陳圣斌，丁 杰，宋永磊，曾曼成

(中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所可靠性工程研究室，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

直升機(jī)使用維修保障一體化的分析和研究

陳圣斌，丁 杰，宋永磊，曾曼成

(中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所可靠性工程研究室，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

目前國(guó)內(nèi)直升機(jī)的可靠性、維修性水平都得到了很大的提高，但是，由于后勤延誤時(shí)間太長(zhǎng)，直升機(jī)的使用可用度沒(méi)有得到明顯改進(jìn)。分析了造成這種狀況的原因，提出了使用維修保障一體化系統(tǒng)的設(shè)想，試圖使維修保障之間實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接，以消除或減少平均維修時(shí)間(MTTR)和后勤延誤時(shí)間(ADT)，真正實(shí)現(xiàn)可靠性工程“二提高二減少”的目標(biāo)。文中討論了使用維修保障系統(tǒng)的構(gòu)建及實(shí)現(xiàn)一體化的技術(shù)基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)，其目的是與業(yè)內(nèi)同行在現(xiàn)存HUMS系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過(guò)技術(shù)提升實(shí)現(xiàn)直升機(jī)使用維修保障一體化。

基于狀態(tài)的維修;維修保障;一體化設(shè)計(jì)

0 引言

目前，直升機(jī)使用維修保障工作中，綜合保障常常制約或影響直升機(jī)的使用可用性，備件的供應(yīng)便是明顯的例子。由于使用維修中備件供應(yīng)的滯遲，直升機(jī)倍增的可靠性和倍減的維修性對(duì)可靠性工程“二提高二減少”的獲益顯現(xiàn)不出來(lái)。例如，使用可用度A0，就是按如下公式計(jì)算［1］:

顯然，式(1)或(2)中，盡管MTBF、MTTR通過(guò)設(shè)計(jì)都有了很大的改進(jìn)，如果ADT(備件延誤時(shí)間)由于備件供應(yīng)而拖延，顯然，A0便得不到明顯提高。

上述這種情況，國(guó)內(nèi)外均無(wú)例外。例如，美國(guó)在伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)和阿富汗的反恐戰(zhàn)爭(zhēng)中，盡管有堆積如山的備件，但實(shí)際維修工作中仍然缺機(jī)少件，需要的備件得不到及時(shí)供應(yīng)。美國(guó)航空兵部隊(duì)將這種后勤保障的延誤稱(chēng)之“后勤尾巴”。2003年，美陸軍參謀長(zhǎng)提出了重新打造一個(gè)“基于能力的機(jī)動(dòng)的任務(wù)航空部隊(duì)，使得聯(lián)合作戰(zhàn)得到優(yōu)化，并且截去后勤尾巴”的要求，并提出從2015年開(kāi)始，將目前的基于故障的反應(yīng)式維修轉(zhuǎn)化為預(yù)先的主動(dòng)的基于狀態(tài)的維修，從而實(shí)現(xiàn)使用維修保障的一體化［2］。

本文首先根據(jù)目前的直升機(jī)使用維修保障方式提出了維修保障存在的問(wèn)題(如備件供應(yīng))，接著分析了問(wèn)題的原因，之后提出了使用維修保障一體化的技術(shù)方法，最后評(píng)估論述了實(shí)現(xiàn)使用維修保障一體化的新技術(shù)。

本文的目的是，通過(guò)使用維修保障一體化的討論，與業(yè)界同行共同促進(jìn)使用維修保障一體化技術(shù)的發(fā)展，真正實(shí)現(xiàn)可靠性工程技術(shù)“二提高二減少”的預(yù)期目標(biāo)［3］。

1 目前的使用維修保障存在的問(wèn)題

目前直升機(jī)的使用維修保障工作的概況如下:

1)使用維修

日常檢查(包括飛行前檢查、再次起飛(出動(dòng))檢查、飛行后檢查、安全檢查);定期維修;非定期維修;事故后維修以及以MTBF表征的產(chǎn)品的事后維修等;

2)維修保障

在實(shí)施使用維修工作中，涉及如下綜合保障資源:

①人員/人力;

②工具(包括外場(chǎng)便攜式檢測(cè)設(shè)備);

③專(zhuān)用工具、設(shè)備(內(nèi)場(chǎng)維修用);

④用戶技術(shù)手冊(cè)(飛行手冊(cè)、維護(hù)手冊(cè)、故障分析手冊(cè)、結(jié)構(gòu)修理手冊(cè)等);

