取可靠度、失效率、平均壽命作為特征量［5］。對(duì)于槍械這種修理產(chǎn)品來(lái)講，一般采用可靠度來(lái)作為衡量槍械產(chǎn)品總體可靠性高低的數(shù)量指標(biāo)，但為了突出故障特征，可以用失效率來(lái)表示［6］。

3.2 槍械可靠度的計(jì)算

槍械可靠度是指槍械在規(guī)定的條件下和射彈數(shù)內(nèi)，完成規(guī)定功能的概率，一般記為R（t）。由于可靠度是一個(gè)概率值，故R（t）大于零小于1。槍械不可靠度是指槍械在規(guī)定的條件下和射彈數(shù)內(nèi)，未完成規(guī)定功能（即發(fā)生故障）的概率，表示槍械累積故障概率對(duì)時(shí)間的變化率，一般記為F（t）。因?yàn)橥瓿梢?guī)定功能與未完成規(guī)定功能是對(duì)立事件，按概率互補(bǔ)定理可得：

槍械故障率是指工作到某時(shí)刻尚未發(fā)生故障的槍械，在該時(shí)間后單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生故障的概率，一般記為λ（t）。

F的值一般要通過(guò)產(chǎn)品的大量試驗(yàn)來(lái)確定。假設(shè)N0個(gè)產(chǎn)品從0時(shí)刻開(kāi)始在規(guī)定的條件下連續(xù)工作，r（t）表示時(shí)間從0到t產(chǎn)品累積失效個(gè)數(shù)，則從0到t時(shí)刻產(chǎn)品的累積失效概率為：

從而可知可靠度為：

由此可知：

r（t）和R（t）均是（0，∞］區(qū)間內(nèi)的單調(diào)函數(shù)。

3.2.1 失效率（故障率）

失效率是指工作到某時(shí)刻尚未失效的產(chǎn)品，在該時(shí)刻后單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生失效的概率，記作λ（t），易知λ（t）可表示為：

式中：Ns（t）為表示t時(shí)刻尚未失效的產(chǎn)品數(shù)，則Ns（t）＝N0－r（t）；dr（t）為t時(shí)刻后，在dt時(shí)間內(nèi)失效的產(chǎn)品數(shù)。

3.2.2 平均壽命

平均壽命是壽命特征量的一種，常見(jiàn)的壽命分析包括平均壽命、可靠壽命、中位壽命和特征壽命。而平均壽命是產(chǎn)品壽命分布的集中趨勢(shì)的尺度，是產(chǎn)品壽命體現(xiàn)的較好方式，對(duì)于不同性質(zhì)產(chǎn)品的意義是不一樣的。對(duì)于不可修復(fù)的產(chǎn)品，發(fā)生失效即意味著產(chǎn)品壽命終止，那么它的平均壽命是實(shí)際使用壽命，即產(chǎn)品失效前正常使用的時(shí)間，簡(jiǎn)稱(chēng)TMTF。而對(duì)于可修復(fù)的產(chǎn)品，平均壽命是修復(fù)前所使用的時(shí)間，即兩次相鄰發(fā)生的故障之間正常工作的時(shí)間，也常被稱(chēng)為無(wú)故障工作時(shí)間，簡(jiǎn)稱(chēng)TMBF。

通過(guò)兩種不同產(chǎn)品的定義可知，槍械屬于可修復(fù)產(chǎn)品，平均壽命指的是兩次相鄰故障間的平均工作時(shí)間。平均壽命的估計(jì)值為所有產(chǎn)品的工作時(shí)間與總失效產(chǎn)品數(shù)的比值。

設(shè)樣品總數(shù)為n，全部試驗(yàn)到失敗，把它們的n個(gè)壽命觀測(cè)值分為K組，每組為Δnfj，并以每組的壽命組中值ti作為該組樣品的工作時(shí)間，則樣品總的工作時(shí)間可近似的表示為ΣtiΔnfj，則平均壽命的估計(jì)值為：

3.3 79式7.62mm沖鋒槍的故障分析

槍械故障是指槍械或槍械的一部分，不能或?qū)⒉荒芡瓿深A(yù)定功能的時(shí)間或狀態(tài)。槍械加權(quán)故障是指實(shí)際故障數(shù)和故障加權(quán)系數(shù)相結(jié)合后的故障數(shù)。它是評(píng)價(jià)槍械可靠性中故障率的指標(biāo)。

