基于狀態(tài)的維修在飛機外場維修保障中的應(yīng)用研究

吳 超，李 雅

(中國飛行試驗研究院，陜西 西安 710089)

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基于狀態(tài)的維修在飛機外場維修保障中的應(yīng)用研究

吳 超，李 雅

(中國飛行試驗研究院，陜西 西安 710089)

主要介紹了國外狀態(tài)維修的發(fā)展趨勢，從狀態(tài)維修概念、狀態(tài)維修系統(tǒng)工作流程等方面進(jìn)行了較為詳細(xì)的介紹。在剖析試飛階段飛機外場維修保障的現(xiàn)狀及其不足的基礎(chǔ)上，運用基于狀態(tài)的維修分析技術(shù)，進(jìn)行了飛機外場維修方案優(yōu)化和維修間隔優(yōu)化方法研究，并給出了應(yīng)用實例，期望能推動基于狀態(tài)的維修在飛機外場試飛維修保障中的推廣和應(yīng)用。

基于狀態(tài)的維修；維修保障；維修方案優(yōu)化；維修間隔優(yōu)化

0 引言

基于狀態(tài)的維修(Condition Based Maintenance，CBM)是美國國防部近年來大力推行的維修策略，擴展稱為CBM+。美軍在CBM的目標(biāo)、環(huán)節(jié)、工作過程等方面進(jìn)行了系統(tǒng)的研究工作。隨著武器裝備的日趨復(fù)雜及信息化程度的不斷提高，裝備維修工作重點已由傳統(tǒng)的以機械修復(fù)為主逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橐孕畔?裝備狀態(tài)監(jiān)控信息，故障檢測、隔離和預(yù)測信息，維修資源信息等)的獲取、處理和傳輸并做出維修決策為主。美軍一直以來所采用的“定期維修”、“預(yù)防性維修”等維修方式已無法適應(yīng)裝備維修保障模式的轉(zhuǎn)變。為此，美軍于20世紀(jì)90年代末開始對其維修工作進(jìn)行全面改革，大力發(fā)展裝備狀態(tài)維修技術(shù)。從CBM在美軍裝備維修中的應(yīng)用情況看，CBM能夠大大提高裝備的戰(zhàn)備完好性，顯著降低維修費用，是實現(xiàn)武器裝備精確維修的重要途徑。

本文在剖析試飛階段飛機外場維修保障的現(xiàn)狀及其不足的基礎(chǔ)上，運用基于狀態(tài)的維修分析技術(shù)，進(jìn)行了飛機外場維修方案優(yōu)化和維修間隔優(yōu)化方法研究，并給出了應(yīng)用實例，期望能推動基于狀態(tài)的維修在飛機外場試飛維修保障中的推廣和應(yīng)用。

1 計劃預(yù)防維修制度及其存在的問題

計劃預(yù)防維修制度是20世紀(jì)30年代發(fā)展起來的，其理論依據(jù)是機械磨損規(guī)律，它包括事后維修和預(yù)防性維修兩種維修方式。

事后維修是在飛機發(fā)生故障后進(jìn)行的維修。它一般適用于對安全或執(zhí)行任務(wù)無影響的非關(guān)鍵性部件和不可維修的關(guān)鍵性部件。其優(yōu)點是部件一直用到失效(不可維修部件)或發(fā)生故障(可維修部件)為止，能充分利用部件的使用壽命；缺點是如果關(guān)鍵部件發(fā)生故障，則會影響人員安全和任務(wù)的完成，不能預(yù)防事故發(fā)生。

預(yù)防性維修是為了預(yù)防產(chǎn)品故障或故障的嚴(yán)重后果，使其保持在規(guī)定狀態(tài)所進(jìn)行的全部活動。這些活動包括：擦拭、清洗、潤滑、加油、注氣、調(diào)整、檢查、定期拆修和定期更換等。預(yù)防性維修中有的部件采用定期更換維修策略，這樣就不能充分利用每個部件的使用壽命。對同一種類的各個部件，其正常使用期不完全相同，定期維修中有一些項目是分解部件，清洗和檢查。如果檢查后還能繼續(xù)使用，則重新組裝起來。重新組裝一般破壞了原來各組件之間的配合，反而縮短了部件的使用壽命。

同時，計劃預(yù)防維修是根據(jù)相似設(shè)備的經(jīng)驗暫定的較保守的維修，不可避免存在維修過度現(xiàn)象。鑒于計劃預(yù)防維修存在上述弊端，迫切需要在飛機維修保障中應(yīng)用先進(jìn)的維修理論和技術(shù)，優(yōu)化維修活動，促使飛機交付部隊后盡快形成戰(zhàn)斗力。

2 基于狀態(tài)的維修(CBM)