⑤備件(隨機(jī)備件，內(nèi)場(chǎng)維修備件)等。

上面的使用維修保障工作都是在可靠性、維修性分析設(shè)計(jì)工作的基礎(chǔ)上，通過(guò)保障性相應(yīng)的分析工作，如維修級(jí)別分析、預(yù)防性維修分析(MSG－2或MSG－3)和使用維修分析來(lái)確定使用維修工作及保障資源的規(guī)劃。之后通過(guò)手冊(cè)的方式，如主要維護(hù)建議以及工具備件手冊(cè)等提交用戶實(shí)施。

直升機(jī)外場(chǎng)使用中，前面四項(xiàng)(維修保障)工作，在交付之前的各種試飛，包括設(shè)計(jì)定型試飛，都能得到較好的確定/驗(yàn)證。而提出的備件要求成為使用方和研制方棘手的問(wèn)題，由于交付之前的試飛時(shí)間短，難以暴露部件/設(shè)備壽命全部的故障或損傷，同時(shí)也難以給出合理的備件配置。為了應(yīng)對(duì)可能出現(xiàn)的故障，確保直升機(jī)的使用可用度，往往提供大量備件。結(jié)果是，正如前面所說(shuō)，備件堆積如山，但常常必須的備件卻缺機(jī)少件。影響直升機(jī)使用完好性。正如(1)(2)式所示，它將減低直升機(jī)的使用可用度。

2 存在問(wèn)題的原因分析

眾所周知，研制方交付的備件清單所規(guī)定的部件或設(shè)備的備件數(shù)量，通常是按如下備件計(jì)算公式給出的［4］:

1)對(duì)于預(yù)防性維修部件，其備件數(shù)量(S):

式中，K:加權(quán)系數(shù)，(考慮不可預(yù)見(jiàn)因素，可在1～1．5之間選擇);W:機(jī)群飛機(jī)/直升機(jī)數(shù)量;N:單機(jī)相應(yīng)部件/設(shè)備數(shù)量;H:每年飛行時(shí)間(飛行小時(shí)/年);t:考慮備件的計(jì)算時(shí)間(年);T:翻修間隔期或使用期限。

2)對(duì)于修復(fù)件維修部件/設(shè)備，其備件數(shù)量(λ):

式中，K:修正系數(shù);MTBUR:平均非計(jì)劃拆換時(shí)間，折換時(shí)間(0．8∽0．9)MTBF;MTBF:平均故障間隔時(shí)間。

當(dāng)然還有其它的備件數(shù)量的類(lèi)似計(jì)算公式［3］

由式(3)、(4)及其它類(lèi)似的計(jì)算公式，可以得出，其中機(jī)群數(shù)量及每架飛機(jī)/直升機(jī)的相應(yīng)部件數(shù)量是確定的，這里姑且認(rèn)為每年的飛行時(shí)間和考慮備件的計(jì)算時(shí)間也是確定的，那么，翻修間隔時(shí)間(T)和MTBF便是備件的主宰因素了。顯然T和MTBF值小，備件便多，反之T和MTBF值大，備件數(shù)量就少。

人們都知道，式(3)、(4)中的翻修間隔時(shí)間和MTBF值都是在試驗(yàn)條件下通過(guò)有限的試驗(yàn)樣本進(jìn)行試驗(yàn)來(lái)得到壽命時(shí)間，然后按經(jīng)驗(yàn)系數(shù)或置信度要求給出的。這些值是平均值，且以有限或少量的樣本，給出量化的產(chǎn)品壽命值。給出的備件數(shù)量無(wú)疑也是均值。

如圖1、圖2所示，通過(guò)壽命試驗(yàn)和可靠性試驗(yàn)，所給出的是產(chǎn)品試驗(yàn)條件下的平均壽命［5］。

1)預(yù)防性維修部件

對(duì)于預(yù)防性維修部件，在實(shí)際使用中，由于環(huán)境條件及產(chǎn)品所承受的實(shí)際應(yīng)力不同于試驗(yàn)條件的情況，這樣便會(huì)出現(xiàn)如下情況:

當(dāng)實(shí)際使用條件比試驗(yàn)條件嚴(yán)酷時(shí)，它還沒(méi)有達(dá)到所規(guī)定的翻修間隔時(shí)間，如圖1中T1，部件就達(dá)到其損傷限，如繼續(xù)使用，將給直升機(jī)帶來(lái)安全性風(fēng)險(xiǎn)。

