基于備件分析的飛機(jī)最經(jīng)濟(jì)飛行強(qiáng)度選擇

林 琳，王亮亮

（中國電子科學(xué)研究院，北京 100041）

引言

飛機(jī)的壽命周期費用是在飛機(jī)預(yù)期壽命內(nèi)，采購、使用、維護(hù)（暫不考慮報廢）所花費的費用之和[1]。在飛機(jī)設(shè)計階段所做出的決策最有可能降低飛機(jī)的壽命周期費用，這時整個綜合保障系統(tǒng)正在設(shè)計，且對飛機(jī)的設(shè)計易作出更改，而到了生產(chǎn)階段做出的任何設(shè)計調(diào)整都要花費較大的成本。對于飛機(jī)來說，其壽命周期可以長達(dá)三十年，使用保障費用最終將大于采購飛機(jī)本身所用到的費用。從用戶角度來看，采購費用是一次性的、可見的，而飛機(jī)的使用維護(hù)費用是預(yù)見的、未知的，因此在設(shè)計時確定的飛機(jī)最經(jīng)濟(jì)飛行強(qiáng)度十分必要。

飛機(jī)的使用維護(hù)成本主要包括使用過程中的各種充、填、加、掛造成的物資消耗和人力成本，以及維護(hù)維修過程中各種航材和人力的消耗。

因在飛機(jī)設(shè)計一定的情況下，飛機(jī)采購成本一定，本文基于備件分析來計算使用維護(hù)成本。將使用維護(hù)成本分為使用成本、材料成本以及人力成本，并將人力成本按照航材的成本進(jìn)行折算。

目前，在計算使用維護(hù)成本時常忽略的問題有：

1）未包含壽命周期內(nèi)定檢的費用；

2）未包含有壽件更換的費用；

3）備件配置方案不盡合理，僅從單因素考慮可靠性對備件采購的影響來確定備件數(shù)量。

飛行小時的使用維護(hù)成本直接關(guān)系到用戶對飛行的使用感受，同時也直接影響飛機(jī)的市場競爭力。本文針對不同類型的備件，利用針對性的方法計算出不同飛行強(qiáng)度下的使用維護(hù)成本，從而為最優(yōu)飛行強(qiáng)度的選擇提供決策依據(jù)。

1 單位飛行小時使用維護(hù)成本

飛機(jī)的飛行強(qiáng)度通常以年飛行小時來衡量，不同飛行強(qiáng)度下使用維護(hù)成本是不同的，為了找出飛行強(qiáng)度與使用維護(hù)成本之間的關(guān)系，在滿足用戶需求的前提下選擇合理的飛行強(qiáng)度，以達(dá)到單位飛行小時下使用維護(hù)成本最為經(jīng)濟(jì)。

將飛機(jī)的使用維護(hù)成本細(xì)分為三部分：

使用維護(hù)成本=①材料成本+②人力成本+③使用成本

對于使用成本而言，主要考慮使用過程中的油料消耗和耗材消耗，油料消耗即燃油消耗，耗材消耗包括滑油、冷卻液、液壓油等的消耗。

對于人力成本主要分為日常使用的人力成本、日常維護(hù)的人力成本、排故的人力成本。日常使用的人力成本、日常維護(hù)的人力成本與飛行強(qiáng)度成正比，單機(jī)單位時間的日常使用和維護(hù)成本為常數(shù)。排故的人力成本，根據(jù)國內(nèi)航空領(lǐng)域經(jīng)驗，排故過程中人力與備件（航材）的成本的比例大致為1:4，因此以備件（航材）成本為分析對象，人力成本取備件（航材）成本的25%。

對于材料成本，即航材成本，是整個使用維護(hù)成本的分析的關(guān)鍵。但航材的配置不盡合理，配備的長時間用不到，而沒有配置的備件卻常常發(fā)生短缺。從美軍艦船備件使用率的情況來看，隨艦配備的航材只有20%用到，而發(fā)生故障時卻有近80%的航材無法得到滿足。據(jù)美國空軍2004年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，60%的停飛是由于用于直接維修的消耗件短缺造成的。因此本文先梳理了航材的種類，再根據(jù)各種不同種類航材的特點給出成本的計算方法。

2 航材（即備件）的種類

備件指在飛機(jī)全壽命周期內(nèi)，為了保持和恢復(fù)系統(tǒng)的設(shè)計性能，并完成任務(wù)需求，所必需的備用組件、維修零備件等。按照裝機(jī)件清單分析得到飛機(jī)的備件清單，具體流程如圖1所示。

如圖，備件主要分為隨機(jī)備件、耗材、有壽件、初始及后續(xù)備件[2]：

1）隨機(jī)備件

圖1 備件確定的流程圖

隨機(jī)備件顧名思義即隨飛機(jī)一同交付給用戶的備件，散裝件、消耗件、修理用零備件等通常考慮列為隨機(jī)備件。隨機(jī)備件清單根據(jù)RCMA和MTA結(jié)果或相似設(shè)備配套供應(yīng)經(jīng)驗匯總各種散裝件和消耗品供應(yīng)數(shù)量得到。隨機(jī)備件主要有：

