王 偉,劉 帥,白 杰
(中國民航大學(xué) 航空工程學(xué)院,天津300300)
航空發(fā)動機(jī)的適航管理對于保障飛行器安全運(yùn)行尤為重要,其目的是保證發(fā)動機(jī)的適航狀態(tài),本質(zhì)是對航空發(fā)動機(jī)進(jìn)行適航性控制的過程[1]。持續(xù)適航管理是航空發(fā)動機(jī)適航管理的一部分,依靠持續(xù)適航文件對其適航性進(jìn)行控制。持續(xù)適航文件是用以在航空產(chǎn)品投入使用后,指導(dǎo)運(yùn)營方正確地使用和維修航空產(chǎn)品,并保持其固有設(shè)計(jì)水平和可靠性[1],是發(fā)動機(jī)保證其可靠性水平的重要文件,是發(fā)動機(jī)型號合格審定的一部分;同時該文件也是制定發(fā)動機(jī)維修方案的依據(jù),構(gòu)成了基本維修大綱[2]。
航空發(fā)動機(jī)持續(xù)適航文件涵蓋維修類型和維修間隔2方面。維修類型相對固定,而維修間隔是持續(xù)適航文件的核心[3],在一定程度上選取何種維修類型取決于維修間隔。確定維修間隔一直是維修領(lǐng)域討論比較激烈的問題。根據(jù)MSG-3邏輯分析確定,目前確定維修間隔的方法大致分為計(jì)算、試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)[3-5]3類,其中對分析計(jì)算法的研究比較廣泛,主要是通過建立數(shù)學(xué)模型,導(dǎo)出間隔的函數(shù)關(guān)系,最終根據(jù)關(guān)系式得到維修間隔;試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)法分別通過發(fā)動機(jī)試車試驗(yàn)和以往機(jī)型的使用經(jīng)驗(yàn)確定衍生機(jī)型的維修間隔。目前基于案例推理的維修間隔確定方法是在經(jīng)驗(yàn)法的基礎(chǔ)上得到的。盡管確定維修間隔的研究有很多,但對其認(rèn)識還停留在發(fā)動機(jī)制造商提供給營運(yùn)方進(jìn)行定期檢查、維護(hù)的1個固定的確定間隔。維修間隔是適航法規(guī)要求發(fā)動機(jī)制造商給出并在持續(xù)適航文件中標(biāo)明的。維修手冊在持續(xù)適航文件的基礎(chǔ)上編輯而來,維修間隔在文件中和維修手冊中的關(guān)系和差異尚有待分析研究,對其本質(zhì)的認(rèn)識也有待深化。
本文對持續(xù)適航文件中維修的概念進(jìn)行分析,重點(diǎn)從發(fā)動機(jī)適航條款的角度對持續(xù)適航文件中的維修間隔進(jìn)行闡述并揭示文件和維修手冊中維修間隔的關(guān)系,并分析其本質(zhì),為航空發(fā)動機(jī)實(shí)際維修管理提供理論指導(dǎo)。
本文分析持續(xù)適航文件中的維修概念和任務(wù),同時將持續(xù)適航文件與發(fā)動機(jī)維修手冊作比較,論述維修深度和維修間隔的關(guān)系。
詞典中解釋維修為維護(hù)和修理[6];日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的維修定義為把產(chǎn)品保持在使用及運(yùn)用狀態(tài)以及為排除故障和缺陷所進(jìn)行的一切處置及活動[6,7];對可靠性工程而言,維修是為了確保設(shè)備原有的功能與特性,而不是提高其性能[8];FAR43指出,維修是指對飛行器或其部件所進(jìn)行的任何檢測、修理、排故、定期檢修、翻修工作[9];FAR1中的維修是指檢查、翻修、修理和更換零件,但不包括預(yù)防性維修,預(yù)防性維修是指簡單的或輕微的防腐(保養(yǎng))操作和更換少量標(biāo)準(zhǔn)件非復(fù)雜組件的操作[10]。