例如，伊拉克“沙漠風(fēng)暴盾牌”和“沙漠風(fēng)暴”戰(zhàn)爭(zhēng)期間，由于戰(zhàn)爭(zhēng)發(fā)生在沙漠地帶，高溫、干旱、晝夜溫差大、沙漠和沙塵暴等惡劣環(huán)境使得許多部件未到壽命就因損傷、漏油而需更換，然而按(3)式給出的備件就顯得不充足;

同樣，英國(guó)在北海油田飛行的直升機(jī)曾多次發(fā)生動(dòng)部件未到規(guī)定的壽命時(shí)間便發(fā)生損傷的情況，造成直升機(jī)墜海。正是這些事故促進(jìn)了HUMS系統(tǒng)的研制和發(fā)展［6］。

絕大部分情況，直升機(jī)都是在常規(guī)的環(huán)境條件下使用，這種環(huán)境條件遠(yuǎn)好于試驗(yàn)條件。如圖1的T2所示，它達(dá)到的所規(guī)定的損傷限，遠(yuǎn)高于T，或者說(shuō)產(chǎn)品達(dá)到規(guī)定的壽命時(shí)間，它還未達(dá)到產(chǎn)品的損傷限，如果此時(shí)將其更換，無(wú)疑將浪費(fèi)產(chǎn)品的剩余壽命。

這種情況常有發(fā)生，例如，國(guó)外某型機(jī)大修時(shí)，某結(jié)構(gòu)件按規(guī)定拆卸更換，但測(cè)試其力矩仍在規(guī)定的范圍內(nèi)，且沒(méi)有超出其要求，此時(shí)更換無(wú)疑浪費(fèi)了其剩余壽命。

由上面的分析可以得出，直升機(jī)上的這些預(yù)防性維修部件在實(shí)際使用中受到實(shí)際環(huán)境條件和實(shí)際應(yīng)力的作用，達(dá)到其損傷限的時(shí)間不盡相同，并不是所規(guī)定的壽命值，這樣，按規(guī)定的壽命時(shí)間(T)來(lái)確定備件有可能缺機(jī)少件，或者備件“堆積如山”造成資源的浪費(fèi)。

2)修復(fù)性維修部件

對(duì)于修復(fù)性維修的部件/設(shè)備，尤其是航空電子設(shè)備及復(fù)雜設(shè)備，由于它們是以MTBF表示的質(zhì)量特征(隨機(jī)故障或偶然故障)，它們通常用狀態(tài)監(jiān)控的維修方式或事后(故障后)維修方式，產(chǎn)品的使用時(shí)間無(wú)疑達(dá)到了壽命極限。

然而這些部件是按(4)式或MTBF來(lái)給定其備件的，這也會(huì)出現(xiàn)預(yù)防性維修部件相似的情況，備件不足或資源浪費(fèi)。

人們都知道，新研的航空電子產(chǎn)品的或者新研的以隨機(jī)故障或偶然故障表征質(zhì)量特性的產(chǎn)品，它們通常以MTBF值來(lái)給出“壽命”的，而MTBF值都是通過(guò)分配、預(yù)計(jì)給出并通過(guò)可靠性試驗(yàn)來(lái)確認(rèn)/驗(yàn)證的。

正如前文所說(shuō)，試驗(yàn)時(shí)的環(huán)境條件及應(yīng)力水平與實(shí)際使用往往存在很大差異。當(dāng)使用條件嚴(yán)酷時(shí)，可能未達(dá)到規(guī)定的MTBF值或低于MTBF值，便發(fā)生部件故障要予以更換，同時(shí)就會(huì)出現(xiàn)備件不足的情況;而使用條件優(yōu)于試驗(yàn)條件時(shí)，有可能超過(guò)MTBF值或大于MTBF值的時(shí)間才會(huì)出故障，這將出現(xiàn)部件過(guò)剩，造成資源浪費(fèi)，如圖2所示。

從大多數(shù)實(shí)際使用的情況來(lái)看，因通過(guò)分配、預(yù)計(jì)給出經(jīng)可靠性試驗(yàn)確認(rèn)的MTBF值過(guò)高，實(shí)際使用中往往達(dá)不到所確定的或者低于規(guī)定MTBF值，造成許多以MTBF表征的航空電子產(chǎn)品和復(fù)雜產(chǎn)品備件不足或嚴(yán)重匱乏，無(wú)疑將影響直升機(jī)的使用可用度或使用完好率。

