基于相似度因子的直升機(jī)系統(tǒng)定檢周期優(yōu)化技術(shù)

宋海靖，焦 毅

(中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院, 西安 710089)

1 引言

定檢作為直升機(jī)日常預(yù)防性維修工作的組成部分，其周期的長(zhǎng)短直接影響著飛行試驗(yàn)的安全，同時(shí)定檢周期與經(jīng)濟(jì)性能以及現(xiàn)有維修制度也有著密切的關(guān)系?；诓煌O(shè)計(jì)理念及航空技術(shù)研制開(kāi)發(fā)的直升機(jī)，其技術(shù)性能與維修品質(zhì)必然有所區(qū)別，近年來(lái)，美國(guó)空軍大力倡導(dǎo)以可靠性為中心的維修，盡量避免過(guò)度維修，其新研直升機(jī)預(yù)防性維修工作的間隔期大都會(huì)依據(jù)以往同型號(hào)直升機(jī)使用情況不斷更新。然而，目前國(guó)內(nèi)新研飛機(jī)及其系統(tǒng)間隔期長(zhǎng)短的制定常保守估計(jì)，并未考慮以往類(lèi)似機(jī)型的歷史維修經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，或者已知定檢間隔期制定得過(guò)于保守，如何開(kāi)展定檢間隔期優(yōu)化，缺乏有效的數(shù)據(jù)模型支撐。

在當(dāng)前形勢(shì)背景下，部隊(duì)用戶(hù)常反饋直升機(jī)裝備出勤率和使用率低、維修停用時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題，在某直升機(jī)型號(hào)研討會(huì)上，部隊(duì)用戶(hù)多次反映定檢過(guò)于頻繁，甚至出現(xiàn)單周可持續(xù)飛行僅4 h的情況。因此，結(jié)合飛行試驗(yàn)開(kāi)展直升機(jī)定檢周期優(yōu)化，對(duì)于提升各專(zhuān)業(yè)維修保障活動(dòng)的效率及反應(yīng)能力、緩解維修資源的緊張及維修調(diào)度的壓力、提高直升機(jī)利用率和出動(dòng)架次率、提升試飛階段維修保障效能，都具有十分重要的意義。

本文結(jié)合系列直升機(jī)型號(hào)使用維護(hù)實(shí)際[1]，充分分析當(dāng)前定檢所存在的問(wèn)題，結(jié)合系列直升機(jī)型號(hào)歷史數(shù)據(jù)，確定了基于相似度因子的新機(jī)型直升機(jī)系統(tǒng)定檢周期優(yōu)化技術(shù)，并運(yùn)用某型直升機(jī)B腔滑油濾檢查及磁性屑沫信號(hào)器檢查實(shí)例驗(yàn)證了本文方法和模型的有效性，確定出最優(yōu)的直升機(jī)系統(tǒng)定檢間隔期，提升飛行試驗(yàn)階段維修保障效能以及直升機(jī)利用率，同時(shí)可為設(shè)計(jì)單位新研直升機(jī)系統(tǒng)定檢間隔期的制定提供數(shù)據(jù)支撐。本文研究思路流程如圖1所示，本文研究主要側(cè)重新機(jī)型的直升機(jī)系統(tǒng)定檢短周期優(yōu)化。

2 試驗(yàn)階段直升機(jī)定檢問(wèn)題梳理

本文通過(guò)分析某型直升機(jī)型號(hào)需求，結(jié)合系列直升機(jī)型號(hào)飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及外場(chǎng)機(jī)務(wù)維修工作定檢實(shí)施情況，針對(duì)直升機(jī)T檢、直升機(jī)S檢、直升機(jī)50Fh定檢及發(fā)動(dòng)機(jī)孔探等19種定檢方式，對(duì)8名該型機(jī)的機(jī)務(wù)維護(hù)人員進(jìn)行定檢問(wèn)題評(píng)述表咨詢(xún)，并對(duì)定檢問(wèn)題評(píng)述結(jié)果進(jìn)行分析，然后對(duì)梳理的定檢問(wèn)題進(jìn)行歸類(lèi)，包括各類(lèi)定檢的控制要素不統(tǒng)一、不同定檢工作存在重復(fù)性檢查、定檢間隔期制定不合理、某些定檢程序內(nèi)容及程序不合理等等。

圖1 直升機(jī)系統(tǒng)定檢周期優(yōu)化技術(shù)思路流程框圖Fig.1 Frame diagram of helicopter system calibration cycle optimization technology