在不同規(guī)章或文獻(xiàn)中,維修的含義有所不同,但并不沖突。詞典解釋是字面意思:維護(hù)即維持保護(hù),使不受到破壞;修理即使損壞的東西恢復(fù)正常[6]。發(fā)動機(jī)維修的字面含義包括對沒有損壞的發(fā)動機(jī)及其零部件進(jìn)行維護(hù)操作和對損壞的發(fā)動機(jī)及其零部件進(jìn)行修理操作。實(shí)際上,對發(fā)動機(jī)維修的研究基本上都是從維修的2方面含義展開的,只是側(cè)重點(diǎn)不同。發(fā)動機(jī)維修分為修復(fù)性與預(yù)防性維修,其中修復(fù)性維修是指發(fā)動機(jī)發(fā)生故障后使其恢復(fù)到規(guī)定狀態(tài)所進(jìn)行的全部活動;預(yù)防性維修通過對發(fā)動機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)性檢查和定期更換以防止功能故障發(fā)生,使其保持在規(guī)定狀態(tài)所進(jìn)行的全部活動[11]。FAR43對維修的定義中沒有區(qū)分預(yù)防性維修的概念是由于其適用范圍主要針對發(fā)動機(jī)整機(jī)、單元體或零部件即將到壽或已經(jīng)失效的狀態(tài)。對于已經(jīng)達(dá)到失效閾值的零部件(FAR43適用范圍中涵蓋此類)而言,討論預(yù)防性維修沒有意義。FAR1區(qū)分修復(fù)性和預(yù)防性維修的概念正是由于維修一詞的2層含義。
因此,投入運(yùn)行發(fā)動機(jī)的維修存在恢復(fù)和保持,防止故障發(fā)生的工作。持續(xù)適航文件用于航空發(fā)動機(jī)使用階段,其中維修是指包括預(yù)防性維修在內(nèi)的檢查、翻修、修理和更換零件的操作。
持續(xù)適航文件中的維修概念廣義上分為(1)檢查的目的是尋找零部件的損傷、故障和不正常的現(xiàn)象,包括目視、詳細(xì)和特殊詳細(xì)檢查[8];(2)翻修的目的是恢復(fù)發(fā)動機(jī)的使用壽命或適航狀態(tài)[12],一般針對發(fā)動機(jī)整機(jī)而言,通常根據(jù)監(jiān)控運(yùn)行中的參數(shù)判斷翻修時機(jī);(3)修理是對零部件任何損傷或缺陷進(jìn)行處理使其達(dá)到在規(guī)定限制范圍內(nèi)繼續(xù)使用的工作[9],即恢復(fù)偏離可用狀態(tài)的部件;(4)更換零件一般針對發(fā)動機(jī)限壽件和航線可更換件(LRU);(5)預(yù)防性維修是指對發(fā)動機(jī)及其零部件進(jìn)行簡單的保養(yǎng)和更換少量標(biāo)準(zhǔn)件,目的是為了防止發(fā)動機(jī)或其零部件失效。
FAR33.4要求制定發(fā)動機(jī)持續(xù)適航文件,其中包含發(fā)動機(jī)維護(hù)和翻修手冊。發(fā)動機(jī)營運(yùn)方根據(jù)文件并在其基礎(chǔ)上編制更為詳細(xì)的維修手冊。與文件不同,手冊中的維修分別從5層含義對發(fā)動機(jī)的維修任務(wù)進(jìn)行規(guī)定。
持續(xù)適航文件中的發(fā)動機(jī)維護(hù)、翻修手冊是針對發(fā)動機(jī)持續(xù)適航的最低要求,發(fā)動機(jī)營運(yùn)方編制的發(fā)動機(jī)維修手冊對其維修要求一般會高于文件的要求。手冊大致分為維護(hù)、翻修、部件修理和裝配手冊,其中列出整機(jī)、零部件的維修間隔(或使用時限)和維修類型。整機(jī)的維修主要是返廠翻修。對零部件的維修一般按照能否進(jìn)行修理進(jìn)行劃分。對不可修理的零部件采取更換操作,進(jìn)行更換維修的零部件包括限壽件、航線可更換件、封嚴(yán)件和線束等。更換的原因是某些重要件的損傷或缺陷無法通過修理的手段恢復(fù)到可用狀態(tài)。維修性設(shè)計(jì)理念是為使發(fā)動機(jī)維修不對飛行器造成延誤而提出的航線可更換件的概念。可進(jìn)行修理維修的零部件需按照手冊對其進(jìn)行相應(yīng)修理,零部件包括壓氣機(jī)葉片、渦輪葉片、燃燒室和發(fā)動機(jī)附件等。修理技術(shù)主要有焊接、電鍍、金屬噴涂等。流程一般可以歸納為清洗、檢測、修復(fù)、后處理(擠壓強(qiáng)化或噴丸強(qiáng)化技術(shù))。隨著修理技術(shù)的發(fā)展,對發(fā)動機(jī)零部件的修理正在向自動化修理的方向發(fā)展[13-14]。