從上面的討論中可以看出，由式(3)和式(4)這兩個(gè)公式，以翻修間隔期或MTBF為函數(shù)所確定的備件計(jì)算方法，并不能反映實(shí)際使用的備件需求，往往造成有些部件/設(shè)備的備件不足，缺機(jī)少件;有些部件/設(shè)備的備件過(guò)多，造成資源浪費(fèi)。

針對(duì)上面存在的備件問(wèn)題，有許多文獻(xiàn)提出了備件優(yōu)化模型，但這些模型都是基于壽命的函數(shù)關(guān)系，因此，也就難以解決實(shí)際使用中的備件問(wèn)題。

3 使用維修保障一體化

航空技術(shù)的發(fā)展，特別是基于狀態(tài)維修方式的出現(xiàn)［9］，為解決備件問(wèn)題，提高使用可用度等奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，這種維修方式與機(jī)上的故障診斷和健康管理系統(tǒng)(PHM)相融合，便構(gòu)建了使用維修保障一體化系統(tǒng)。這不僅解決了備件供應(yīng)存在的問(wèn)題，按式(1)、式(2)的計(jì)算，由于減少了MTTR和ADT時(shí)間，將使用可用度由目標(biāo)的80%提高到90%或更高［8］。

為了便于理解這種使用維修保障一體化系統(tǒng)的發(fā)展，這里有必要看看其演化的脈絡(luò)。

3．1 傳統(tǒng)的使用維修與保障

目前國(guó)內(nèi)外有許多型號(hào)的直升機(jī)仍是傳統(tǒng)的使用維修保障方式。

直升機(jī)飛行中發(fā)生了故障或失效，空勤人員把飛行中的故障或失效記錄在飛行履歷本上，下機(jī)后交給地勤人員，由地勤人員進(jìn)行故障檢測(cè)、診斷和隔離，并進(jìn)行維修工作。例如，飛行中燃油流量表指示異常，空勤人員將這一信息記錄在履歷本上，下機(jī)后交給維修人員，并詳細(xì)介紹機(jī)上的故障情況，于是維修人員便開(kāi)始檢測(cè)隔離工作，找出故障原因。這一示例的情況下，故障有可能發(fā)生在燃油控制盒上或發(fā)生在安裝于發(fā)動(dòng)機(jī)的傳感器或傳感器到燃油表的信號(hào)傳輸線路上。這樣，從故障可能性大的部件開(kāi)始逐個(gè)排查找出故障源，最后拆卸更換，準(zhǔn)備下次飛行。

在地面維修保障過(guò)程，故障的檢測(cè)、隔離有可能沒(méi)有完善的便攜式檢測(cè)設(shè)備，對(duì)于故障的部件常用“替換法”或“電壓、電流檢測(cè)法”排查，這是很費(fèi)時(shí)的。而對(duì)備件的供應(yīng)而言，如備件庫(kù)存在相應(yīng)的備件，那么后勤延誤時(shí)間僅僅是到庫(kù)房提取的時(shí)間。如果庫(kù)房沒(méi)有備件，那就通過(guò)“割肉補(bǔ)瘡”的方式，從處在定檢或大修的直升機(jī)上拆下相應(yīng)的部件作為備件。否則，重新訂貨或向其他地方求援。顯然，這一過(guò)程會(huì)有一段很長(zhǎng)(至少10天半個(gè)月)的備件等待時(shí)間。此時(shí)，該直升機(jī)處于“趴窩”狀態(tài)，大大影響機(jī)群的使用完好率或使用可用度。

3．2 機(jī)載維修系統(tǒng)

這種機(jī)載維修系統(tǒng)最早可追溯到波音747－400大型民用旅客飛機(jī)上所裝有的如圖3所示的機(jī)載維修系統(tǒng)［9］。

正如圖3所示，當(dāng)機(jī)上某系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，便由機(jī)載維修系統(tǒng)，通過(guò)稱(chēng)之為EICAS(Engine Indication and Crew Alert System)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)把這一故障顯示在駕駛艙內(nèi)的顯示屏上，或在指示器上以故障旗的方式表示?？涨谌藛T將故障信息記錄在飛行履歷本上。

