S4000P規(guī)范下裝備預(yù)防性維修分析方法的研究

(上海精密計量測試研究所，上海 201109)

0 引言

隨著裝備系統(tǒng)研制多樣化和復(fù)雜化，以及作戰(zhàn)任務(wù)實戰(zhàn)化，裝備保障已成為影響部隊?wèi)?zhàn)斗力的重要因素，采用定時維修保證裝備完好性的保障模式不夠經(jīng)濟(jì)和科學(xué)，不但加重了用戶的保障負(fù)擔(dān)，而且造成了資源的浪費[1-2]。為此，歐洲航空航天防務(wù)工業(yè)協(xié)會(Aerospace and Defense Industries Association of Europe，ASD)聯(lián)合美國航空航天工業(yè)協(xié)會(Aerospace Industries Association，AIA)和美國航空運輸協(xié)會(Air Transport Association，AIA)提出了裝備綜合后勤保障(Integrated logistic Support，ILS)思想，并制定了相應(yīng)的規(guī)范體系，包括：S1000D《使用公共源數(shù)據(jù)庫技術(shù)出版物國際規(guī)范》(International Specification for Technical Publications Utilizing a Common Source Database)、S2000M《物料管理國際規(guī)范》(International Specification for Materiel)、S3000L《保障性分析國際程序規(guī)范》(International Procedure Specification for Logistics Support Analysis LSA)、S4000P《預(yù)防性維修制定和持續(xù)改進(jìn)國際規(guī)范》(International Specification for Developing and Continuously Improving Preventive Maintenance)等國際標(biāo)準(zhǔn)[3-8]，該標(biāo)準(zhǔn)體系覆蓋了裝備綜合保障的各個方面，它們不斷融合互為數(shù)據(jù)來源，形成了完整的綜合保障工作框架，如圖1所示。其中S4000P旨在提供實際可行的分析方法，以建立裝備的預(yù)防性維修任務(wù)需求(Preventive Maintenance Task Requirements，PMTR)及任務(wù)間隔[9-10]。

圖1 S系列標(biāo)準(zhǔn)工作框架

目前，國內(nèi)各軍工行業(yè)開展了基于S1000D的交互式電子技術(shù)手冊設(shè)計與開發(fā)，還未對S4000P進(jìn)行實質(zhì)性研究，依據(jù)S4000P分析出的預(yù)防性維修數(shù)據(jù)是保障性分析和技術(shù)手冊的主要輸入，在綜合保障過程中發(fā)揮了承上啟下的關(guān)鍵作用。通過研究S4000P的PMTR分析方法，對國內(nèi)開展裝備綜合保障工作有一定的指導(dǎo)意義。

1 S4000P簡介

2014年，由ASD、AIA及ATA共同制訂的S4000P是基于面向民用航空器的MSG-3《運營商/制造商計劃維修》關(guān)于預(yù)防性維修制定和持續(xù)改進(jìn)的國際規(guī)范，其考慮了軍民用維修程序協(xié)調(diào)一致性，目的是提供一種通用維修分析方法，幫助工業(yè)方建立裝備的PMTR及任務(wù)間隔，作為裝備交付初期階段預(yù)防性維修計劃的基礎(chǔ)。通過該規(guī)范制定的PMTR內(nèi)容是結(jié)構(gòu)化、標(biāo)準(zhǔn)化并且考慮全面的。此外，對裝備的區(qū)域、結(jié)構(gòu)等方面如何進(jìn)行優(yōu)化，給予了具體的分析方法，確保了PMTR覆蓋的完整性。S4000P規(guī)范應(yīng)用范圍非常廣泛，涉及航空、艦船、裝甲、導(dǎo)彈武器系統(tǒng)等。因此針對不同的應(yīng)用對象，需要合理選取S4000P分析方法和程序，建立有效分析模型，以準(zhǔn)確定義裝備的維修任務(wù)。

2 預(yù)防性維修分析方法

裝備預(yù)防性維修是未雨綢繆，是通過各種有效監(jiān)控方法，實時監(jiān)控系統(tǒng)部件工作狀態(tài)，對部件性能下降或者系統(tǒng)冗余度下降到極限值之前，及時采用糾正措施，保證裝備的完好。裝備具有重復(fù)性和周期性間隔的預(yù)防性維修任務(wù)需求(PMTR with repetitive scheduled intervals, PMTRI)分析應(yīng)按照以下過程展開：首先，應(yīng)明確裝備哪些系統(tǒng)或分系統(tǒng)需要進(jìn)行預(yù)防性維修分析；其次，對需要進(jìn)行預(yù)防性維修分析的系統(tǒng)進(jìn)行故障模式及影響分析；然后依據(jù)故障模式及影響分析結(jié)果進(jìn)行功能故障分類；最后，對故障原因進(jìn)行評估確定具體PMTRI。分析過程如圖2所示。