維修手冊更側(cè)重維修類型,對于各種損傷都給出了維修方法(或工藝);在維修間隔的相關(guān)內(nèi)容上,只是給出了定期檢查的間隔以及限壽件的時限,在不同間隔執(zhí)行不同維修任務(wù),此外對維修間隔沒有描述。
文件體現(xiàn)了發(fā)動機(jī)適航規(guī)章對于保證發(fā)動機(jī)可靠性的最低標(biāo)準(zhǔn)。FAR33部規(guī)章對維修類型沒有做出明確規(guī)定,但FAR33.90條款針對維修間隔提出了要求[15]。
在FAR33.90中提到的維修檢查間隔即持續(xù)適航文件中的維修間隔,且維修檢查任務(wù)是手冊中定期維修任務(wù)的主要部分。通過檢查可以發(fā)現(xiàn)零部件的損傷,判斷發(fā)動機(jī)的狀態(tài),確定維修任務(wù),即依據(jù)狀態(tài)給定維修深度。不同的間隔會導(dǎo)致維修深度(維修任務(wù))的差異,所以維修間隔是發(fā)動機(jī)維修的核心內(nèi)容,在發(fā)動機(jī)適航規(guī)章的條款中對維修間隔做了明確的要求而未對維修深度有所要求。
航空發(fā)動機(jī)有上萬個零部件,持續(xù)適航文件不會一一列出每個零部件的維修任務(wù);維修間隔是維修任務(wù)的核心,但不是一成不變的。文件按部件和時間維度2方面闡述。所以為了揭示維修間隔的本質(zhì),首先對持續(xù)適航文件列出維修任務(wù)的零部件進(jìn)行分析,然后研究其維修間隔以剖析本質(zhì)。
持續(xù)適航文件是保證發(fā)動機(jī)固有可靠性的基礎(chǔ),其中發(fā)動機(jī)維修更多的是針對自身失效會對發(fā)動機(jī)產(chǎn)生重大后果的零部件。
并不是每個發(fā)動機(jī)零部件的失效都會影響其可靠性水平。例如在燃燒室中,允許范圍之內(nèi)的燒蝕損傷會影響燃油消耗率而不會影響燃燒室生成高溫燃?xì)狻O喾?,某些零部件影響發(fā)動機(jī)的可靠性水平,如防喘系統(tǒng)失效。依據(jù)FAR33.75條款提出重要性和危害性后果,將發(fā)動機(jī)零部件分為關(guān)鍵件、重要件和一般件,其中關(guān)鍵件、重要件的失效會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)重要性或危害性后果。
重要性和危害性發(fā)動機(jī)后果的界定如下[15]。
(1)輕微后果是指1臺發(fā)動機(jī)失效,其惟一后果是該發(fā)動機(jī)部分或全部喪失推力或功率(和相關(guān)發(fā)動機(jī)使用狀態(tài))。
(2)危害性后果包括非包容的高能碎片;客艙用發(fā)動機(jī)引氣中有毒物質(zhì)濃度足以使機(jī)組人員或乘客失去行為能力;與駕駛員命令的推力方向相反的較大的推力;不可控火情;發(fā)動機(jī)安裝系統(tǒng)失效,導(dǎo)致非故意的發(fā)動機(jī)脫開;由發(fā)動機(jī)引起的螺旋槳脫開;完全失去發(fā)動機(jī)停車能力。
(3)重要性后果的嚴(yán)重程度介于(1)和(2)之間。
由于關(guān)鍵件和重要件失效會對航空發(fā)動機(jī)的運(yùn)行產(chǎn)生重要影響,所以持續(xù)適航文件對發(fā)動機(jī)的維修在很大程度上是指對發(fā)動機(jī)關(guān)鍵件和重要件的維修。
持續(xù)適航文件中的發(fā)動機(jī)維修更多是針對關(guān)鍵件和重要件的,所以討論持續(xù)適航文件中的維修間隔也針對關(guān)鍵件和重要件。
