以可靠性為中心的基于狀態維修的分析及其應用研究

陳圣斌，曾曼成，郝宗敏，張仁強

(中航工業直升機設計研究所，江西景德鎮 333001)

0 引言

隨著航空技術的發展，航空維修方法也在不斷地改進和革新。圖1給出了航空領域維修方法從MSG直到目前嵌入于現代美國陸軍航空兵的CBM+計劃的整個轉移過程。經過幾十年的發展，航空維修方法已由早期的以定時為主的維修方式發展為以MSG或RCM表征的定時維修、視情維修、狀態監控三種維修方式。通過上面的維修方法的變革，固定翼飛機(如波音747)的定時維修的部件由數10件減少到3～5件;機載成附件幾乎都改成了狀態監控維修方式。這大大地減少了維修費用，提高了飛機的使用可用度。然而，就直升機而言，盡管也按照以可靠性為中心的維修分析程序，進行了維修方式的改革，但打開直升機的主要維護建議或維修大綱，包括歐美直升機在內，其動部件(主尾旋翼系統、發動機和動力傳動裝置)仍是以定時維修的方式規劃其維修工作。正如圖2所示［1］，直升機的直接維修費用為整個壽命周期費用的30%，直升機成了“買得起，用不起”的飛行工具。。

圖1 基于狀態維修的發展沿革

圖2 直升機壽命周期費用分配

美陸軍航空兵在本世紀初，提出了截短后勤尾巴的計劃［2］，其中有一項是對目前的維修作進一步的重大改革，使直升機的維修改革為基于狀態的維修。于是美國陸軍開發了以可靠性為中心的基于狀態維修的程序方法。

值得提出的是，上世紀后20年歐美國家在直升機上廣泛應用的健康和使用監控系統(HUMS)以及直升機上目前的健康和使用的可視化信息系統日趨完善，這為基于狀態維修方法的實現提供了技術支撐。

本文根據相關資料［3-5］，首先闡述了以可靠性為中心、基于狀態維修的分析程序(RCM、CBM);然后說明了以HUMS和信息化技術為支撐以實現基于狀態維修的技術特征和要求;最后，以相應的實例介紹了基于狀態維修在直升機上的應用。

1 基于狀態維修的定義

1.1 基于狀態維修的方法

所謂的基于狀態維修的方法，即是根據一個部件/產品的損傷或狀態的實時監控，而采取主動維修措施(如更換、功能檢查等)。

與RCM不同之處，RCM所關注的是部件總體(型號)的通用的維修要求，而CBM所關心的是各個部件的狀態，并根據部件狀態實時監控，進行主動維修［4］。

眾所周知，目前直升機動部件都是按使用安全-壽命方法進行設計和鑒定的，通常是有0.999999(6個9或0.96)的可靠度才予以接受，它是通過使用譜、部件的載荷及材料的疲勞特性確定的，這樣給出的壽命(總壽命、TBO或使用期限、視情維修間隔時間)便載入維護手冊之中［5］。

然而，使用中的實際狀態、載荷及環境應力、疲勞損傷與確定壽命的狀態有很大不同，如試驗中的環境條件是嚴酷的高低溫循環作用。如圖3所示，這種差異性，為按實際使用狀態進行維修或延長使用壽命提供了空間。

圖3 不同環境條件下的部件/產品壽命

1.2 基于狀態維修的原理(P-F曲線)

基于狀態維修，它是根據實際的損傷狀態，而不是按計劃的、例行的或重復的時間進行維修的方法，圖4中所示的P-F曲線表征了基于狀態維修的原理。

圖4 基于狀態維修原理

圖中P點是能夠檢測到的潛在故障點，而F點是發生功能故障點。只有滿足下列條件，才能在技術上實現基于狀態的維修。

1)必須有一個能夠檢測潛在故障狀態的傳感器或指示器;

2)這種檢測器在小于P-F間隔的時間里，能夠監控損傷的擴展;

3)在功能故障發生之前的這一P-F時間間隔必須足夠長，以避免功能故障的影響;

4)表征相應故障的P-F的時間間隔是完全一致的。

顯然，由上可以看出，如果P點不能清楚而無歧義地檢測出來P-F的時間間隔便無法確定，基于狀態維修的方法是不可實現的;如果損傷狀態不能確定，損傷的擴展點便也無法確定，這樣基于狀態的維修也是不可實現的。簡而言之，必須提供一個足夠長的P-F時間間隔，以便對其工作的簡要過程作出反應，并對實施的維修措施作出有效的規劃。

