基于歷史數據的火箭武器故障分析研究*

王小召，張建新，張 震，徐 卓，楊園園，孫麗紅

(湖北江山重工有限責任公司，湖北襄陽 441005)

0 引言

隨著火箭武器自動化、信息化和智能化程度不斷提升，火箭武器的復雜程度越來越高[1]，由于系統構成環節和影響因素的增加，發生故障和功能失效的概率逐漸加大[2]。同時，現代戰爭對武器系統快速反應和機動作戰能力的要求越來越高，對火箭武器的可靠性提出更高的要求，因此，火箭武器復雜度和可靠性之間的矛盾日益突出，逐漸成為火箭武器發展的瓶頸，亟待解決。

目前，對火箭武器故障的研究較少，主要集中在插拔機構[3]、火控[4-5]和傳動機構[6-7]等重要部件，且多數為故障檢測和仿真分析[8]，尚沒有對火箭武器系統故障及其規律的研究。可靠性設計也主要依賴于設計者的經驗，而經驗常帶有主觀性和片面性，從而造成設計反復、資源浪費和武器系統性能發揮不充分等不良影響。

隨著科技的進步，智能化、無人化也將成為火箭武器發展的方向，故障的智能診斷和預測將成為提高武器系統生存率和提高后勤保障效率的重要手段。基于大數據的故障智能預測應用越來越廣泛[9]， 必然要求對火箭武器的故障數據進行分類、處理，并以此建立數據庫，這些都離不開對火箭武器系統故障的認識。

為深化對火箭武器故障的認識，在對某型號火箭炮歷史故障數據進行全面收集并建立數據庫的基礎上，對火箭炮故障進行分類研究。通過研究得到了火箭武器故障發生發展的規律，總結了故障原因并進行了故障分類，對火箭武器的維修性、可靠性、測試性設計及維護保養決策等具有重要指導意義。同時，為火箭武器故障預測和健康管理[10]等技術的發展提供了重要的數據支撐。

1 火箭武器系統及其故障

1.1 組成結構

以某型火箭武器系統為研究對象，其高低機和支撐機構采用液壓機構，方向機為伺服電機；底架固定器和行軍固定器采用氣動方式驅動。按工作原理，將系統分為4個分系統：機械系統、電氣系統、氣動系統和液壓系統。

1.2 故障數據庫

對使用過程中的故障數據和售后服務數據進行統計梳理，建立了火箭武器故障數據庫，其數據結構形式見表1。

表1 故障數據結構

表1中，故障模式是梳理的故障；故障時間為武器系統累計使用時間；故障位置分為分系統和部件兩個部分，各由兩位編碼表示，是工廠使用代碼；故障原因和維修方法是技術人員的分析結果。

表中的嚴酷程度是按照故障對功能和安全的影響程度進行分類，將故障分成3級：

Ⅰ級故障：對產品的使用、維修或保管等有關人員會造成危害或不安全，以及對產品的基本功能有致命影響的故障；

Ⅱ級故障：不構成致命故障，但很可能造成或嚴重降低產品使用性能的故障；

Ⅲ級故障：不構成嚴重故障，只對產品的使用性能有輕微影響或幾乎沒有影響的故障。

2 故障統計分析

2.1 故障時間特性

對不同時間段故障數量進行統計，得到故障發生數量隨時間的變化規律，如圖1所示。

圖1 故障發生數量隨時間分布規律

由圖1可以看出，故障數量的整體分布符合浴盆曲線。早期失效期故障數量的峰值出現在300～400 h之間，在此之前可以安排一次大范圍的檢查保養，以免故障影響擴大而造成更嚴重的后果，從而減小經濟損失，提高武器系統可靠性。

2.2 故障分布情況

通過統計不同位置故障數量，得到了故障在武器各分系統的分布規律，如圖2所示。分系統中的故障分布分別如圖3～圖6所示。

圖2 故障總體分布

由圖2可知，電氣系統的故障數量最高，達到總量的49.07%。實際上，在該武器系統中電氣系統的復雜程度也是最高的。

圖3 機械系統故障及分布

由圖3可知，機械系統故障中漏油故障的比例最高，達37.18%，其原因中密封件損壞占比高達76.67%。位于第二位的故障為零部件損壞，其原因中外力損壞占比為41.67%，火箭武器系統的工作環境較為惡劣，裸露零部件易遭受外力破壞。由于裝配造成的機械故障占比達20.51%，應當注意系統裝配的工藝性。

由圖4可以看出，電氣系統故障主要為器件損壞和線路連接故障，分別占比48.42%和32.11%。火箭武器系統所要求適應的極端惡劣環境條件，對電子器件的要求更加苛刻，器件故障在整個電氣系統中分布廣泛，尤其是集成電路故障，其數量占器件損壞故障總量的23.66%。因此，在選擇電氣功能模塊時，應提高要求和標準，適當采取冗余設計措施。連接線路故障中電纜損壞和接頭損壞比例分別為59.02%和40.98%，設計時應當更加優化布線方式和保護措施。