3.3.1 79式7.62mm沖鋒槍的故障形式

79式7.62mm沖鋒槍的故障形式是基于南京理工大學(xué)祝玉平的《影響79式7.62mm輕型沖鋒槍壽命的原因分析研究》文章中針對(duì)79式?jīng)_鋒槍進(jìn)行的132支［8］。試驗(yàn)中出現(xiàn)破損的槍支60支（107件次），有些破損是在按規(guī)定指標(biāo)進(jìn)行的壽命試驗(yàn)考核合格后為考核壽命極限進(jìn)行的超壽命期試驗(yàn)中發(fā)生的，射彈發(fā)數(shù)在5 000發(fā)以外的均是超壽命期試驗(yàn)。這些破損共發(fā)生在機(jī)框、擊針、機(jī)心、結(jié)套、機(jī)匣、活塞、限制片簧、擊錘、彈匣套、準(zhǔn)星座、擊針?shù)N、襯鐵等12個(gè)零（部）件上。其中最嚴(yán)重的是機(jī)框、擊針、機(jī)心、結(jié)套等8個(gè)零（部）件。故障分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以及79式7.62mm沖鋒槍的主要故障形式如下頁(yè)表1所示。

3.3.2 79式7.62mm沖鋒槍的平均壽命計(jì)算

79式?jīng)_鋒槍屬于可修復(fù)產(chǎn)品，因此根據(jù)前文中槍械平均壽命的估計(jì)值公式對(duì)79式?jīng)_鋒槍的平均壽命進(jìn)行估計(jì)。根據(jù)祝玉平的《影響79式7.62mm輕型沖鋒槍壽命的原因分析研究》文章中針對(duì)79式?jīng)_鋒槍進(jìn)行的132支79式?jīng)_鋒槍的壽命測(cè)試由試驗(yàn)的結(jié)果計(jì)算平均壽命。

樣品總數(shù)為132，107支試驗(yàn)到失敗，把壽命觀測(cè)數(shù)據(jù)分為8組，每組個(gè)數(shù)為不同失效形式的個(gè)數(shù)和全壽命的個(gè)數(shù)，以每組的壽命組中值作為該組樣品的工作時(shí)間。從統(tǒng)計(jì)表中找到槍機(jī)框壽命的中值為3 360發(fā)，共31組數(shù)據(jù)；擊針壽命的中值為4 929發(fā)，共13組數(shù)據(jù)；機(jī)心壽命的中值為5 000發(fā)，共24組數(shù)據(jù)；結(jié)套壽命的中值為5 000發(fā)，共19組數(shù)據(jù)；活塞壽命中值為3 314，共6組數(shù)據(jù)；機(jī)匣壽命中值為3 360，共5組數(shù)據(jù)；五個(gè)零件壽命的中值為4 000，共5組數(shù)據(jù)；限制片簧壽命中值為3 755發(fā)，共4組數(shù)據(jù)。

表1 79式7.62mm沖鋒槍壽命測(cè)試專(zhuān)項(xiàng)實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)

由主要構(gòu)件壽命的中值估計(jì)79式7.62mm沖鋒槍的平均壽命為：

根據(jù)79式7.62mm沖鋒槍的專(zhuān)項(xiàng)測(cè)試結(jié)果，通過(guò)相關(guān)公式進(jìn)行計(jì)算，得出79式?jīng)_鋒槍的平均壽命為4251.8發(fā)。

4 79式7.62 mm沖鋒槍可靠度計(jì)算

FTA分析法是以系統(tǒng)不能正常工作（即總體故障）為分析的目標(biāo)，通過(guò)分析總系統(tǒng)下屬的子系統(tǒng)是否出現(xiàn)故障、故障出現(xiàn)的原因，推斷系統(tǒng)內(nèi)所有子系統(tǒng)及部件可能存在的失效，通過(guò)整理總系統(tǒng)與子系統(tǒng)及部件間的關(guān)系，將總系統(tǒng)與子系統(tǒng)出現(xiàn)故障的聯(lián)系用樹(shù)狀圖表示出來(lái)的分析方法。

應(yīng)用FTA法79式7.62mm沖鋒槍的可靠性進(jìn)行分析，結(jié)合南京理工大學(xué)祝玉平的《影響79式7.62mm輕型沖鋒槍壽命的原因分析研究》文章中132支79式7.62mm沖鋒槍的壽命測(cè)試的專(zhuān)項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)。對(duì)79式7.62mm沖鋒槍的可靠性進(jìn)行分析及計(jì)算。