針對(duì)定檢控制要素不統(tǒng)一的問(wèn)題，對(duì)各項(xiàng)控制要素進(jìn)行分析和歸一化處理，并通過(guò)合并重復(fù)項(xiàng)、建立多項(xiàng)控制要素原則等方式，最終實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)定檢要素的合并及優(yōu)化；針對(duì)不同定檢工作存在重復(fù)性檢查、定檢內(nèi)容及程序不合理等問(wèn)題，分析相關(guān)流程，并通過(guò)基于優(yōu)先順序及重復(fù)項(xiàng)簡(jiǎn)化的程序優(yōu)化；針對(duì)定檢周期過(guò)于頻繁問(wèn)題中的長(zhǎng)周期定檢，擬采用逆向仿真分析確定優(yōu)化方法[2-4]。本文著重針對(duì)系統(tǒng)短周期定檢過(guò)于頻繁這一問(wèn)題，以B腔滑油濾檢查及磁性屑沫信號(hào)器檢查為例，通過(guò)分析試飛階段的大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，監(jiān)控產(chǎn)品定檢后的工作狀態(tài)，研究提出了基于相似度因子的短周期定檢優(yōu)化方法，為系統(tǒng)短周期定檢優(yōu)化提供依據(jù)。具體見(jiàn)表1。

表1 某型直升機(jī)問(wèn)題分析及解決思路

續(xù)表(表1)

3 基于相似度因子的定檢間隔期優(yōu)化模型

3.1 直升機(jī)系統(tǒng)短周期定檢優(yōu)化現(xiàn)狀分析

對(duì)于新機(jī)型來(lái)說(shuō)，綜合考慮安全等各項(xiàng)因素，其各項(xiàng)系統(tǒng)短周期定檢的周期設(shè)定相對(duì)較短，因此帶來(lái)的維修和保障費(fèi)用相對(duì)較高，而其間隔期的延長(zhǎng)也相對(duì)有較大的空間。另外對(duì)于具體的系統(tǒng)或設(shè)備的研制來(lái)說(shuō)，有一定的繼承性和可借鑒的特點(diǎn)，如對(duì)于新型機(jī)的助力器來(lái)說(shuō)，同類(lèi)型或類(lèi)似的助力器在先前機(jī)型中已經(jīng)得到了廣泛使用，因此其定檢周期具有一定的參考性。

對(duì)于某新型直升機(jī)上B腔滑油濾的定檢周期來(lái)說(shuō)，可在歷史相似機(jī)型的使用等數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，如系列機(jī)型A直升機(jī)在飛行試驗(yàn)階段，B腔滑油濾檢查經(jīng)過(guò)近5年的飛行試驗(yàn)，定檢周期已從最初的10 h變?yōu)?0 h，而系列機(jī)型B直升機(jī)在滑油系統(tǒng)未做更改，B腔滑油濾檢查程序不變的情況下，定檢間隔期仍為10 h，顯然其新機(jī)型的B腔滑油濾檢查間隔期具有較大的放大空間。

本文將研究利用歷史經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，提煉形成可作為系統(tǒng)定檢優(yōu)化的基礎(chǔ)，并在充分考慮機(jī)型特點(diǎn)、任務(wù)類(lèi)型、維修性參數(shù)等因素的條件下，形成相似度因子模型，建立相似度因子的定檢短周期優(yōu)化方法，為新機(jī)型定檢優(yōu)化提供依據(jù)。

3.2 數(shù)據(jù)相似度計(jì)算模型

基于數(shù)據(jù)相似度分析的定檢短周期優(yōu)化方法的思路是:通過(guò)綜合考慮機(jī)型相似度參數(shù)、任務(wù)相似度參數(shù)、維修性參數(shù)等影響因素，利用改進(jìn)層次分析法定義參數(shù)權(quán)重，構(gòu)建相似度因子計(jì)算模型；然后結(jié)合某型直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)短周期優(yōu)化，分析系列直升機(jī)實(shí)際飛行的故障數(shù)據(jù)，確定故障數(shù)據(jù)分布數(shù)學(xué)模型；最后通過(guò)基于故障分布類(lèi)型及相似度因子折合加權(quán)，計(jì)算新機(jī)型初始維修間隔期的優(yōu)化參照值[5-8]。

首先通過(guò)分析對(duì)機(jī)型相似度參數(shù)、任務(wù)相似度參數(shù)、維修性參數(shù)的影響因子進(jìn)行分析和歸納，形成各項(xiàng)參數(shù)的計(jì)算模型。