圖2 PMTRI主要分析過程

2.1 確定分析系統(tǒng)

依據(jù)S1000D規(guī)范對裝備的物理結(jié)構(gòu)進(jìn)行分解，分解至可更換單元為止，并逐一對以下4個問題進(jìn)行分析。問題1：功能故障后是否對安全性有影響？問題2：功能故障后是否與相關(guān)法律、環(huán)境生態(tài)產(chǎn)生沖突？問題3：功能故障后對操作人員的任務(wù)完成有無影響？問題4：功能故障后對經(jīng)濟(jì)是否有影響？對裝備系統(tǒng)而言問題1和2只要其中之一是“肯定”回答，則應(yīng)確定為需要進(jìn)行PMTRI的系統(tǒng)，若問題1和2均為“否定”回答，而3和4之一是“肯定”回答，則需要對該系統(tǒng)進(jìn)行評估，確定其是否為PMTRI的系統(tǒng)，若問題1至4均為“否定”回答，則可以不對該系統(tǒng)進(jìn)行PMTRI分析，通過分析形成清單如表1所示。

表1 系統(tǒng)分析清單

2.2 系統(tǒng)故障模式及影響分析

確定分析系統(tǒng)后，開展系統(tǒng)的故障模式及影響分析(FMEA)，包括了系統(tǒng)功能分析、功能故障分析、功能故障影響分析、故障原因、故障模式及影響分析清單。

對系統(tǒng)的功能分析不僅僅是分析該系統(tǒng)設(shè)計定義功能還應(yīng)包括：

1)用戶對異常情況的警告注意事項提醒；

2)在功能失效時如何關(guān)閉當(dāng)前系統(tǒng)；

3)在功能失效時如何啟動備用功能；

4)還應(yīng)考慮防護(hù)裝置，應(yīng)急設(shè)備和誤操作；

系統(tǒng)每一個功能會存在一個或多個故障。功能故障是指系統(tǒng)在規(guī)定的范圍內(nèi)不能執(zhí)行預(yù)期的功能。對于冗余系統(tǒng)，即使對系統(tǒng)的正常運行沒有直接影響，也必須對冗余系統(tǒng)的功能故障進(jìn)行分析。在正常的操作任務(wù)中，應(yīng)急系統(tǒng)的功能故障應(yīng)歸為與安全相關(guān)的(例如：直升機的救援升降機電纜的緊急情況、緊急燃油切斷閥、緊急電源等)。

發(fā)生系統(tǒng)功能故障的原因主要分為以下幾方面：

1)在指定的系統(tǒng)操作或任務(wù)中，系統(tǒng)或設(shè)備的固有設(shè)計缺陷。

2)在指定的系統(tǒng)操作或任務(wù)中，由于意外損壞而導(dǎo)致系統(tǒng)故障；

3)在指定的系統(tǒng)操作或任務(wù)中，由于預(yù)期環(huán)境影響導(dǎo)致的系統(tǒng)故障；

4)系統(tǒng)遇到意外事件，例如：飛機受到鳥擊；

一個故障原因可能會引發(fā)一個或多個功能故障，同時多個故障原因?qū)σ粋€功能故障產(chǎn)生影響。因此，有可能將與多個功能故障關(guān)聯(lián)的單個故障原因分配到相同或不同的功能故障層級中。

2.3 故障層級分析

依據(jù)系統(tǒng)FMEA結(jié)果，對每個功能故障原因(Functional Cause, FC)進(jìn)行分類，并通過以下邏輯層級方法對FC進(jìn)行分析，形成功能故障影響層級(Functional Failure Effect Categorization, FEC)。

1)故障層級邏輯是評估每個功能故障對產(chǎn)品的總體影響，以確定功能故障的影響編碼(例如：與安全有關(guān)的為FFEC1&5、與相關(guān)法律和環(huán)境有關(guān)FFEC2&6、使用任務(wù)有關(guān)的為FFEC3&7、與經(jīng)濟(jì)費用有關(guān)FFEC4&8)；