4.1 79式7.62mm沖鋒槍故障形式的樹(shù)狀圖

將79式?jīng)_鋒槍實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的故障形式，圖1～3所示。

圖1 機(jī)框故障樹(shù)狀圖

圖2 機(jī)心故障樹(shù)狀圖

圖3 機(jī)匣故障樹(shù)狀圖

4.2 79式7.62mm沖鋒槍的可靠度計(jì)算

79式7.62mm沖鋒槍的規(guī)定壽命為5 000發(fā)。槍械能夠完成規(guī)定功能的概率，一般記為R（t）。槍械不可靠度是指槍械在規(guī)定的條件下和規(guī)定的射彈數(shù)內(nèi)，未完成規(guī)定功能的概率，一般記為F（t）。因?yàn)橥瓿梢?guī)定功能與未完成規(guī)定功能是對(duì)立事件，因此：

假設(shè)N0個(gè)產(chǎn)品從0時(shí)刻開(kāi)始在規(guī)定的條件下連續(xù)工作，r（t）表示時(shí)間從0到t產(chǎn)品累積失效個(gè)數(shù)，則從0到t時(shí)刻產(chǎn)品的累積失效概率為：

根據(jù)79式7.62mm沖鋒槍的專(zhuān)項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中各項(xiàng)機(jī)構(gòu)的故障統(tǒng)計(jì)表（表1）對(duì)各機(jī)構(gòu)的故障率進(jìn)行計(jì)算可知，132支沖鋒槍在規(guī)定射擊條件射擊數(shù)不達(dá)5 000發(fā)的機(jī)框損壞有21件，擊針有8件，機(jī)心11件，結(jié)套8件，活塞6件，機(jī)匣5件，五個(gè)零件5件，限制片彈簧3件。

經(jīng)計(jì)算，單個(gè)機(jī)構(gòu)故障率分別為0.841，0.939，0.917，0.939，0.955，0.962，0.970，0.977。

則79式7.62mm沖鋒槍在射擊5 000發(fā)系統(tǒng)的可靠度為：

79式7.62mm沖鋒槍在規(guī)定射擊條件射擊數(shù)不達(dá)4 000發(fā)的機(jī)框損壞有19件，擊針有6件，機(jī)心5件，結(jié)套4件，活塞4件，機(jī)匣4件，五個(gè)零件4件，限制片彈簧1件。

因此79式?jīng)_鋒槍射擊4 000發(fā)的可靠度為：

圖4 可靠度曲線

圖5 故障率曲線圖

應(yīng)用機(jī)構(gòu)平均失效時(shí)間法，計(jì)算79式7.62mm沖鋒槍的單發(fā)可靠度。79式?jīng)_鋒槍由8個(gè)子系統(tǒng)串聯(lián)構(gòu)成，計(jì)算各子系統(tǒng)的平均失效時(shí)間。由專(zhuān)項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的故障統(tǒng)計(jì)表可知機(jī)框的平均失效時(shí)間為4 637發(fā)，擊針的平均失效時(shí)間為4 935發(fā)，機(jī)心平均失效時(shí)間為4 878發(fā)，結(jié)套平均失效時(shí)間為4 955發(fā)，活塞平均失效時(shí)間為4 921發(fā)，機(jī)匣平均失效時(shí)間為4 914發(fā)，五個(gè)零件的平均失效時(shí)間為4 970發(fā)，限制片彈簧平均失效時(shí)間為4 969發(fā)。則系統(tǒng)失效率為：

單發(fā)設(shè)計(jì)可靠度為：1－λ＝0.989；

平均失效時(shí)間為1／λ＝611.89≈612發(fā)；

即平均612發(fā)可能會(huì)出現(xiàn)一處故障。

5 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合79式?jīng)_鋒槍壽命專(zhuān)項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果，應(yīng)用FTA法分析了79式?jīng)_鋒槍的主要故障形式，并將各機(jī)構(gòu)的故障形式繪制成樹(shù)狀圖；以各機(jī)構(gòu)的故障統(tǒng)計(jì)表為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并對(duì)故障統(tǒng)計(jì)表中的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，79式7.62mm的平均壽命為4251發(fā)；完成5 000發(fā)射擊的可靠度為0.529，完成4 000發(fā)射擊的可靠度為0.696；應(yīng)用平均失效時(shí)間法計(jì)算其單發(fā)可靠度為0.989，可能出現(xiàn)故障的時(shí)間間隔為612發(fā)。

以上說(shuō)明79式7.62mm沖鋒槍具有很高的可靠度，計(jì)算結(jié)果符合真實(shí)情況，優(yōu)良的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)仍是后續(xù)槍械設(shè)計(jì)的可靠參考方案。

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