1) 機(jī)型相似度參數(shù)。

機(jī)型相似度參數(shù)主要從直升機(jī)構(gòu)型和系統(tǒng)構(gòu)型等2個(gè)方面進(jìn)行考慮。其中直升機(jī)構(gòu)型影響要素包括：飛行包線、動(dòng)力裝置(比如安裝數(shù)量、位置等因素)及交聯(lián)關(guān)系；系統(tǒng)構(gòu)型影響因素包括：日利用率、裝機(jī)數(shù)量、性能輸出、運(yùn)行環(huán)境(包括振動(dòng)、溫度等)。機(jī)型相似度參數(shù)構(gòu)成如圖2所示，機(jī)型相似度參數(shù)計(jì)算模型為：

(1)

式(1)中：f1表示飛行包線因子；f2表示動(dòng)力裝置影響因子；f3表示交聯(lián)關(guān)系因子；f4表示日利用率因子；f5表示裝機(jī)數(shù)量因子；f6表示性能輸出因子；f7表示運(yùn)行環(huán)境因子。

圖2 機(jī)型相似度參數(shù)構(gòu)成框圖Fig.2 Block diagram of model similarity parameters

2) 任務(wù)相似度參數(shù)。

任務(wù)相似度參數(shù)包括：系統(tǒng)運(yùn)行比、定檢類(lèi)型、定檢目的、故障模式及其影響分析、系統(tǒng)運(yùn)行原理等。計(jì)算模型為：

r=r1·r2·r3·r4·r5

(2)

式(2)中：r1表示系統(tǒng)運(yùn)行比因子；r2表示定檢類(lèi)型因子；r3表示定檢目的因子；r4表示故障模式及其影響分析因子；r5表示系統(tǒng)運(yùn)行原理因子。

3) 維修相似度參數(shù)。

q=q1·q2·q3·q4·q5·q6

(3)

式(3)中：q1表示可靠性水平；q2表示測(cè)試性水平；q3表示保障性水平；q4表示環(huán)境適應(yīng)能力；q5表示維修特征因素；q6表示歷史最小及最大維修間隔及維修時(shí)間/工時(shí)。

4) 各參數(shù)權(quán)重分析。

指標(biāo)權(quán)重系數(shù)的確定是綜合評(píng)價(jià)中的核心問(wèn)題[9-10]。本文引入“三標(biāo)度”原理對(duì)層次分析方法進(jìn)行了改進(jìn)，綜合比較建立機(jī)型相似度參數(shù)、任務(wù)相似度參數(shù)、維修相似度參數(shù)，建立各項(xiàng)參數(shù)的權(quán)重。該方法包括以下4個(gè)步驟：

步驟1建立判斷矩陣C(由專(zhuān)家評(píng)判得到)。

(4)

步驟2基于判斷矩陣計(jì)算最優(yōu)傳遞矩陣D。

(5)

m為C的階數(shù)。

步驟3計(jì)算一致性矩陣Q。

qij=exp(dij) ?i，j

(6)

步驟4求Q的最大特征值對(duì)應(yīng)的特征向量，單位化的特征向量即為各指標(biāo)的相對(duì)權(quán)重ωi。

刷式汽封名義上屬于柔齒汽封，究其實(shí)際，應(yīng)視為硬齒與柔齒相結(jié)合的汽封。安裝時(shí)通常將其硬齒按照標(biāo)準(zhǔn)間隙調(diào)整，柔齒間隙在此基礎(chǔ)上可較大幅度減小。因?yàn)槿猃X與轉(zhuǎn)子間隙為彈性配合，具有較好的自適應(yīng)能力。刷式密封是一種允許摩擦，理論上可做到“零”間隙的密封。為了避免對(duì)軸產(chǎn)生損害，與刷式密封相配合的軸頸處需要一層耐高溫、耐磨蝕的涂層。但國(guó)內(nèi)使用時(shí)，似乎都沒(méi)能做這樣的處理。因此在確保刷毛不脫落的情況下應(yīng)當(dāng)盡量選用較細(xì)的刷毛，以避免或減輕對(duì)主軸的損傷。

實(shí)際評(píng)價(jià)中，為減弱專(zhuān)家人為因素的干擾，以便更準(zhǔn)確、客觀地給出判斷矩陣，可同時(shí)聘請(qǐng)多位專(zhuān)家對(duì)同一問(wèn)題進(jìn)行比較判斷，然后從中“綜合”出一個(gè)較理想結(jié)果。