2.1 CBM系統(tǒng)工作流程

基于狀態(tài)的維修工作流程如圖1所示。在狀態(tài)監(jiān)測階段，主要工作是對選擇的診斷信號進(jìn)行采集、處理和特征量的提取與處理,并判斷特征值是否超出門檻值。若未超出門檻值，則繼續(xù)進(jìn)行信號采集，若超出則直接進(jìn)入下一階段；在故障診斷與預(yù)測階段，主要工作是判斷故障類型。若為潛在故障,則預(yù)測裝備的剩余有用壽命，否則即為功能故障。在維修決策階段，根據(jù)狀態(tài)信息和壽命預(yù)測決定是否進(jìn)行維修，何時進(jìn)行維修，進(jìn)行什么樣的維修。最后，制定維修計劃并實施維修活動。

圖1 狀態(tài)維修流程圖

2.2 狀態(tài)維修分析與決策

隨著信息化水平的不斷提高，航空裝備的高科技含量越來越高，同時包括的零部件種類多，工作可靠性要求高。因此，如何選擇維修策略是飛機外場維護(hù)保障的重點和難點。

本文從以下兩個方面考慮基于狀態(tài)的維修策略：

1)根據(jù)飛機部件的重要性，采取相應(yīng)的維修策略。

在制定飛機外場維修策略時，首先應(yīng)對其系統(tǒng)和部件按重要程度進(jìn)行分類。分類的方法很多，其中ABC分類法就是一種常用的、較好的方法。某型飛機A 類系統(tǒng)和部件數(shù)量少，大約占總數(shù)的10%左右，但所起的作用大。這類系統(tǒng)和部件是關(guān)鍵系統(tǒng)和部件。一旦這些系統(tǒng)和部件發(fā)生故障，將會造成重大的故障后果。因此，要求這類系統(tǒng)和部件在運行過程中，具有非常高的可靠性。這類系統(tǒng)和部件應(yīng)是維修工作的重點對象。這類系統(tǒng)和部件應(yīng)采用狀態(tài)維修方式，變計劃維修為針對性維修。實施狀態(tài)維修不僅可以使維修工作量和維修費用大幅度降低，而且能實現(xiàn)較高的可用性。

2)根據(jù)飛機外場故障信息的統(tǒng)計結(jié)果，選擇合適的維修方式。

在對B類和C類系統(tǒng)和部件進(jìn)行維修時，應(yīng)根據(jù)故障信息，選擇合適的維修方式。對這些系統(tǒng)和部件來說，故障信息是決定其維修方式的基礎(chǔ)。通過對故障信息的分析，可以判斷飛機故障的類型，從而選擇合理的維修方式。故障信息主要包括故障次數(shù)和故障后果這兩方面的統(tǒng)計資料。例如，收集統(tǒng)計一年來發(fā)動機的停車頻率和停車時間信息。繪制發(fā)動機停車時間和停車頻率排列圖表，只需列出占總數(shù)80%以上的導(dǎo)致停車時間最長及停車次數(shù)最多的系統(tǒng)和部件即可。對導(dǎo)致停機時間長、頻率高的部件和系統(tǒng)，采用計劃維修，徹底消除故障。對導(dǎo)致停機頻率低，但一旦停車需要延續(xù)較長時間的系統(tǒng)和部件，應(yīng)對造成故障的過程和原因進(jìn)行分析，并進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測，進(jìn)行狀態(tài)維修。

3 試飛階段CBM的應(yīng)用研究

3.1 維修方案優(yōu)化

飛機試飛階段維修保障工作主要依據(jù)飛機技術(shù)使用維護(hù)說明書、飛機維修規(guī)程等實施，而它們又是依據(jù)預(yù)防性維修大綱編制的。試飛階段是飛機研制的重要階段，也是進(jìn)行維修方案優(yōu)化的最佳階段。以CBM理論為依據(jù)，對維修方案進(jìn)行優(yōu)化。維修方案優(yōu)化流程圖如圖2所示。

圖2 維修方案優(yōu)化流程圖

3.2 維修間隔期優(yōu)化

維修間隔是指執(zhí)行某種維修工作類型或某級檢查的間隔時間。間隔期的長短主要取決于維修工作的有效性。新裝備在投入使用前，由于信息不足，難以恰當(dāng)?shù)卮_定其維修間隔期。因此，一般開始都定得保守一些。在裝備投入使用后，隨著信息的積累，有必要對維修間隔期進(jìn)行修正。下面就視情維修和定期維修(以定期檢查為例)研究其維修間隔期優(yōu)化方法和模型。

1) 按安全性要求決策

基于狀態(tài)的維修的目的是檢測出潛在故障，以便預(yù)防功能故障的出現(xiàn)，或?qū)⒐收习l(fā)生的概率控制在規(guī)定的可接受水平之內(nèi)，確保安全性。

