周櫓君，朱曉軍，楊鐵軍，閔少松

(1.海軍工程大學(xué)，湖北武漢 430033;2.海軍92957部隊(duì)，浙江舟山 316000)

維修性是由裝備設(shè)計(jì)賦予的使其維修簡便、快速和經(jīng)濟(jì)的一種固有屬性，是裝備的質(zhì)量特性，良好的維修性也是艦船安全使用的重要保證。實(shí)現(xiàn)維修及時(shí)、經(jīng)濟(jì)、有效，不僅是使用階段應(yīng)該考慮的問題，也是從裝備全系統(tǒng)和全壽命周期應(yīng)該考慮的問題。

對(duì)于艦船的設(shè)計(jì)而言，總體設(shè)計(jì)人員需要謹(jǐn)慎考慮如何在有限的空間內(nèi)布設(shè)復(fù)雜的管系和電纜［1］，需結(jié)合全艦系統(tǒng)以及設(shè)備的使用和維修要求，布置各種裝置和設(shè)施，以保證它們有機(jī)的集成并有效運(yùn)行。為在總體設(shè)計(jì)階段就能充分評(píng)估和解決艦船后續(xù)使用和維修過程中的問題，促進(jìn)設(shè)計(jì)方案的改進(jìn)，需要研究一種針對(duì)艦船產(chǎn)品使用和維修性設(shè)計(jì)驗(yàn)證的新方法［2］。

現(xiàn)在通用的是以虛擬仿真技術(shù)為基礎(chǔ)構(gòu)建的維修性評(píng)估指標(biāo)體系以及評(píng)估方法。這種方法在國外發(fā)展的比較早，1995年，洛克希德·馬丁公司取消了原有的金屬模型，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)F-16戰(zhàn)斗機(jī)的CAD模型進(jìn)行維修性分析。近年來國內(nèi)也快速發(fā)展，并運(yùn)用到高速列車［3］、車輛［4］、飛行器、船舶［2］的維修性設(shè)計(jì)驗(yàn)證。車輛和飛行器領(lǐng)域發(fā)展的較成熟，對(duì)于船舶虛擬維修的研究還未形成一套定量評(píng)估的方法，評(píng)估內(nèi)容不夠全面，特別是在通道方面。

對(duì)于船舶，尤其是如機(jī)艙，機(jī)電設(shè)備體積較大，在高級(jí)別等級(jí)修理中往往需要將設(shè)備轉(zhuǎn)移到車間維修，會(huì)對(duì)設(shè)備的維修通道空間提出一定要求。為此在維修指標(biāo)中需增加一項(xiàng)評(píng)價(jià)維修通道空間的指標(biāo)，來評(píng)估通道設(shè)計(jì)的優(yōu)劣。

1 大型部件的吊運(yùn)通道分析方法

在大型部件的吊裝工作中，吊裝設(shè)備必須經(jīng)過設(shè)計(jì)好的通道到達(dá)指定維修地點(diǎn)，這就需要建立一項(xiàng)評(píng)價(jià)維修通道空間的指標(biāo)?；谔摂M仿真的大型部件吊裝，能夠借助虛擬樣機(jī)對(duì)設(shè)計(jì)中涉及的大型部件的吊裝過程進(jìn)行演示驗(yàn)證，可結(jié)合演示過程對(duì)吊裝通道進(jìn)行分析，給出相應(yīng)的通道分析結(jié)果，并將分析結(jié)果反饋給設(shè)計(jì)部門，以便在設(shè)計(jì)時(shí)就能夠發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)通道的不足，及時(shí)調(diào)整吊裝方案。

吊運(yùn)通道分析有4個(gè)主要內(nèi)容:吊運(yùn)通道空間分析、通道檢測間隙分析、吊運(yùn)方便性分析和通道復(fù)雜性分析。吊運(yùn)通道空間分析可通過部件與通道的最大橫截面面積之比進(jìn)行分析。吊運(yùn)通道檢測間隙分析，則通過部件與通道之間的間隙來進(jìn)行分析。而吊運(yùn)方便性分析，可通過吊運(yùn)過程中，部件需要旋轉(zhuǎn)角度來分析。最后，通道復(fù)雜性分析，則通過轉(zhuǎn)換吊運(yùn)設(shè)備的次數(shù)來進(jìn)行分析。