5) 數(shù)據(jù)相似度因子模型。

綜合機(jī)型相似度參數(shù)、任務(wù)相似度參數(shù)、維修相似度參數(shù)，最終通過(guò)加權(quán)各項(xiàng)參數(shù)，建立相似度因子計(jì)算模型為：

(7)

式(7)中：f表示機(jī)型相似度參數(shù)；r表示任務(wù)相似度參數(shù)；q表示維修性相似度參數(shù)；ωi表示相應(yīng)參數(shù)的權(quán)重值。

4 基于某型直升機(jī)系統(tǒng)定檢的實(shí)例驗(yàn)證及應(yīng)用

4.1 基于相似度的定檢間隔期優(yōu)化步驟

運(yùn)用本文建立的數(shù)據(jù)相似度計(jì)算模型，通過(guò)分析飛行包線及運(yùn)行環(huán)境等相關(guān)影響因子，給出維修間隔建議值，然后借鑒工程經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)系統(tǒng)的成熟度及歷史運(yùn)行健康狀態(tài)，給出相應(yīng)的安全裕度，并在此基礎(chǔ)上確定建立間隔參照值[11-13]。具體的定檢間隔期優(yōu)化步驟如下：

步驟1確定歷史機(jī)型與新型直升機(jī)的機(jī)型相似度參數(shù)。對(duì)比兩型直升機(jī)，確定飛行包線及動(dòng)力裝置影響因子等，然后根據(jù)系統(tǒng)構(gòu)型以及裝備使用環(huán)境等特點(diǎn)，形成日利用率及運(yùn)行環(huán)境等因子，綜合直升機(jī)構(gòu)型和系統(tǒng)構(gòu)型，形成兩型機(jī)的機(jī)型相似度參數(shù)。

步驟2確定任務(wù)相似度參數(shù)。分析系統(tǒng)在兩型機(jī)上的工作特點(diǎn)，給出系統(tǒng)在兩型機(jī)上的運(yùn)行比，然后根據(jù)各自的維修大綱及相關(guān)技術(shù)文件等，確定定檢類(lèi)型、定檢目的、故障模式等，根據(jù)模型計(jì)算得出任務(wù)相似度參數(shù)。

步驟3確定維修相似度參數(shù)。根據(jù)系統(tǒng)在兩型機(jī)的實(shí)際故障數(shù)據(jù)，確定故障數(shù)據(jù)分布數(shù)學(xué)模型(包括正態(tài)/指數(shù)/威布爾/對(duì)數(shù)等)，然后對(duì)系統(tǒng)其他的相關(guān)數(shù)據(jù)(如維修時(shí)間、測(cè)試性結(jié)果等)進(jìn)行分析，形成系統(tǒng)在兩型機(jī)下的可靠性水平、測(cè)試性水平等，并最終形成維修相似度參數(shù)。

步驟4確定各項(xiàng)相似度參數(shù)權(quán)重值。根據(jù)3類(lèi)相似度參數(shù)，選取相關(guān)專(zhuān)業(yè)的15名不同級(jí)別技術(shù)人員(研究員/高工/工程師)進(jìn)行評(píng)判，并給出各相似度參數(shù)的權(quán)重值。

步驟5利用系列直升機(jī)及系統(tǒng)實(shí)際飛行的故障等數(shù)據(jù)，計(jì)算得出機(jī)型相似度、任務(wù)相似度及維修相似度，并利用得出的各項(xiàng)參數(shù)權(quán)重值，計(jì)算定檢系統(tǒng)的數(shù)據(jù)相似度因子。

步驟6根據(jù)新機(jī)型及系統(tǒng)維修周期內(nèi)的健康狀態(tài)及運(yùn)行成熟度，借鑒工程經(jīng)驗(yàn)，給出相應(yīng)的安全裕度，最終根據(jù)計(jì)算給出的系統(tǒng)定檢間隔期建議值，確定維修間隔參照值，并給出后續(xù)定檢的監(jiān)控觀察循環(huán)次數(shù)，為設(shè)計(jì)優(yōu)化提供依據(jù)。

4.2 某型直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)周期優(yōu)化實(shí)例

以某型直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)B腔滑油濾、磁性屑沫信號(hào)器的短周期優(yōu)化為例，驗(yàn)證結(jié)果如下。

1) B腔滑油濾、磁性屑沫信號(hào)器定檢的機(jī)型相似度參數(shù)相同，f1，f2，f3,…,f7由經(jīng)驗(yàn)取得，計(jì)算結(jié)果為：