①各種緊固件，如：螺釘、螺栓、螺帽、鉚釘、卡鎖、扣銷等；

②各種軸承，如：滾動軸承、滾珠軸承等；

③各種防松件，如：圓錐、圓柱銷和銷軸等；

④各類密封件；各類保險絲和保安器，指示燈等；

⑤各種保險絲和保安器，指示燈等；

⑥各種修理用零備件：如碳刷等。

2）耗材

①各種潤滑油（脂）和各類冷卻液等；

②飛機(jī)輪胎；

③各類維護(hù)用品，如：液晶屏的清洗紗布和清洗劑等。

3）有壽件

有壽件，為預(yù)防性維修更換或報廢期限的件及可以預(yù)計使用壽命的件，亦稱限壽件。由RCMA分析得到的定期需更換，因此通常單獨訂貨。

有壽件包括部分結(jié)構(gòu)組件、部件和設(shè)備，如各種軟管、滅火瓶、發(fā)電機(jī)軸承等。

4）初始及后續(xù)備件

初始備件及后續(xù)訂貨備件通常是指大的更換件（如部件、模件等），而機(jī)械結(jié)構(gòu)、線纜和軟件不包含在內(nèi)，初始備件及后續(xù)訂貨備件有時也被稱為備品。通過分析裝機(jī)件中可以在外場直接更換的單元LRU、在內(nèi)場可更換的單元SRU，得到LRU、SRU清單。通過備件數(shù)量的配置優(yōu)化分析，在一定保障站點配備一定數(shù)量的LRU和SRU（其數(shù)量可以為0），即得初始備件、后續(xù)訂貨備件。

3 隨機(jī)備件、耗材成本

隨機(jī)備件，即各種消耗件，其每幾年再次訂貨更新，需要量為當(dāng)單架機(jī)年飛行小時除以再次訂貨的間隔，乘隨機(jī)備件初始數(shù)量，再加上20%的安全余量。隨機(jī)備件的成本PA如下式所示：

式中：T為單架機(jī)年飛行小時數(shù)，TP為再次訂貨間隔，QTYA為隨機(jī)備件初始數(shù)量，PA為隨機(jī)備件單價，LIFE為飛機(jī)壽命周期年。

耗材的費用確定需要計算每項耗材的消耗標(biāo)準(zhǔn)，消耗標(biāo)準(zhǔn)按照一次性使用的消耗器材每飛行100小時的消耗標(biāo)準(zhǔn)，據(jù)此確定耗材的年需要量，在訂貨時為了預(yù)防突發(fā)情況需增加20%的安全余量。消耗標(biāo)準(zhǔn)確定后每年依照統(tǒng)計情況對各項耗材的消耗標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行確認(rèn)。耗材使用維護(hù)費用PM如下式所示：

式中：T為單架機(jī)年飛行小時數(shù)，S為消耗標(biāo)準(zhǔn)，PM為耗材單價，LIFE為飛機(jī)壽命周期年。

4 有壽件成本

飛機(jī)的有壽件在其壽命周期內(nèi)，有兩種維護(hù)的方式，第一種是到壽命直接更換，比如軟管等橡膠件、救生設(shè)備、滅火瓶等；另一種是在翻修期到達(dá)后對其進(jìn)行翻修，經(jīng)過一次或多次翻修后有壽件到達(dá)壽報廢，更換新件，該種情況通常是一些較大的組件，如發(fā)動機(jī)、發(fā)電機(jī)等。

設(shè)有壽件成本總費用為PL，等于翻修總費用和更換總費用之和，若計算第一種情況的有壽件將翻修費用取零即可。

更換總費用=設(shè)備更換次數(shù)×飛機(jī)數(shù)量×單架機(jī)設(shè)備裝機(jī)數(shù)量×備件采購費用

翻修總費用=設(shè)備翻修次數(shù)×飛機(jī)數(shù)量×單架機(jī)設(shè)備裝機(jī)數(shù)量×單次翻修費用

因此費用計算主要取決于翻修次數(shù)和更換次數(shù)的計算，從載荷強(qiáng)度上有三種評判標(biāo)準(zhǔn)，分別為飛行小時（FH）、裝機(jī)日歷時間（TIME）和起落次數(shù)（CYC）。將裝機(jī)日歷時間、起落轉(zhuǎn)換成在年飛行小時，比較取最小值即可。

設(shè)備更換次數(shù)=XX年飛行小時/min{FH更換、TIME更換、CYC更換}

設(shè)備翻修次數(shù)=XX年飛行小時/min{FH翻修、TIME翻修、CYC翻修}-設(shè)備更換次數(shù)