由上面的基于狀態維修的定義不難看出基于狀態維修的實現應具有以下必要條件:

1)必須確定潛在故障和功能故障點及它們的時間間隔;且P-F時間間隔應足夠的長。(在后面的CBM分析程序中，這一P-F時間間隔定義為大于最大的任務時間);

2)必須有一個能檢測潛在故障點及損傷擴展的傳感器或指示器。

2 以可靠性為中心的基于狀態維修的分析程序［3］

這種以可靠性為中心的基于狀態維修的分析程序包括以下基本內容:

1)以可靠性為中心的維修分析;

2)基于狀態的維修分析;

3)與HUMS相結合的基于狀態維修。

其中以可靠性為中心的維修分析是基于狀態維修的基礎，這正如美國陸軍在RCM、CBM的行動計劃中指出的那樣，沒有RCM的分析，CBM便像沒有方向舵的航船。顯然，RCM分析對CBM起著領引的作用。通過以可靠性為中心的維修分析，給出部件/產品的哪些故障應采取基于狀態的維修，然后，又按CBM分析程序作進一步分析，確定基于狀態維修的部件/產品要予以監控的狀態和P-F的時間間隔。

本節詳細地闡述了RCM和CBM的分析程序，RCM和CBM的分析程序如圖5所示。

2.1 以可靠性為中心的維修(RCM)分析程序

以可靠性為中心的維修分析程序，是廣為人知的。正如圖5左半部分所示，按這一分析程序，可以得到維修環境下的4種結果:

1)基于狀態維修(CBM);2)定時維修(TDM);

3)無維修處理方式(NOM);4)運行到發生故障(RTF)。

從分析程序可以看出，這4種結果是根據故障的后果(或故障影響)，故障的感知(故障是明顯的或隱蔽的)和P-F時間間隔(大于或小于最大任務時間)來確定的。

其中P-F時間間隔必須知道，按基于狀態維修的定義，只有檢測到潛在故障點及功能故障，且具有足夠長的P-F時間間隔才能實現基于狀態的維修。按美國陸軍的CBM分析程序，這一P-F時間間隔應大于最大任務時間。

如圖5所示，4種類型的維修都取決于與P-F時間間隔相關的任務時間。如明顯的致命性故障的P-F時間間隔大于最大任務時間時可采取CBM的維修方式，然后按CBM分析程序確定必須監控的狀態及P-F時間間隔，以及在維修管理系統中，這種維修方式與HUMS的綜合實現。

2.2 基于狀態維修(CBM)分析程序

經RCM分析確定為基于狀態維修方式的部件/產品，便要進行基于狀態維修分析。這一分析是一不斷發展的漸進過程，其目的是使能夠使用的分析工具得到優化。使用全尺寸的部件試驗作為分析的一部分，顯然是很費錢的，因此，若數學建?；虿糠终垡蛟囼災軌蛱峁┳銐虻男畔⒁蚤_發和綜合CBM的解決方法，在經濟上是更可取的。圖5右上部分給出了開發CBM解決方法的漸進式途徑或程序。

圖5 以可靠性為中心的基于狀態維修分析程序

必須指出的是，每一步之后都要研究可用的信息，以確定是否足以產生CBM的解決方法?；跔顟B維修分析程序給出的予以監控狀態及利用監控的結果，采用主動維修解決方法如圖5右下部分所示。

2.3 與HUMS相結合的基于狀態維修的方法

20世紀后半葉，歐美國家開發的直升機健康與使用監控系統(HUMS)是一種采用全套傳感器和計算機構建的監控直升機結構和動部件狀態的監控系統。如果把基于狀態維修分析所得到的CBM解決方法嵌入到HUMS的功能系統之中，便構建了與HUMS相結合的CBM解決方法——機載維修系統，即通過HUMS系統監控動部件和結構件的狀態(如損傷、裂紋和裂紋擴展等)，在部件/產品即將發生功能故障而尚未發生之前，便對其采取相應的維修措施，實現實時主動的維修。

這種與HUMS相結合的CBM的解決方法如圖5右下部所示:

這種以CBM分析所獲取的CBM解決方法與HUMS結合構建的綜合維修系統，能使HUMS實現對動部件和結構件的健康和使用狀態的精確監控。

這種基于狀態維修分析對HUMS的作用和意義，正如美國陸軍CBM行動計劃所述:

1)這種無CBM分析而主觀嵌入的健康與使用管理系統是一種無堅實基礎的嵌入方法;