圖4 電氣系統故障及分布

圖5 氣動系統故障及分布

由圖5可以看出，氣動系統80%的故障為漏氣，漏氣的原因為氣管損壞和接頭松動，分別占72.73%和7.27%。氣管大多布置在汽車底盤的底部，易受到環境中其它物質的侵蝕。

由圖6可以看出，漏油是液壓系統的主要故障，占分系統總故障的60.27%，主要原因為密封件失效、連接松動和油管破裂。設計時需重視密封方式和材料的選擇以及油路的保護。火箭武器的行駛路況復雜，振動劇烈，容易造成緊固連接的松動，應注重防松設計。

圖6 液壓系統故障及分布

2.3 故障嚴酷度分析

不同嚴酷度等級故障中各系統所占比例如圖7所示。

圖7 武器系統故障嚴酷度分布

結合圖3和圖7可以看出，機械系統故障數量雖多，但故障影響較低，整體來看其可靠性較高。

結合圖5和圖7可以看出，氣動系統故障雖然在整個武器系統故障中占比較小，但其大多為Ⅰ級和Ⅱ級故障，影響較大。

從圖7中故障嚴酷度分布可以看出，Ⅰ級和Ⅱ級故障中電氣系統故障分別占77.53%和48.88%。電氣系統應當是火箭武器系統維護保養和可靠性設計的重心。

3 故障原因分析

由2.2節分析可知，故障的主要原因為零件的失效和裝配關系的失效。零部件的失效主要表現為零部件的損壞。裝配關系失效主要表現為連接關系和裝配關系兩個方面。

故障機理是指導致故障的物理、化學或其它過程。通常指最低層次上的一些直接原因。火箭武器零部件的失效機理主要表現為：

1)磨損

引起磨損的可能原因是制造材料性質、制造缺陷、超過規定限度使用、缺乏維護、操作不當等。

2)疲勞

火箭武器中由疲勞引起的故障主要表現為傳動軸、齒輪、聯接鍵等周期性受力零件的失效。電子元器件受到長期的振動沖擊，也易產生疲勞失效。

3)老化

老化是密封墊、氣管等非金屬件和電子元器件失效的一個重要原因。

4)腐蝕

腐蝕除了跟環境因素有關外，主要原因是制造工藝缺陷和缺乏維護。

5)外力

外力損壞是火箭武器裸露零部件失效的一個重要原因。由于操作使用不當導致零部件所承受的載荷超出規定值，引起失效。

火箭武器裝配關系失效的機理主要為：

1)振動

振動是引起連接松動的原因之一，包括行軍時的振動和射擊時的沖擊振動等。

2)制造誤差

制造誤差使零件一致性變差，在相同裝配條件下，可能會導致裝配關系的不一致，如角傳感器零漂和誤差不一致等。

3)環境溫度劇烈變化

溫度的劇烈變化導致不同材料產生不同的伸縮量，從而引發裝配關系變化。

4)磨損

磨損導致裝配關系變化而引起功能異常。

4 故障分類

由2.2節和2.3節的分析可知，電氣系統故障率和故障嚴酷度均較高。因此，以電氣系統為例，討論故障分類方式。

電氣系統由多種大量電子元器件串聯或并聯組成相應的功能模塊，功能模塊再經過串并聯完成特定的功能，因而，在電氣系統中故障容易產生“多米諾效應”而引發多重故障，一個電子元器件的故障可能會引起整個系統功能失效。

根據電氣系統的架構和工作原理，結合2.2節故障統計分析，按照功能實現的分類原則可將故障分成4類：

第一類故障為武器系統主要功能故障，是系統直接反饋給用戶的故障現象，包括不能調炮、支撐裝置不能放列、行軍固定器無法鎖緊/解脫等。

第二類故障為分系統功能故障，其上一層故障影響為第一類故障，包括供配電故障、驅動控制故障、聯鎖控制故障等。

第三類故障為功能模塊故障，其上一層故障影響為第二類故障，包括電源并網功能失效、電機失效、電機驅動器失效、人機交互故障、通信故障等。

第四類故障為零部件故障，是保障人員進行維修的最小單元故障(表1所示的故障原因)，其上一層故障影響為第三類故障，包括啟動電阻損壞、調壓器損壞、線纜短路、線纜斷路、二極管損壞、保險管損壞、繼電器損壞、傳感器損壞等。

5 結束語

根據部隊和售后技術人員提供的某型號火箭武器系統的故障數據，建立了故障數據庫，統計了故障在時間和空間上的分布以及不同嚴酷度等級故障在各系統的分布，分析了故障原因及故障分類方式，結果表明： 1)早期失效期故障數量的峰值出現在300～400 h之間，可據此制定維護保養決策。2)氣動系統雖然故障數量少，但故障影響均較大，不可忽略。3)漏油故障是機械系統和液壓系統的主要故障，雖然大多數短期影響較小，但長期影響較大，應該作為重點進行技術攻關。4)電氣系統故障數量大，嚴酷度等級高，影響最為惡劣，電子器件損壞和線路連接故障為主要原因。5)在實際項目中，若對火箭武器系統實施故障檢測、預測等，應當以電氣系統為重點，以期達到最優效果。6)電氣系統故障可按功能層次進行分類，有助于進行故障模式及影響分析和可靠性、維修性設計。