單次翻修費通常為采購費用的一定比例，參考國際翻修費用的統(tǒng)計，設(shè)定單次翻修費用為采購費用的30%。

舉例某型交流發(fā)電機(jī)，該發(fā)電機(jī)每先到2200FH或6日歷年或1300起落，需要返回承制廠更換軸承，翻修2次后報廢。在年飛行強(qiáng)度為500FH時，日歷時間6年（換算為500FH×6=3000FH），1300次起落（1300×3FH=3900FH，按每次飛行3小時），因2200FH<3000FH<3900FH，得2200FH飛行小時為判定標(biāo)準(zhǔn)，計算得30年飛機(jī)壽命周期內(nèi)需2次更換、4次翻修。

按照以上方法計算可得有壽件的費用，例如年飛行強(qiáng)度500FH/Year、飛機(jī)總壽命30年有壽件的翻修次數(shù)和更換次數(shù)舉例如表1和表2所示。其中，序號1的有壽件，不更換，需翻修7次；序號2的有壽件更換1次，翻修4次；序號3的有壽件，不更換，需翻修7次。在得到翻修次數(shù)、更換次數(shù)后，可求得有壽件的維護(hù)總費用。

5 初始備件和周轉(zhuǎn)備件成本

初始備件配置設(shè)計方法應(yīng)綜合考慮備件可靠性和價格雙方面的因素，在一定的費用的情況下達(dá)到最佳的系統(tǒng)可用度的配置。例如以多級備件優(yōu)化模型為基礎(chǔ)，應(yīng)用邊際優(yōu)化原理進(jìn)行的多級備件優(yōu)化，在美軍及北約軍事組織廣泛開展應(yīng)用[3]。

表1 有壽件翻修次數(shù)

表2 有壽件更換次數(shù)

通過對算法進(jìn)行改進(jìn)，采用一種改進(jìn)的分層邊際優(yōu)化算法，用以提高算法的優(yōu)化效率。計算每年備件的需求率，即可得壽命周期內(nèi)的備件采購費用。

設(shè)n為維修站點編號，i為初始周轉(zhuǎn)備件編號，初始周轉(zhuǎn)備件i在n站點需求率為λni[4]。

式中：NRTSnl為在維修站點n不能對可修復(fù)件i進(jìn)行修復(fù)的比例；qnli為故障隔離率。

初始周轉(zhuǎn)備件的需求率計算根據(jù)（3）式進(jìn)行遞推在基層級（O-level）進(jìn)行，則LRUi在基層級（O-level）的年平均需求率，其中n∈Echelon(N)，i∈Inden(1)，則：

其中：DCi為占空比；RIPi為基層級（O-level）維修率；HWn為飛機(jī)的平均周飛行小時；Zi為初始周轉(zhuǎn)備件i的裝機(jī)數(shù)量；Nn為裝備配置量；MTBFi為初始周轉(zhuǎn)備件i的平均故障間隔時間；RtOKi為測試性的重測率。

6 案例

由4架飛機(jī)組成的機(jī)群部署在同一站點，在不同飛行強(qiáng)度下隨機(jī)備件、耗材、有壽件、初始備件的費用情況如表3。

根據(jù)表3計算得單位飛行時間成本，可繪制單位飛行時間成本與飛行強(qiáng)度之間的關(guān)系圖，即圖2。如圖可知，單位飛行時間成本成波浪型下降，而并非直線的線性下降。當(dāng)年飛行強(qiáng)度為500FH時，單位飛行時間成本達(dá)到了最經(jīng)濟(jì)的成本5.15萬元，而當(dāng)飛行強(qiáng)度進(jìn)一步增加時，單位飛行時間成本反而增加了。

導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因，主要有壽件的采購和翻修隨著年飛行強(qiáng)度的增加有所變化而決定。當(dāng)年飛行強(qiáng)度在300h/y時，由于發(fā)動機(jī)等大型有壽件在全壽命周期內(nèi)需要多更換一次，并增加一次大修更換了大量有壽件，因此采購費用有了明顯的增加，同樣的情況在年飛行強(qiáng)度超過500h/y時發(fā)生。

表3 飛機(jī)使用維護(hù)成本匯總表

圖2 使用維護(hù)成本與飛行強(qiáng)度關(guān)系圖

7 結(jié)論

本文通過將飛機(jī)的使用維護(hù)成本折算成航材成本，將不同航材類型進(jìn)行了梳理，針對不同的航材成本提出的工程計算方法，并進(jìn)行分別計算和分析，最終得到單位飛行小時的使用維護(hù)費用與年飛行強(qiáng)度的關(guān)系曲線，從而給出在設(shè)計可達(dá)的飛行強(qiáng)度區(qū)間段的最為經(jīng)濟(jì)合理的飛行強(qiáng)度。本文提出的方法，可用于設(shè)計階段預(yù)先評估飛機(jī)的使用維護(hù)的成本，確定設(shè)計飛機(jī)的目標(biāo)飛行強(qiáng)度。

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