在零部件自身屬性與外界因素共同作用下,性能狀態(tài)會不斷退化,當(dāng)超過一定數(shù)值時(失效閾值),零部件已無法完成規(guī)定的任務(wù),判斷為失效[16]。為了避免失效,需要對發(fā)動機(jī)進(jìn)行維修檢查以防止出現(xiàn)重要性或危害性后果。所以需要給出檢查的時間間隔,在時間節(jié)點(diǎn)上通過檢查判斷發(fā)動機(jī)狀態(tài),確定維修任務(wù)。
2.2.1 初始維修檢查間隔
初始維修檢查間隔是指發(fā)動機(jī)投入運(yùn)行后第1次進(jìn)行維修檢查時的飛行小時數(shù)或循環(huán)數(shù)。FAR33.90要求申請人進(jìn)行初始維修檢查試驗(yàn)用來模擬預(yù)期的發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)以確定初始維修檢查時限[14]。AC33.90-1為渦輪發(fā)動機(jī)的初始維修檢查試驗(yàn)提供審定指導(dǎo)。該咨詢通告介紹了全循環(huán)和加速任務(wù)試驗(yàn)[17]方法。通過對試驗(yàn)后的發(fā)動機(jī)進(jìn)行拆卸分解,檢查各部件是否符合設(shè)計(jì)和持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)要求,從而得到1個較為適合的初始維修檢查間隔。
FAR33部規(guī)章要求申請人通過試驗(yàn)給出初始維修檢查間隔,對應(yīng)的咨詢通告給出了試驗(yàn)的指導(dǎo)材料。初始維修檢查試驗(yàn)旨在對發(fā)動機(jī)的實(shí)際工作狀態(tài)進(jìn)行模擬,使發(fā)動機(jī)性能在其自身屬性與外界因素的共同作用下不斷退化。通過分解檢查判斷發(fā)動機(jī)的性能狀態(tài),從而找到某一狀態(tài)點(diǎn)(此狀態(tài)點(diǎn)在持續(xù)適航文件的適航性限制章節(jié)給出的限制范圍內(nèi)),并進(jìn)行維修檢查,既可以有效的保證發(fā)動機(jī)的固有可靠性水平又可以降低經(jīng)濟(jì)成本。
所以規(guī)章中要求的初始維修檢查實(shí)際上是要求申請人確定1個維修檢查的基準(zhǔn)點(diǎn),其對應(yīng)的發(fā)動機(jī)性能狀態(tài)既不會使發(fā)動機(jī)出現(xiàn)危害性或重要性后果;同時避免在未出現(xiàn)明顯性能衰退時進(jìn)行檢查產(chǎn)生不必要的經(jīng)濟(jì)花費(fèi)。
本文定義初始維修檢查節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的發(fā)動機(jī)性能狀態(tài)為設(shè)計(jì)點(diǎn)維修檢查閾值。
2.2.2 維修檢查間隔
持續(xù)適航文件要求發(fā)動機(jī)型號合格證申請人給出發(fā)動機(jī)定期維護(hù)資料[15],其中包含了對發(fā)動機(jī)及其零部件的維修檢查間隔,該間隔是指2次維修檢查之間飛行小時數(shù)或循環(huán)數(shù),所以不同于初始維修檢查間隔。
持續(xù)適航文件只給出1個維修檢查的薦用周期,一般指初始維修檢查間隔的周期,但維修檢查間隔并不等同于初始維修檢查間隔。后者是前者的參考值,并且每次維修檢查的周期都存在差異。在給定的間隔節(jié)點(diǎn)對發(fā)動機(jī)進(jìn)行維修檢查是監(jiān)控零部件。如果發(fā)現(xiàn)損傷,則需要對磨損程度進(jìn)行測量、評估損傷確定維修工作;同時需要根據(jù)檢查判斷零部件以及相關(guān)系統(tǒng)的狀態(tài)確定下次檢查間隔。