機(jī)載維修系統(tǒng)，采集EICAS的信息及各系統(tǒng)所傳輸?shù)墓收闲畔ⅲ窗扬w行中發(fā)生的故障(或故障旗指示)與造成這一故障的原因或故障的部件找出來(lái)，并顯示在駕駛艙內(nèi)的多功能顯示裝置(MCDU)上，這樣，便確定了故障及故障部件，并記錄在履歷本上，易于快捷維修。

如果利用空地通信功能，機(jī)載維修系統(tǒng)所采集的故障信息在飛行到達(dá)目的地之前，通過(guò)其高頻和衛(wèi)星通信自動(dòng)傳輸?shù)降孛?。這樣，地面維修人員在飛機(jī)著陸之前就獲得了故障信息，于是準(zhǔn)備好維修工具和備件，飛機(jī)著陸后，便能迅速地完成維修保障工作。

從這種機(jī)載維修系統(tǒng)可以看出:

1)通過(guò)機(jī)載維修系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了使用維修的一體化，或者使用與維修之間的無(wú)縫鏈接;由于實(shí)現(xiàn)了故障檢測(cè)、診斷和隔離的自動(dòng)化，大大地減少了MTTR時(shí)間。

2)這種機(jī)載維修系統(tǒng)仍是傳統(tǒng)的事后維修方式，它僅包括機(jī)載電子設(shè)備，沒(méi)有包括重要結(jié)構(gòu)件和動(dòng)部件的故障/損傷的檢測(cè)、診斷和隔離。這或許是旅客機(jī)(民用客機(jī))(除發(fā)動(dòng)機(jī)之外)動(dòng)部件較少的緣故。

3)這種機(jī)載維修系統(tǒng)，只是通過(guò)自動(dòng)檢測(cè)、診斷、隔離出已發(fā)生故障的設(shè)備或部件，因此，它不能實(shí)現(xiàn)維修與保障之間的無(wú)縫鏈接。正像傳統(tǒng)的使用維修保障一樣，它只是故障后去尋找備件，如果維修現(xiàn)場(chǎng)備件庫(kù)有相應(yīng)備件，接到機(jī)上故障報(bào)告后，取來(lái)備件等待飛機(jī)的到來(lái)。如備件庫(kù)沒(méi)有相應(yīng)備件，那也只好“割肉補(bǔ)瘡”或緊急訂貨，等待供應(yīng)商的備件。無(wú)疑，這種機(jī)載維修系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了使用維修的無(wú)縫鏈接，減少了MTTR時(shí)間，但因等待備件，造成了后勤保障的延誤，加大了ADT時(shí)間，由式(1)、式(2)可以看出，使用可用度A0得不到改進(jìn)。

3．3 使用維修保障一體化

盡管機(jī)載維修系統(tǒng)存在著問(wèn)題，但是從這一系統(tǒng)的工作原理得到了啟發(fā)，拓展了思路。如果機(jī)載維修系統(tǒng)發(fā)展為“故障預(yù)測(cè)和使用管理系統(tǒng)”，那么，不僅能實(shí)現(xiàn)使用維修之間的無(wú)縫鏈接，而且也能實(shí)現(xiàn)維修與保障之間的無(wú)縫鏈接。這便是使用維修保障一體化系統(tǒng)。

這一使用維修保障一體化系統(tǒng)的組成如圖4所示［10，12］。

通過(guò)機(jī)載傳感器，將機(jī)上重要的結(jié)構(gòu)件、動(dòng)部件、航空電子設(shè)備、機(jī)電設(shè)備的使用狀態(tài)、健康狀態(tài)以及直升機(jī)的飛行數(shù)據(jù)不斷實(shí)時(shí)地傳輸給“故障預(yù)測(cè)及使用管理系統(tǒng)”，然后該系統(tǒng)實(shí)時(shí)將重要部件及機(jī)載設(shè)備的“剩余壽命”給出在多功能顯示器上及機(jī)載維修信息卡上，并通過(guò)機(jī)上通信設(shè)備和空地通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸?shù)降孛嫦鄳?yīng)部門(mén):

－直升機(jī)飛行目的地;

－直升機(jī)飛行目的地的備件庫(kù)(資源調(diào)度中心);

－地面?zhèn)浼?yīng)商;