2)通過邏輯決斷，決定是否進(jìn)行PMTRI；

利用圖3所示的邏輯決策對每個識別出的故障進(jìn)行分析。邏輯流的設(shè)計方式是自頂開始，對分析流程方向上的每個問題回答“是”或“否”，在回答邏輯問題之后將最終的FFFC分配給該FC。

圖3 功能故障影響級別分析邏輯流程

2.4 PMTRI分析

PMTRI分析須遵循以下邏輯流程：

1)確定該部件的故障概率是否低于該部件的門限值，若回答“是”則不需要進(jìn)行PMTRI分析；若回答“否”則進(jìn)入邏輯判斷2)；

2)依據(jù)該故障的層級分析該故障是否完全可以由機內(nèi)測試(Built-In-Test, BIT)解決，若回答“是”則進(jìn)行周期性維護(hù)；若回答“否”則進(jìn)入邏輯判斷3)；

3)對該部件進(jìn)行保養(yǎng)任務(wù)是否有效，針對不同類型部件，保養(yǎng)任務(wù)包括潤滑、調(diào)整、清潔、補給；若回答“是”則進(jìn)行相應(yīng)的預(yù)防性維護(hù)保養(yǎng)任務(wù)；若回答“否”則進(jìn)入邏輯判斷4)；

4)操作人員對該部件進(jìn)行檢查是否有效，操作人員檢查包括：BIT、目視檢查、詳細(xì)檢查；若回答“是”則進(jìn)行相應(yīng)的預(yù)防性維護(hù)檢查；若回答“否”則進(jìn)入邏輯判斷5)；

5)操作人員對該部件進(jìn)行測試是否有效，測試手段包括：特殊的詳細(xì)檢查、無損探測；若回答“是”則進(jìn)行相應(yīng)的預(yù)防性維護(hù)檢查；若回答“否”則進(jìn)入邏輯判斷6)；

6)對該部件進(jìn)行維修是否有效；若回答“是”則進(jìn)行相應(yīng)的維修任務(wù)；若回答“否”則進(jìn)入邏輯判斷7)；

7)對該部件進(jìn)行定時更換是否有效，定時更換適用于有明確的壽命或者部件維修該不經(jīng)濟(jì)高效；若回答“是”則進(jìn)行定時更換；若回答“否”則進(jìn)入邏輯判斷8)；

8)通過對該部件執(zhí)行單一PMTRI或者組合PMTRI是否有效適用；若回答“是”則需要依據(jù)表2對其進(jìn)行PMTRI分析；若回答“否”則需要對該部件進(jìn)行重新設(shè)計，重新設(shè)計原則見表3；

表2 PMTRI分析原則

表3 重新設(shè)計需求評估

9)是否進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控進(jìn)行評估，由于通過BIT是不能對故障完全解決，因此若回答“是”則需要對PMTRI進(jìn)行量化，并分析其對產(chǎn)品壽命周期內(nèi)的費用影響；若回答“否”則說明當(dāng)前不需要進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控；

10)對產(chǎn)品壽命周期內(nèi)費用影響分析后評估是否需要進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控，若回答“是”則在相應(yīng)的產(chǎn)品中設(shè)計狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)；若回答“否”則說明當(dāng)前不需要進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控；

11)評估狀態(tài)監(jiān)控數(shù)據(jù)置信度，功能是否實現(xiàn)，若回答“是”則進(jìn)行BIT設(shè)計；若回答“否”則說明當(dāng)前不需要進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控；

圖4 PMTRI分析邏輯流程

2.5 PMTRI間隔分析

PMTRI定義完成后，需要對其間隔形式進(jìn)行分析，分析邏輯如下：

1)是否確定故障部件的性能衰退過程；若回答“是”則進(jìn)入邏輯判斷2)；若回答“否”則分析并定義部件故障的衰退過程；

2)是否針對分析中的部件指定并設(shè)計了導(dǎo)致該故障原因的項目；若回答“是”則進(jìn)入邏輯判斷3)；若回答“否”則執(zhí)行測試/計算/分析，以便將最初的設(shè)計與產(chǎn)品的使用場景匹配；

3)是否確定部件故障率和故障率分布；若回答“是”則進(jìn)入邏輯判斷4)；若回答“否”則執(zhí)行測試/計算/分析，以便將最初的設(shè)計與產(chǎn)品的使用場景匹配；