2)這種綜合的健康數據分析，沒有對故障模式機理的精確掌控，其結果有可能是無效的結果或無結果的資源浪費。

3 信息系統

信息系統是支持基于狀態維修環境的核心或關鍵，它不僅支撐著基于狀態維修的實現，而且它對于通過全壽命周期管理保障計劃，以較低的費用實現較好的使用完好性是非常重要的。

這種信息系統在美國陸軍的RCM、CBM的行動計劃中，被視為重大的轉化。被監控的部件/產品通過這種信息系統，實現真正的可視化。這種信息系統的重大轉化包括5個方面的內容:

1)部件/產品的唯一識別(UID);

2)構型為中心的維修信息管理系統(MMIS);

3)序列化的項目管理(SIM);

4)履歷本;

5)基于任務的維修信息管理。

3.1 部件/產品的唯一識別

正如前文所述，CBM計劃的關鍵就是要掌控各個部件的狀態。為了達到透徹地了解部件狀態，必須有許多重要的因素設置在這樣的信息系統中。首先，基層級的信息系統，對各個部件要有可視性，這是通過貫徹美國國防部UID的策略來實現的，這一策略就是使管理人員對每一部件/產品用2維的可判讀的機械編號進行唯一的標識。這樣，每一個部件在美國國防部的后勤保障環境中被確認是全球唯一的，作為后勤的下一步，這樣的信息系統，必須利用這樣的編號標識作必要的變化以支持這種新的基于狀態維修的方法。

3.2 構型為中心的維修信息管理系統

對于信息系統的下一個重要轉化，即是建立以構型為中心的維修信息管理系統，通過這樣的系統，管理人員便可對機群保持的構型狀態或它們的每一重要裝置實現可視化管理。圖6是這種維修信息管理按保持狀態構建的構型記錄的一般方法，限于篇幅，圖6參見文獻［3］。每一重要部件都可以進一步細化以實現分部件的可視性，從而獲取它們的詳細狀態和特征。

3.3 序列化的項目管理

監控部件可視性的另一個重要部分，即是要給出予以跟蹤管理的特征。這種功能在美國防部DOD4151.19器材維修的序列化項目管理文件中有明確的規定，其目的是通過給出相應的特征，在整個國防部實現對這種重要器材的管理。這些特征包括飛行小時、循環次數，還包括儲存壽命、保證期、大修次數、振動記錄等。由于這些特征都會影響部件狀態，因此信息系統必須通過UID收集并給出每一部件的這些特征。

3.4 履歷本

履歷本是實現被監控部件可視性的最重大的轉化。它要將現存的紙質履歷本轉化為電子資料說明書，以便管理人員利用這種電子化的履歷本，在使用保障及維修環境下，對所有部件具有可視性。

這一電子化的履歷本，必須給出每一部件在其整個壽命期內要予以跟蹤的特征。這樣，部件在修理廠進行維修或大修時所消耗的資源，便能分配到由它的UID給定的項目上，并且記錄相應的消耗。采用這樣的電子化的履歷本，確保按實際數量而不是傳統的批量需求進行采購和儲存，從而避免使用中出現像伊拉克前線那樣堆積如山的沒有使用過的備件。

3.5 基于任務的維修信息管理

陸軍維修信息系統是重大的轉化，它是向著基于維修任務的方式發展。這種基于維修任務的信息管理方式是民用航空和汽車行業使用的方法模型。例如，當你的汽車要做相應的維修工作時，從汽車供應商服務中心所收到的清單說明便一目了然了，它給出了維修工作的范圍和工作量，完成維修所用的技術數據，完成這一維修工作所需時間及備件需求量以及其他的附加檢查和保養工作。

這種基于維修的信息管理方式，對機群的檢查和維修造成重大的改變，不論是計劃或非計劃的維修工作，它就是發現問題、解決問題，這就需要機群維修信息的輸入，以確定影響機群使用完好性的主宰因素。如果沒有維修任務數據的收集、分析和評估，便不能完成計劃維修的優化;同樣，如果要使CBM非計劃維修轉化為預測的主動的維修工具，那么，沒有掌控維修任務的相應信息，便不能量化基于狀態維修的效果。

這種基于維修的信息包括:MTBMA(任務失敗的平均間隔時間)、MTBMAF(影響任務的平均故障間隔時間)、MTBSF(系統故障的平均間隔時間)、MTBFMA(影響維修活動的平均故障間隔時間)。

在美國的RCM、CBM行動計劃中指出:必須以基于狀態維修的分析為理論基礎，以HUMS為CBM的技術支撐，實現上述維修信息管理的重大轉化，才能實現基于狀態維修方法的改革。