1.1 吊運(yùn)通道空間分析

對(duì)于吊裝通道中涉及艙口、可拆板等開口通道，通道口的橫截面面積S1必須大于與吊裝方向垂直的部件的橫截面最小面積S2，即S1＞S2，才能保證部件的順利進(jìn)出。通過這種開口通道的難易程度可以對(duì)橫截面面積之比來打分表示，如圖1所示。

圖1 橫截面之比評(píng)分示意圖

若S2/S1＞1，則表示不能通過通道，計(jì)分為0;若0.7＜S2/S1≤1，則表示勉強(qiáng)能夠通過，計(jì)分為0.0～0.3;若0.5＜S2/S1≤0.7，則表示比較容易通過，計(jì)分為0.3～0.5;若S2/S1≤0.5，則表示非常容易通過，計(jì)分為0.5～1.0。對(duì)于吊裝通道中不涉及艙口、可拆板開口等無開口通道，吊裝部件可無阻礙通過，比值非常小，計(jì)分為1.0。評(píng)估分值如表1所示。

表1 橫截面面積之比評(píng)估分值核對(duì)表

1.2 通道檢測間隙分析

部件運(yùn)輸過程可能晃動(dòng)或需要人員輔助作業(yè)，所以需要保留一定的間隙。對(duì)于吊裝通道檢測間隙分析，以通過通道時(shí)部件與通道邊界之間的間隙來對(duì)通道進(jìn)行評(píng)分。部件與通道邊界之間的間隙是指部件上的任意一點(diǎn)與通道邊界任意一點(diǎn)的距離的最小值，即假設(shè)R代表部件上的所有的點(diǎn)，r為部件上任一點(diǎn)，Q代表通道邊界上的所有的點(diǎn)，q為邊界上任一點(diǎn)，則它們之間的間隙δ=min d(r，q):r∈R∧q∈Q。

它們之間的間隙若不大于0.1 m［5］，即δ≤0.1 m，則認(rèn)為不通暢，計(jì)分為0.0～0.3;若0.1＜δ≤0.2 m，則認(rèn)為通道通暢，記為0.3～0.6;若0.2 m＜δ≤0.3 m，則認(rèn)為通道比較通暢，記為0.6～1.0;若δ＞0.3 m，則認(rèn)為通道很通暢，記為1.0。對(duì)于吊裝通道中不涉及艙口、可拆板開口等無開口通道，若吊裝部件與周圍邊界相距較遠(yuǎn)，也即間隙較大，計(jì)分為1.0，若吊裝部件與周圍邊界的距離較近，間隙可參考有開口通道的間隙的分值進(jìn)行打分，評(píng)估分值如表2所示。

表2 通道檢測間隙評(píng)估分值核對(duì)表

1.3 吊運(yùn)方便性分析

對(duì)于吊運(yùn)通道方便性分析，可以通過部件旋轉(zhuǎn)角度來進(jìn)行評(píng)分。對(duì)于吊裝通道中涉及艙口、可拆板開口等開口通道，為了部件可以通過或方便吊裝，可能需要經(jīng)過旋轉(zhuǎn)。三維空間旋轉(zhuǎn)軸有3個(gè)，所以旋轉(zhuǎn)角度也有3個(gè)，記為α、β、γ，如圖2。

圖2 三維空間自由度

當(dāng)部件以任意姿態(tài)都可通過通道時(shí)，則說明部件很容易通過，對(duì)通道計(jì)分為1.0;若部件需繞一軸旋轉(zhuǎn)不超過30°即可通過通道，則對(duì)通道計(jì)分為0.7～1.0;若部件需繞軸旋轉(zhuǎn)大于30°小于60°，則對(duì)通道計(jì)分為0.4～0.7;若部件需繞軸旋轉(zhuǎn)超過60°，則對(duì)通道計(jì)分為0.0～0.4。評(píng)估分值如表3所示。3個(gè)角度重要性一致，最后將3個(gè)角度的評(píng)估分值相乘。