4)部件衰退過程是否僅與時間參數(shù)有關(guān)；若回答“是”則選擇時間參數(shù)作為該PMTRI的間隔形式；若回答“否”則進(jìn)入邏輯判斷5)；

5)衰退過程是否由一個或多個參數(shù)觸發(fā)；若回答是則進(jìn)入邏輯判斷6)；若回答否則進(jìn)入邏輯判斷7)；

6)是否將單個參數(shù)標(biāo)識為PMTRI間隔形式；若回答是則選擇使用參數(shù)作為該PMTRI的間隔形式；若回答否則選擇所有參數(shù)作為該PMTRI的間隔形式；

7)衰退過程是否由時間和使用參數(shù)組合觸發(fā)；若回答是則進(jìn)入邏輯判斷8)；若回答否則分析并定義部件的惡化過程；

8)是否以時間參數(shù)為主，作為PMTRI間隔形式；若回答是則選擇時間參數(shù)作為該PMTRI的間隔形式；若回答否則進(jìn)入邏輯判斷9)；

9)是否以使用參數(shù)為主，作為PMTRI間隔形式；若回答是則選擇使用參數(shù)為該PMTRI的間隔形式，若回答否則選擇所有參數(shù)作為該PMTRI的間隔形式。

PMTRI間隔值的定義需要從以下幾方面進(jìn)行考慮：

1)PMTRI任務(wù)形式；

2)PMTRI任務(wù)對應(yīng)的FFEC;

3)在未來產(chǎn)品使用階段，分析該故障類型的預(yù)期平均故障率；

4)偏離預(yù)期故障分布的風(fēng)險。

3 實驗應(yīng)用及結(jié)果分析

以某地面裝備剎車系統(tǒng)為例，對預(yù)防性維修分析方法進(jìn)行實例應(yīng)用，驗證方法的適用性。剎車系統(tǒng)主要用于對裝備的制動，是該裝備執(zhí)行各項日常任務(wù)中反復(fù)使用的系統(tǒng)之一，因此該實例具備一定的典型性。

首先，確定剎車系統(tǒng)是否需要進(jìn)行預(yù)防性維修的系統(tǒng)，依據(jù)分析方法確定是需要進(jìn)行PMRTI分析的系統(tǒng)，分析清單如表4所示。其次，對剎車系統(tǒng)進(jìn)行FMEA，分析清單如表5所示。

表4 系統(tǒng)分析清單

表5 剎車系統(tǒng)FMEA

然后，進(jìn)行故障層級分析，分析過程明確了該功能故障對操作人員是明顯的，同時該功能故障對操作人員有直接的安全影響，從而明確了該功能故障的層級為FFEC1，分析的過程如圖6所示。

圖5 PMTRI間隔形式分析

圖6 剎車系統(tǒng)故障層級分析過程

圖7 剎車系統(tǒng)PMTRI分析過程

最后，以故障原因為制動液壓油泄漏進(jìn)行PMTRI評估，評估得出3個PMTRI，分別為操作檢查、檢查制動油液、制動裝置拆卸大檢可有效降低該故障的發(fā)生概率，分析過程如圖7所示。

依據(jù)圖7的分析過程對3個PMTRI進(jìn)行間隔形式定義，PMTRI1&2為每次行駛前進(jìn)行，PMTRI3為每5年進(jìn)行一次。經(jīng)過4個過程的分析得出結(jié)論，結(jié)論見表8。

4 結(jié)束語

本文闡述了S系列規(guī)范在裝備綜合保障體系中的工作框架，介紹了S4000P規(guī)范主要內(nèi)容，重點研究了PMTRI的分析方法。該分析方法適應(yīng)性強，可對各型裝備進(jìn)行科學(xué)的預(yù)防性維修規(guī)劃，規(guī)劃結(jié)果可作為裝備保障性分析以及用戶技術(shù)手冊的輸入數(shù)據(jù)，可有效指導(dǎo)用戶開展維修保障，有利于裝備保障性的提升。最后，以某裝備剎車系統(tǒng)作為示例進(jìn)行了實驗，實驗結(jié)果表明，分析方法的合理性和有效性，對國內(nèi)開展裝備維修保障工作具有一定的指導(dǎo)意義。

表8 PMTRI分析結(jié)果