4 應用實例

美國業已開發了一種先進的滑油管路中碎片監控裝置——金屬粒探測器(Metal scan)，它是監控和預測直升機發動機和傳動裝置軸承和齒輪結構損傷，實現基于狀態維修的很有效的狀態指示器或傳感器。

這種金屬粒探測器對發動機和傳動裝置軸承的碎片及齒輪的剝脫損傷能提供早期預測，對損傷擴展到功能故障的嚴重性及擴展速度能提供量化指示。因此，這種傳感器技術能估算潛在故障點(P)到功能故障點(F)的時間。

限于篇幅，這里不詳細引述這種狀態指示器或傳感器的工作原理，詳見參考文獻［4］。

這種先進的金屬粒探測器與傳統的滑油金屬探測器的比較如表1所示:

表1 兩種探測器的檢測功能比較

由這種先進的金屬粒檢測器與HUMS構成的直升機傳動系統監控裝置的配置如圖7所示。

5 結論和建議

5.1 結論

通過上面的分析和討論，可以得出如下結論:

1)這種以可靠性為中心，基于狀態維修分析為理論基礎，以HUMS和信息系統為技術支撐的基于狀態維修的方法，其最直接的獲益是使相應的部件/產品由過去的基于時間的被動的定時維修轉化為基于狀態的主動、預測性維修。這大大地延長了部件/產品的使用壽命。對于減少直接維修費用，提高使用可用度起重要作用。

2)這種基于狀態維修的改革，將使直升機的許多結構部件、動部件(如主尾旋翼槳葉、自動傾斜器、起落架支柱、發動機和傳動裝置等)由過去的定時維修轉化為基于狀態維修。

圖7 由金屬粒探測器組成的發動機傳動裝置監控系統

3)以基于狀態維修為核心，以信息系統為紐帶構建的新的使用維修保障系統，將使部件/產品在整個供應鏈中實現可視性管理，這將消除堆積如山的備件儲備，對于截短后勤保障的尾巴起著重要作用。

4)由CBM改革而引發的信息系統的轉化，將能實現維修信息管理、序列化的項目管理、履歷本的管理、部件/產品狀態管理、機群管理的可視性，對于減輕維修負擔，監控直升機的健康和狀態，掌握和監控整個機群的使用等起著重要作用。

5.2 建議

在長期的工作實踐中發現，盡管在型號研制工作中，做了大量的可靠性、維修性、保障性的分析和設計工作，但總感到這些工作的結果對于減少維修負擔、減少維修費用、減少保障資源沒有顯示出明顯的成效。其主要原因之一就是傳統的維修方式阻礙了可靠性、維修性、保障性分析和設計工作效能的發揮。

盡管部件/產品的可靠性很高，但仍以設計定壽規定的時間，而不是以它們的使用狀態(可靠性)進行維修，這種穿新鞋走老路的方法無疑使所做的可靠性分析設計工作的成效顯現不出來。美國陸軍航空兵部隊似乎也是發現了這些問題，(如動部件幾乎都是定時維修，伊拉克戰場沒有用過的備件堆積如山等)，本世紀一開始便提出基于狀態維修改革的行動計劃。

為了使國內直升機領域也能盡快實現基于狀態維修的變革，這里建議成立以可靠性為中心的基于狀態維修課題組，開展相應的研究工作，包括:

1)美國陸軍基于狀態維修計劃的背景及內容的詳細研究(如基于狀態維修的程序、信息系統，以P-F時間間隔大于最大任務時間作為確定部件/產品基于狀態維修的條件之一)。

2)基于狀態維修的相關文件、標準的研究(如美國陸軍CBM+路線圖、器材維修序列化項目管理、數字化航空后勤保障計劃、以構型為中心的維修信息管理系統等)。

3)直升機結構件、動部件基于狀態維修改革的研究(如實施基于狀態維修改革的結構件、動部件選擇原則及程序;數據收集(如結構損傷類型、程度、位置、嚴酷度、損傷原因等);基于狀態維修的分析程序;通過建模分析計算損傷對結構部件、動部件的壽命、可靠性的影響從而確定是否需要監控狀態、試驗驗證等。)

4)國內現役直升機結構件、動部件使用狀態的研究(包括使用壽命及可靠性(MTTF或MTBF))。

6 結束語

本文是以國外資料編撰的綜述報告，文中實有不詳之處，抱著拋磚引玉的目的，期待業界同行作進一步研究，促進國內直升機維修方法的改革和發展。

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