－產(chǎn)品制造商。

這樣，不僅空勤人員，而且地面相應(yīng)的管理人員(如地面維修人員等)都能實(shí)時(shí)地知道和管控機(jī)上重要部件、設(shè)備的使用狀態(tài)，或?qū)⑴R近功能故障的產(chǎn)品的剩余壽命。于是，空地互動(dòng)、地面上相應(yīng)部門(mén)的互動(dòng)，使制造商及早地將備件發(fā)送到供銷(xiāo)商，供銷(xiāo)商又繼續(xù)配發(fā)到地面維修備件庫(kù)。這樣備件庫(kù)隨時(shí)都有足夠但又不過(guò)剩的備件，確保備件的及時(shí)供應(yīng)。這就能迅速完成在線維修，使直升機(jī)繼續(xù)安全飛行。

從上面使用維修保障一體化系統(tǒng)的應(yīng)用原理可以得出:

1)這一系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了直升機(jī)的使用維修保障一體化的設(shè)想，它不僅能使使用與維修之間，而且使維修保障之間實(shí)現(xiàn)無(wú)縫鏈接。

2)由于這一系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了故障監(jiān)測(cè)、診斷、預(yù)測(cè)的自動(dòng)化及維修保障的主動(dòng)性，它降低了MTTR和ADT時(shí)間，無(wú)疑將大大提高直升機(jī)的使用可用度。

3)這一系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，可望將目前的三級(jí)維修體制轉(zhuǎn)化為二級(jí)維修體制。這將消除中繼級(jí)的定期維修等維修保障工作，這將大大地減少維修的人員/人力及使用維修費(fèi)用。

4)這一系統(tǒng)的應(yīng)用，將目前的基于時(shí)間和基于故障的反應(yīng)式維修轉(zhuǎn)化為基于狀態(tài)的維修。

5)這一系統(tǒng)的應(yīng)用，將使機(jī)上重要部件/設(shè)備的使用狀態(tài)實(shí)現(xiàn)空地可視化。不僅機(jī)上的空勤人員、地面的維修人員，而且制造商、供應(yīng)商、備件庫(kù)都能掌握產(chǎn)品的使用狀態(tài)或產(chǎn)品的剩余壽命。這樣的信息共享，就能實(shí)現(xiàn)從制造商到供應(yīng)商、備件庫(kù)及現(xiàn)場(chǎng)維修等各個(gè)部門(mén)之間的互動(dòng)和溝通。確保維修基地附近的備件庫(kù)隨時(shí)有足夠但不過(guò)剩的保障資源，實(shí)現(xiàn)自主保障。

4 使用維修保障一體化的技術(shù)基礎(chǔ)

當(dāng)今或未來(lái)的發(fā)展需求，都是促進(jìn)一種新技術(shù)研發(fā)的推手。例如，1982年12月，英國(guó)民用航空局主席在其向適航批準(zhǔn)委員會(huì)提出的15條建議中，就當(dāng)時(shí)北海油田航班飛行直升機(jī)旋翼和傳動(dòng)系統(tǒng)因機(jī)械損傷導(dǎo)致直升機(jī)頻繁發(fā)生飛行事故，提出了開(kāi)發(fā)有關(guān)參數(shù)及狀態(tài)監(jiān)測(cè)新設(shè)備的要求，從而促進(jìn)了HUMS系統(tǒng)的研發(fā)及現(xiàn)代直升機(jī)的廣泛應(yīng)用。2003年，美國(guó)參謀長(zhǎng)提出的“截去后勤尾巴”的要求促進(jìn)了“基于狀態(tài)維修及故障預(yù)測(cè)和使用管理系統(tǒng)”的發(fā)展。本文提出的使用維修保障一體化的構(gòu)想，便是這兩項(xiàng)技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)融合的結(jié)果。

4．1 基于狀態(tài)維修方式

現(xiàn)代直升機(jī)的維修，對(duì)于預(yù)防性維修的產(chǎn)品采用定時(shí)維修方式，對(duì)于修復(fù)性維修產(chǎn)品采用事后維修或狀態(tài)監(jiān)控維修方式。

對(duì)于預(yù)防性維修產(chǎn)品，無(wú)論是MSG－2，還是MSG－3都是基于時(shí)間的維修方式，到了規(guī)定的時(shí)間，不論產(chǎn)品的損傷狀態(tài)如何，就從機(jī)上拆下更換，這就存在著前面所討論的“風(fēng)險(xiǎn)和浪費(fèi)剩余壽命”兩種不利情況。