表3 旋轉(zhuǎn)角度評(píng)估分值核對(duì)表

1.4 通道復(fù)雜性分析

對(duì)于吊運(yùn)通道復(fù)雜性分析，可以用部件通過通道時(shí)轉(zhuǎn)換吊運(yùn)工具的次數(shù)來進(jìn)行評(píng)分。設(shè)備在吊運(yùn)到維修艙或吊運(yùn)出船體時(shí)需要通過多個(gè)艙室，這就涉及到換用吊運(yùn)工具的操作。轉(zhuǎn)換吊運(yùn)工具的次數(shù)越多，吊運(yùn)過程越復(fù)雜，操作就越不方便。轉(zhuǎn)換的次數(shù)為0～2，則認(rèn)為吊運(yùn)起來方便，計(jì)分為1.0;轉(zhuǎn)換的次數(shù)為3～6次，則認(rèn)為比較方便，記為0.7～1.0;轉(zhuǎn)換的次數(shù)為7～10次，則認(rèn)為一般，記為0.4～0.7;轉(zhuǎn)換的次數(shù)為10次以上，則認(rèn)為操作不方便，記為0.0～0.4，如表4所示。

表4 轉(zhuǎn)換工具次數(shù)評(píng)估分值核對(duì)表

1.5 各指標(biāo)權(quán)重的確定

運(yùn)用層次分析法，確定各個(gè)子指標(biāo)的的權(quán)重［6］。

通道空間、通道復(fù)雜性、方便性、預(yù)留檢測間隙分別記為因素1、2、3、4。對(duì)指標(biāo)進(jìn)行兩兩比較，確定其相對(duì)重要程度。評(píng)定標(biāo)度按A.L.Saaty提出的1～9標(biāo)度方法，如表5。

表5 因素i與因素j比較結(jié)果的標(biāo)度量化

則得到層次分析法 (AHP)的判斷矩陣:

矩陣的最大特征值λmax為4.204 1，則維修通道的各子指標(biāo)的權(quán)重如表6。判斷矩陣的隨機(jī)一致性比率CR=0.076，CR＜0.1，判斷矩陣具有滿意的一致性。

表6 各子指標(biāo)的權(quán)重

1.6 通道評(píng)分評(píng)價(jià)

1)對(duì)部件的n個(gè)吊運(yùn)過程的通道空間、方便性、預(yù)留檢測間隙3個(gè)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)分，3個(gè)指標(biāo)分別得到n個(gè)值。

2)所得指標(biāo)的評(píng)分按不同過程所占時(shí)間的比重加權(quán)平均，得到3個(gè)指標(biāo)值。

3)分析部件整個(gè)吊運(yùn)過程通道復(fù)雜性，得到評(píng)分。

4)將4個(gè)指標(biāo)評(píng)分按表6加權(quán)匯總到通道指標(biāo)上去，得到該部件通道的評(píng)分。

通道的分析可按最后的評(píng)分，并參照表7來給出評(píng)價(jià)。

表7 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

2 輔機(jī)維修通道分析

輔機(jī)維修涉及到許多部件，本文選取典型的汽缸蓋在輔機(jī)艙的吊運(yùn)過程進(jìn)行通道分析。

汽缸蓋在輔機(jī)艙吊運(yùn)過程采用DELMIA仿真，汽缸蓋的吊運(yùn)在無開口的通道中進(jìn)行，整個(gè)吊運(yùn)過程分為3個(gè)部分:第一部分，上升部分;第二部分，平移吊運(yùn);第三部分，下降部分。

各部分的權(quán)重根據(jù)各個(gè)過程的維修作業(yè)時(shí)間來定。根據(jù)仿真過程，得出上升部分耗時(shí)9 s，平移吊運(yùn)部分耗時(shí)4 s，下降部分耗時(shí)3 s，共計(jì)耗時(shí)16 s，按耗時(shí)所占的比重確定各個(gè)部分的分值權(quán)重分別為 0.563，0.250，0.187，如表 8。

表8 吊運(yùn)部分權(quán)重分析

2.1 吊運(yùn)通道的空間分析

對(duì)汽缸蓋吊運(yùn)的各過程進(jìn)行通道空間分析并根據(jù)表1打分。上升部分中，無通道障礙，汽缸蓋與通道的橫截面面積之比會(huì)很小，趨近于零，根據(jù)核對(duì)表評(píng)估分值為1.0;平移部分和下降部分中，通道對(duì)汽缸蓋沒有管路和開口限制，因此橫截面面積之比也很小，趨近于零，根據(jù)核對(duì)表評(píng)估分值為1.0。得到的評(píng)估分值如表9所示，最后將各個(gè)部分的綜合得分相加得到的汽缸蓋的通道空間分析總得分為1.0。