因此,在發(fā)動機(jī)的某次維修檢查節(jié)點(diǎn)上,需要通過進(jìn)行周期性維修檢查并根據(jù)檢查時的狀態(tài)判斷是否進(jìn)行預(yù)防性維修。如果零部件的性能狀態(tài)沒有達(dá)到預(yù)防性維修閾值,僅進(jìn)行持續(xù)適航文件要求的勤務(wù)而不進(jìn)行預(yù)防性維修;相反則立即進(jìn)行預(yù)防性維修。當(dāng)零部件性能狀態(tài)超過失效閾值時,零部件會失效并因此導(dǎo)致重要性或危害性后果,此時根據(jù)情況進(jìn)行修理或者換件。最后根據(jù)此次對發(fā)動機(jī)定期維修的情況判斷下次維修檢查的時間。
為了確定設(shè)計(jì)點(diǎn)維修檢查閾值,發(fā)動機(jī)適航規(guī)章只對第1次的維修檢查間隔做出了要求。在該檢查中,判斷發(fā)動機(jī)狀態(tài),確定維修深度,并確定下次檢查的間隔即判斷其性能衰退到設(shè)計(jì)點(diǎn)維修檢查閾值的時間。持續(xù)適航文件給出的維修間隔只是參考值,定期檢查的實(shí)際間隔是在一定范圍內(nèi)波動的,即根據(jù)發(fā)動機(jī)狀態(tài)適當(dāng)延長或縮短參考值。定義初始維修檢查節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的發(fā)動機(jī)性能狀態(tài)為設(shè)計(jì)點(diǎn)維修檢查閾值。如果將持續(xù)適航文件中給出的定期維修間隔(參考值)作為1個固定的維修檢查周期值寫入維修方案,使得依據(jù)固定周期進(jìn)行維修檢查時對應(yīng)的發(fā)動機(jī)性能狀態(tài)偏離設(shè)計(jì)點(diǎn)維修檢查閾值。從而造成固定周期的維修間隔相對于設(shè)計(jì)點(diǎn)維修檢查閾值對應(yīng)的間隔偏大或偏小,可能會造成發(fā)動機(jī)的維修不足或維修過多,最終增加維修成本、降低經(jīng)濟(jì)性同時還可能導(dǎo)致發(fā)動機(jī)可靠性下降。
靈活地確定維修檢查間隔就是為了尋求1個可靠性與經(jīng)濟(jì)性協(xié)調(diào)的節(jié)點(diǎn)(設(shè)計(jì)點(diǎn)維修檢查閾值),每次檢查節(jié)點(diǎn)的發(fā)動機(jī)可靠性水平需要參考初始維修檢查間隔節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的可靠性水平。發(fā)動機(jī)性能狀態(tài)受多方面因素影響,性能衰退與使用時間并不存在1個固定的函數(shù)關(guān)系,即在多個固定的時間間隔內(nèi),發(fā)動機(jī)性能衰退的程度不同。所以定期維修的檢查間隔是動態(tài)的,根據(jù)本次的狀態(tài)給出下次的間隔。
2.2.3 實(shí)例分析
以中國某航空公司CFM56-7B發(fā)動機(jī)機(jī)隊(duì)為例進(jìn)行分析。根據(jù)國際發(fā)動機(jī)(CFMI)公司提供的持續(xù)適航文件,選取維修檢查中的反推系統(tǒng)的檢查任務(wù)。文件要求:檢查左、右發(fā)動機(jī)阻力連桿的球型軸承滾珠,按需更換(Detailedinspectionoftheleft/right enginethrustreverserdraglinksphericalbearings),給出的間隔為7500飛行小時,實(shí)際上為初始維修檢查間隔,但發(fā)動機(jī)營運(yùn)方將每次維修檢查的定為7500飛行小時并寫入維修方案中。發(fā)動機(jī)型號合格證申請人通過規(guī)章要求的試驗(yàn)確定該部件的初始維修檢查間隔7500飛行小時,即發(fā)動機(jī)在實(shí)際運(yùn)行過程中,球型軸承的滾珠因不斷磨損而導(dǎo)致其性能下降,在7500飛行小時節(jié)點(diǎn)對其進(jìn)行檢查,判斷滾珠的狀態(tài),然后選擇做勤務(wù)潤滑或者換件。