對(duì)于狀態(tài)監(jiān)控或事后維修方式，它是故障后維修。目前機(jī)上的航空電子及機(jī)電產(chǎn)品，由于他們都具有余度，通常都采用這種維修方式，這無(wú)疑使產(chǎn)品使用壽命達(dá)到極致，但是，重要的航空電子和機(jī)電設(shè)備，由于共因故障，這些具有余度的系統(tǒng)常常都會(huì)故障或失效。例如，某機(jī)電過(guò)壓控制保護(hù)器，因短路保護(hù)故障，造成全機(jī)斷電，被迫就近著陸。因此，重要航空電子設(shè)備和機(jī)電產(chǎn)品的故障，有可能危及飛行安全和飛行任務(wù)的完成。

基于上面的情況，在美國(guó)2004年提出的“陸軍CBM+路線圖”中［11］提出了基于狀態(tài)的維修方式，所謂的基于狀態(tài)的維修方式，是通過(guò)監(jiān)控診斷和預(yù)測(cè)產(chǎn)品(動(dòng)部件)的機(jī)械損傷及產(chǎn)品性能退化，在其出現(xiàn)功能故障之前，將其拆除更換。直升機(jī)某部件基于時(shí)間及基于狀態(tài)維修方式的對(duì)比如圖5所示，都延長(zhǎng)了使用壽命。對(duì)于航空電子或機(jī)電產(chǎn)品，與事故后維修減少了“Δt”的使用壽命，但確保了飛行安全和飛行任務(wù)的完成［10］。

這樣，機(jī)上的關(guān)鍵部件及重要設(shè)備，它們采用的不是以往的兩種維修方式，而是一種基于狀態(tài)的維修方式?；跔顟B(tài)維修方式的實(shí)例見(jiàn)文獻(xiàn)［10］。

4．2 故障預(yù)測(cè)及使用管理系統(tǒng)

這一系統(tǒng)是從HUMS系統(tǒng)發(fā)展而來(lái)的，人們都知道，HUMS系統(tǒng)主要是監(jiān)控直升機(jī)動(dòng)部件的使用或健康狀態(tài)。而這種故障預(yù)測(cè)和健康管理系統(tǒng)在HUMS的基礎(chǔ)上，加入了航空電子和機(jī)電部件的健康監(jiān)控。這種故障預(yù)測(cè)及健康管理系統(tǒng)(PHS)包括使用或健康監(jiān)控及參數(shù)監(jiān)控。

1)使用或健康監(jiān)控:也稱(chēng)之為故障預(yù)測(cè)，它通過(guò)不斷地監(jiān)控機(jī)上部件/設(shè)備的使用或健康狀態(tài)，確定機(jī)上關(guān)鍵的動(dòng)部件(旋翼、傳動(dòng)等)的損傷及航電、機(jī)電設(shè)備的性能退化，從而確定部件/設(shè)備的健康狀態(tài)或者到達(dá)功能故障之前的剩余壽命，以確保飛行安全和實(shí)現(xiàn)基于狀態(tài)的維修。

2)參數(shù)監(jiān)控:包括健康或狀態(tài)參數(shù)、使用參數(shù)以及飛行參數(shù)的監(jiān)控:

①健康或狀態(tài)參數(shù):主要是機(jī)械部件的振動(dòng)譜，通常是用告警門(mén)限值標(biāo)定的，或者狀態(tài)指標(biāo)器通過(guò)連續(xù)計(jì)算以指示監(jiān)控部件的性能退化。

②使用參數(shù)監(jiān)控:給出直升機(jī)或部件的使用狀態(tài)，包括溫度、壓力等。這些參數(shù)是通過(guò)對(duì)燃油、滑油排放氣體的分析產(chǎn)生的，這樣就能監(jiān)測(cè)到性能退化狀態(tài)。

③飛行參數(shù)監(jiān)控:這些參數(shù)來(lái)自飛行記錄儀，它給出了外部環(huán)境參數(shù)、氣象參數(shù)、飛行參數(shù)、飛行任務(wù)等，從而知道了直升機(jī)實(shí)際的飛行譜。

上面簡(jiǎn)要地說(shuō)明了PHS的概況，對(duì)于PHS的具體實(shí)施可參見(jiàn)文獻(xiàn)［12］、［13］。

5 使用維修保障一體化系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

1)開(kāi)發(fā)先進(jìn)的傳感器技術(shù)

這種一體化系統(tǒng)必須使用先進(jìn)的傳感器來(lái)檢測(cè)部件/設(shè)備的故障征兆。根據(jù)基于狀態(tài)維修的要求，其傳感器監(jiān)測(cè)的故障特征，應(yīng)符合圖6的曲線，且滿足下面4個(gè)條件［14］。