表9 汽缸蓋通道空間分析評(píng)估表

2.2 吊運(yùn)過程的檢測間隙分析

按照表2對(duì)吊運(yùn)過程進(jìn)行檢測間隙分析并評(píng)估其分值。上升部分開始時(shí)，汽缸蓋需從周圍其它組件拉出，在拉出汽缸之前間隙較小，其余間隙很大，但是拉出汽缸蓋之前的路徑很短，且周圍組件對(duì)其影響不大，故得分0.8;平移部分，周圍組件對(duì)其影響較小，間隙大于0.5 m，得分為1.0;下降部分，其它吊裝部件對(duì)其有影響，導(dǎo)致在最后降落時(shí)需旋轉(zhuǎn)90°，才不會(huì)與其它吊運(yùn)部件發(fā)生碰撞，故得分0.6。各分值權(quán)重根據(jù)各個(gè)部分的維修作業(yè)時(shí)間來定。得到的評(píng)估分值如表10所示。最后將3個(gè)部分的綜合得分相加得到汽缸蓋吊運(yùn)通道間隙總得分為0.813。

表10 汽缸吊運(yùn)通道間隙分析評(píng)估表

2.3 吊運(yùn)通道的方便性分析

按照表3對(duì)吊運(yùn)過程進(jìn)行旋轉(zhuǎn)角度分析并評(píng)估其分值，結(jié)果見表11。

表11 汽缸吊運(yùn)旋轉(zhuǎn)角度分析評(píng)估分值表

上升部分中，汽缸蓋受到自身組件的限制，在一個(gè)軸會(huì)有微小的旋轉(zhuǎn)。但是小于30°，評(píng)估分值為0.7;平移部分中各旋轉(zhuǎn)角度都為0，評(píng)估分值為1.0，下降部分繞一軸旋轉(zhuǎn)角度為90°，評(píng)估分值為0.4。

2.4 吊運(yùn)通道匯總分析

對(duì)于整個(gè)輔機(jī)維修通道分析，還需分析出各部件在不同艙室吊運(yùn)環(huán)節(jié)的通道空間、方便性、預(yù)留檢測間隙的評(píng)分，并根據(jù)各過程所占比重分別匯總成3個(gè)指標(biāo)評(píng)分。最后加上整個(gè)通道的復(fù)雜性評(píng)分，按1.5節(jié)中給出的4個(gè)指標(biāo)的權(quán)重，匯總求和。

本文的實(shí)例，由于只進(jìn)行了輔機(jī)艙的仿真，只能給出輔機(jī)艙通道的評(píng)分。按1.5節(jié)中給出方法，輔機(jī)艙通道綜合評(píng)分為0.958。輔機(jī)艙通道設(shè)計(jì)的非常好。

3 結(jié)束語

維修性是艦船安全使用的重要保證之一。良好的維修通道是實(shí)現(xiàn)艦船高效維修的保證之一。本文提出了大型部件吊運(yùn)維修通道具體的分析評(píng)價(jià)方法，為維修性設(shè)計(jì)驗(yàn)證提供了一種有效地方法。雖然本文提出的方法，在合理性和精確性上還有待進(jìn)一步改善，但本文采用的方法、建立的指標(biāo)及指標(biāo)的評(píng)估方法對(duì)通道的評(píng)估有著參考和借鑒價(jià)值。

［1］張玉梅，魏沁祺，曾俊.基于虛擬現(xiàn)實(shí)的艦船使用和維修性分析評(píng)價(jià)系統(tǒng) ［J］.中國艦船研究，2013，8(2):6-12.

［2］李佳.基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的船舶維修性驗(yàn)證系統(tǒng)研究［J］.中國艦船研究，2008，3(2):70-73.

［3］謝凱.高速列車司機(jī)室設(shè)備可維修性評(píng)估方法研究［D］.北京:北京交通大學(xué)，2011.

［4］崔曉風(fēng)，項(xiàng)昌樂，王戰(zhàn)軍，等.特種車輛維修視覺可達(dá)性評(píng)價(jià)方法研究 ［J］.計(jì)算機(jī)仿真，2011，28(3):349-352，409.

［5］王宏濟(jì).維修性設(shè)計(jì)指導(dǎo) ［M］.北京:昆侖出版社，1988.

［6］李學(xué)全，李松仁，韓旭里.AHP理論與方法研究:一致性檢驗(yàn)及權(quán)重計(jì)算 ［J］.系統(tǒng)工程學(xué)報(bào)，1997，12(2):111-117.