2) 分別計(jì)算B腔滑油濾、磁性屑沫信號(hào)器等2項(xiàng)定檢對(duì)應(yīng)的任務(wù)相似度參數(shù)，即：

rB腔回油濾=r1·r2·r3·r4·r5=

1×1×1×0.99×0.99=0.98

r磁性屑沫信號(hào)器=r1·r2·r3·r4·r5=

1×1×1×0.97×0.98=0.95

3) 分別計(jì)算B腔滑油濾、磁性屑沫信號(hào)器等2項(xiàng)定檢對(duì)應(yīng)的維修相似度參數(shù)，即：

qB腔回油濾=q1·q2·q3·q4·q5·q6=

1.1×1.1×1×1.1×0.98×0.97=1.27

q磁性屑沫信號(hào)器=q1·q2·q3·q4·q5·q6=

1.2×1.1×1×1.1×0.98×0.98=1.39

4) 確定B腔滑油濾、磁性屑沫信號(hào)器等2項(xiàng)定檢對(duì)應(yīng)的各項(xiàng)相似度參數(shù)權(quán)重值(利用專(zhuān)家打分法確定)，即：

5) 分別計(jì)算B腔滑油濾、磁性屑沫信號(hào)器兩項(xiàng)定檢的相似度因子，即：

6) 利用相似度結(jié)果和歷史定檢數(shù)據(jù)，形成B腔滑油濾、磁性屑沫信號(hào)器等2項(xiàng)定檢間隔期建議值。

7) 根據(jù)新機(jī)型及系統(tǒng)的維修周期內(nèi)的健康狀態(tài)及運(yùn)行成熟度，借鑒工程經(jīng)驗(yàn)，給出相應(yīng)的安全裕度，最終根據(jù)計(jì)算給出的系統(tǒng)定檢間隔期建議值，確定維修間隔參照值，并給出后續(xù)定檢的監(jiān)控觀察循環(huán)次數(shù)，為設(shè)計(jì)優(yōu)化提供依據(jù)。

a)針對(duì)B腔滑油濾定檢(XB直升機(jī)原定檢定周期為30 Fh)工作，參考機(jī)型XA試飛終期定檢方案為50 Fh，基于相似度因子確定折后系數(shù)1.08，建議XB直升機(jī)定檢方案為54 Fh，經(jīng)驗(yàn)證XB直升機(jī)經(jīng)歷3年多飛行試驗(yàn)，考慮一定的安全裕度，確定B腔滑油濾定檢間隔期建議值為50 Fh，且經(jīng)近2年的試驗(yàn)和觀察，證明了結(jié)果的有效性，且后續(xù)進(jìn)行3次的監(jiān)控觀察循環(huán)；

b)針對(duì)磁性屑沫信號(hào)器定檢(XB直升機(jī)原定檢定周期為20 Fh)工作，參考機(jī)型XA試飛終期定檢方案為30 Fh，基于相似度因子確定折后系數(shù)1.10，建議XB直升機(jī)定檢方案為33Fh，經(jīng)驗(yàn)證XB直升機(jī)經(jīng)歷3年多飛行試驗(yàn)，考慮一定的安全裕度，確定磁性屑沫信號(hào)器定檢間隔期建議值為30 Fh，且經(jīng)近2年的試驗(yàn)和觀察，證明了結(jié)果的有效性，且后續(xù)進(jìn)行3次的監(jiān)控觀察循環(huán)。

5 結(jié)論

1) 本文結(jié)合系列直升機(jī)型號(hào)使用維護(hù)實(shí)際，從定檢工作間隔期、持續(xù)周期、定檢程序及定檢內(nèi)容入手，梳理了其所存在問(wèn)題。

2) 通過(guò)利用系列直升機(jī)歷史經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，從機(jī)型、定檢、維修等方面入手，確定相似度因子模型，實(shí)現(xiàn)了歷史數(shù)據(jù)的提煉融合。

3) 結(jié)合直升機(jī)XA及XB飛行試驗(yàn)實(shí)際數(shù)據(jù)，針對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)相關(guān)的B腔滑油濾檢查及磁性屑沫信號(hào)器等2項(xiàng)定檢開(kāi)展模型優(yōu)化實(shí)例驗(yàn)證，結(jié)果分析與實(shí)際對(duì)比，證明了方法模型的有效性。

4) 驗(yàn)證及使用結(jié)果表明，本文所提出的基于相似度因子的定檢優(yōu)化模型和方法，可有效應(yīng)用于直升機(jī)系統(tǒng)級(jí)定檢間隔期優(yōu)化，為提高直升機(jī)使用率及出動(dòng)架次率、降低維修成本、提升直升機(jī)維修保障效能奠定及堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。