①有一個(gè)能檢測(cè)的潛在或初始的故障狀態(tài)。

②能在小于P－F的間隔時(shí)間內(nèi)監(jiān)控?fù)p傷或性能退化的擴(kuò)展。

③功能故障之前的P－F間隔時(shí)間應(yīng)足夠長(zhǎng)以避免很快地造成功能故障，并使相應(yīng)機(jī)構(gòu)有效地組織維修工作和保障支援。

④P－F之間的間隔時(shí)間對(duì)所表征的故障模式是恒定的

目前，針對(duì)動(dòng)部件已開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的傳感器，如監(jiān)控傳動(dòng)系統(tǒng)部件損傷的滑油金屬粒Metal Scan傳感器［16］，它便能滿足狀態(tài)監(jiān)控理論P(yáng)－F曲線的4條要求。

總之，無(wú)論動(dòng)部件、結(jié)構(gòu)件，還是航空電子和機(jī)電設(shè)備的狀態(tài)檢測(cè)傳感器，它們所表示的損傷或性能退化都應(yīng)滿足圖6和上面的4個(gè)條件的故障或狀態(tài)檢測(cè)特征。

另外，這些傳感器應(yīng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕，且比檢測(cè)的部件或設(shè)備具有更高的可靠性，其MTBF是后者的10倍或更高。

2)開(kāi)展關(guān)鍵動(dòng)部件及重要航空電子和機(jī)電設(shè)備故障或失效機(jī)理研究，以便建立故障預(yù)測(cè)模型。

所建立的預(yù)測(cè)模型應(yīng)使飛行譜、使用和健康數(shù)據(jù)以及經(jīng)驗(yàn)反饋所獲得的相應(yīng)事件和維修工作相關(guān)的數(shù)據(jù)鏈接起來(lái)，使用數(shù)據(jù)融合法(模擬融合)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法及損傷或退化模型，確定損傷和性能退化值，從而確定剩余壽命。

6 結(jié)論

通過(guò)上面的分析和討論，可以得出如下結(jié)論:

1)使用維修保障一體化系統(tǒng)的應(yīng)用，也有助于使用－維修－保障之間的無(wú)縫鏈接，它能減少維修時(shí)間，消除或縮短后勤保障時(shí)間，有助于提高直升機(jī)的使用可用度;實(shí)現(xiàn)二級(jí)維修，大大降低維修和后勤保障相關(guān)人員/人力及保障資源的需求;

2)使用維修保障一體化的實(shí)現(xiàn)，是基于狀態(tài)維修方式及故障預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)的融合，因此必須強(qiáng)化這兩方面的研究;

3)以狀態(tài)監(jiān)控理論，即P－F曲線表征故障特征的先進(jìn)傳感器及故障預(yù)測(cè)模型，是使用維修保障一體化的關(guān)鍵技術(shù)，必須加強(qiáng)傳感器及預(yù)測(cè)模型的研究;

4)現(xiàn)在西方國(guó)家直升機(jī)領(lǐng)域都在致力于這種一體化的研究及應(yīng)用，國(guó)內(nèi)直升機(jī)業(yè)界同行必須敢于擔(dān)當(dāng)，加強(qiáng)研究，通過(guò)協(xié)調(diào)合作，追趕世界先進(jìn)水平，促進(jìn)直升機(jī)事業(yè)的跨越發(fā)展。

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Analysis and Development of the Integrated System of Operation Maintenance Support for Helicopter

CHEN Shengbin，DING Jie，SONG Yonglei，ZENG Mancheng
(China Helicopter Research and Development Institute，Jingdezhen 333001，China)

At present，the reliability and maintainability level of domestic helicopters has been greatly improved，however，since the logistics delay time is too long，the operational availability of helicopters has not been significantly improved．This paper analyzed the causes of this situation and put forward the concept of the integrated system of operation maintenance support in order to realize the gapless link between operation maintenance support，and reduce MTTR and administration delay time(ADT)，thus it could achieve the purpose of improving the operational availability of helicopter．

condition based maintenance;maintenance support;integrated design

V267

A

1673-1220(2017)02-065-08

2016－09－01

陳圣斌(1944－)，男，江西永新人，研究員，主要研究方向:直升機(jī)可靠性維修性保障性。