P-F間隔(見圖3)是檢測到一個潛在故障的點P和該潛在故障變化為一個功能故障的點F之間所經(jīng)歷的時間。

圖3 P-F間隔曲線

圖3中T為潛在故障發(fā)展為功能故障的時間，Tc為視情維修間隔期。RCM是根據(jù)T來確定Tc，而且要求Tc

對于具有安全性影響的故障，假設(shè)T內(nèi)可接受的故障發(fā)生概率為pa,一次檢測能檢測出潛在故障的概率為pp,則在T期間要檢測的次數(shù)n可由下式確定：

或

視情維修間隔期Tc為：

2) 按經(jīng)濟性要求確定

當(dāng)故障不危及安全，并且做預(yù)防性維修工作的費用損失小于故障損失(包括故障修復(fù)費用)時，則按最少費用損失的要求來確定視情維修間隔期。

通過視情維修可以及時發(fā)現(xiàn)潛在故障，若發(fā)現(xiàn)的潛在故障及時排除，那么，單位時間視情維修的次數(shù)n越大，則故障率λ越小，故障率λ是n的函數(shù)，即：

式中：k—比例系數(shù)，其意義是單位時間內(nèi)進(jìn)行一次視情維修時的故障率。

若一次故障的平均維修費用即平均故障后果費用為Cc，一次視情維修的平均費用為Cp，則總維修費用C為：

由dC/dn=0得：

4 應(yīng)用舉例

示例：分析確定某發(fā)動機導(dǎo)向葉片的維修方式，并根據(jù)給定的數(shù)據(jù)，確定維修間隔期。某發(fā)動機的導(dǎo)向葉片需用孔探儀進(jìn)行無損探傷，發(fā)現(xiàn)葉片有裂紋時就要拆修發(fā)動機，以防葉片折斷打壞發(fā)動機。葉片從出現(xiàn)裂紋到折斷要經(jīng)過300h，孔探儀一次檢測出潛在故障的概率為0.9?，F(xiàn)在要求將葉片在300h內(nèi)折斷的概率控制在0.001，那么應(yīng)該多少小時用孔探儀探傷檢查一次？

分析：某發(fā)動機導(dǎo)向葉片多次發(fā)現(xiàn)裂紋，裂紋擴展會造成葉片折斷，影響飛行安全，加之葉片可用孔探儀進(jìn)行無損探傷，因此，選擇視情維修方式。

根據(jù)“將葉片在300h內(nèi)折斷的概率控制在0.001”的條件，不難選擇判定視情維修經(jīng)濟性優(yōu)

化模型控制間隔期。由公式(2)、(3)可知，100h進(jìn)行一次無損探傷。

5 結(jié)束語

國內(nèi)目前主要從事狀態(tài)維修相關(guān)的理論研究，在后續(xù)型號研制中提出了基于PHM的自主保障系統(tǒng)，為CBM的工程應(yīng)用提供了技術(shù)條件，從我國航空裝備的發(fā)展來看，實施狀態(tài)維修是裝備維修技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。航空裝備可靠性水平較高，開展基于狀態(tài)的維修技術(shù)研究，一方面可以為飛機外場維修保障工作提供一定的技術(shù)支持，從而大大縮短飛機外場維護(hù)的工作量，另一方面根據(jù)飛機外場實際的故障發(fā)生規(guī)律，可以形成相應(yīng)的維修策略，為型號飛機交付部隊后的外場維護(hù)提供一定的參考。

CBM理論在飛機試飛維修保障中的研究和應(yīng)用尚處于探索階段，還沒有實際工程實踐經(jīng)驗，但其思想已逐漸被人們接受，并將成為試飛階段優(yōu)化維修保障體系，提高飛機戰(zhàn)備完好性和任務(wù)成功性，降低全壽命周期費用的有效技術(shù)途徑。

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Applied Research of Condition Based Maintenance in the State of Aircraft Outfield Maintenance and Support

WU Chao，LI Ya

(Chinese Flight Test Establishment，Xi’an 710089，China)

This paper described the development trend of the foreign condition based maintenance，concepts from condition based maintenance，the maintenance system workflow and other aspects for a more detailed description. In the current situation of outfield aircraft maintenance support and inadequate analysis，based on the use of condition based maintenance analysis，conducted methods research of aircraft outfield maintenance program optimization and optimization of maintenance intervals，and gave examples of applications，hoping to promote spread and application of condition based maintenance in aircraft outfield maintenance support.

condition based maintenance, maintenance support，maintenance program optimization，optimization of maintenance intervals

2015-04-10

吳 超(1982- )，男，陜西西安人，碩士，工程師，從事可靠性維修性評估技術(shù)研究。

1673-1220(2015)02-020-04

V267

A