綜上所述,零部件初始維修檢查節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)實(shí)際上是型號合格證申請人給出的狀態(tài)參考點(diǎn)(設(shè)計(jì)點(diǎn)維修檢查閾值),之后每次都與參考點(diǎn)狀態(tài)進(jìn)行比較。如果在7500飛行小時節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的維修任務(wù)是更換球型軸承滾珠或者是預(yù)防性的勤務(wù)潤滑,那么下次確定更換操作或者勤務(wù)潤滑操作的依據(jù)便是零件與參考點(diǎn)狀態(tài)相近。若是執(zhí)行換件操作,則可以近似將下次換件的間隔定為7500飛行小時(反推系統(tǒng)不出現(xiàn)意外為前提);若是執(zhí)行勤務(wù)潤滑操作,則需要估算球型軸承滾珠從參考點(diǎn)磨損至需要換件狀態(tài)的時間間隔。下次維修檢查間隔需要具體問題具體分析,如果7500飛行小時中零件性能退化較大,可能第2次維修檢查間隔需要縮短(小于7500飛行小時)并在此次執(zhí)行換件操作,那么第3次維修檢查時的狀態(tài)可以依據(jù)參考點(diǎn)狀態(tài)選擇7500飛行小時(第3次維修檢查進(jìn)行勤務(wù)潤滑),可也以參考換件節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)將第1次和第1、2次檢查間隔時間的總和作為第2、3次的檢查間隔(第3次進(jìn)行換件),但此間隔的確定還需要考慮經(jīng)濟(jì)性因素。以此類推,每次的檢查間隔都不固定,根據(jù)上次維修檢查的狀態(tài)和給出維修任務(wù)來確定下個維修檢查的間隔,在狀態(tài)判斷過程中,需要根據(jù)某一參考點(diǎn)進(jìn)行比對,該參考點(diǎn)是初始維修檢查節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的零部件性能狀態(tài)點(diǎn)(設(shè)計(jì)點(diǎn)維修檢查閾值)。
因此,通過實(shí)例可以更加形象地理解適航規(guī)章要求的初始維修檢查間隔實(shí)際上是適航審定當(dāng)局要求申請人設(shè)定1個性能狀態(tài)參考點(diǎn)便于在多次維修檢查中進(jìn)行參考比較;同時維修檢查的間隔不固定,確定間隔需要依據(jù)上次的性能狀態(tài)和執(zhí)行的維修任務(wù)。
(1)持續(xù)適航文件中的維修包括預(yù)防性維修在內(nèi)的檢查、翻修、修理和更換零件的操作的概念。預(yù)防性維修、換件或者修理的維修任務(wù)是根據(jù)維修檢查時對發(fā)動機(jī)狀態(tài)判斷得到并實(shí)施的,而不是在一定的維修間隔節(jié)點(diǎn)上執(zhí)行固定的維修任務(wù)。
(2)從適航規(guī)章的角度分析維修間隔的本質(zhì),定期維修間隔是需要根據(jù)發(fā)動機(jī)狀態(tài)改變的,維修間隔節(jié)點(diǎn)的發(fā)動機(jī)狀態(tài)表征某種發(fā)動機(jī)可靠性狀態(tài)。初始維修檢查間隔對應(yīng)了1種設(shè)計(jì)點(diǎn)的可靠性狀態(tài)。適航規(guī)章中要求申請人通過試驗(yàn)確定初始維修檢查間隔實(shí)際是要求給出1個可靠性水平不低于規(guī)章要求且維修經(jīng)濟(jì)性水平較低的維修檢查的基準(zhǔn)點(diǎn)。
(3)持續(xù)適航文件提到的維修檢查間隔是指初始維修檢查間隔,第N次維修檢查間隔是第N-1次執(zhí)行維修檢查以及執(zhí)行相應(yīng)維修任務(wù)后得到的間隔。
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