面向?qū)椯A存延壽的PHM技術(shù)研究與工程應(yīng)用

馬凌,李俊,趙韶平,張永久

(北京市海淀區(qū)西北旺鎮(zhèn)北清路109號(hào)203分隊(duì),北京100094)

面向?qū)椯A存延壽的PHM技術(shù)研究與工程應(yīng)用

馬凌,李俊,趙韶平,張永久

(北京市海淀區(qū)西北旺鎮(zhèn)北清路109號(hào)203分隊(duì),北京100094)

目的通過應(yīng)用故障預(yù)測(cè)和健康管理(PHM)技術(shù),實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈武器的可靠壽命預(yù)測(cè)和健康管理。方法在分析國內(nèi)外現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,對(duì)某型導(dǎo)彈貯存延壽的系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì),并對(duì)工程應(yīng)用中的數(shù)據(jù)采集、壽命退化分析、預(yù)測(cè)方法,以及使用和貯存壽命預(yù)測(cè)等主要過程的技術(shù)途徑和研究方法進(jìn)行論述。結(jié)果工程應(yīng)用證明了PHM技術(shù)在導(dǎo)彈貯存延壽中的可行性,相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)也存在有效的解決方法。結(jié)論面向?qū)椯A存延壽的PHM技術(shù)體系在實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈武器全壽命周期管理和壽命科學(xué)評(píng)價(jià)的同時(shí),能夠有效降低裝備的延壽升級(jí)經(jīng)濟(jì)成本。

貯存延壽;壽命預(yù)測(cè);故障預(yù)測(cè)與健康管理

導(dǎo)彈作為大型復(fù)雜武器系統(tǒng),其性能、壽命的保持與恢復(fù),對(duì)部隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力提升,乃至經(jīng)濟(jì)提升具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。近年我國部分導(dǎo)彈武器裝備面臨陸續(xù)到達(dá)設(shè)計(jì)壽命末期,甚至已有裝備超期服役的問題,準(zhǔn)確掌握哪些裝備可以繼續(xù)服役、繼續(xù)服役時(shí)間,以及哪些裝備需要開展有效的維修以實(shí)現(xiàn)性能質(zhì)量恢復(fù),已經(jīng)成為部隊(duì)貯存延壽工作的關(guān)鍵任務(wù)[1—8]。

由于部分歷史型號(hào)產(chǎn)品設(shè)計(jì)更多強(qiáng)調(diào)使用功能與戰(zhàn)技指標(biāo)的實(shí)現(xiàn),忽略了裝備的測(cè)試性、維修性、保障性設(shè)計(jì)與試驗(yàn)驗(yàn)證,使得相關(guān)產(chǎn)品往往只能通過可靠性試驗(yàn)、壽命評(píng)價(jià)的方法實(shí)現(xiàn)貯存延壽,導(dǎo)致其壽命評(píng)價(jià)準(zhǔn)確性、工程化經(jīng)濟(jì)性都存在不足[9]。

1 面向貯存延壽的導(dǎo)彈PHM系統(tǒng)架構(gòu)

目前,美國等軍事強(qiáng)國,先后提出了完整的飛機(jī)、航天器的故障預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)體系,應(yīng)用于武器裝備的全壽命周期保障。以美國空軍 JSF-35[10]的自主健康管理系統(tǒng)、NASA的深空探測(cè)器IVHM[11]系統(tǒng)為例,兩者已分別已經(jīng)取得了明顯的軍事效益與經(jīng)濟(jì)效益。其中,JSF-35的自主健康管理系統(tǒng)LM-STAR由機(jī)載PHM和地面PHM組成,機(jī)載部分主要負(fù)責(zé)健康狀態(tài)的采集、判定、存儲(chǔ)、綜合,地面PHM系統(tǒng)負(fù)責(zé)報(bào)警處理、壽命預(yù)測(cè)、維修保障等綜合決策,其體系主要采用了OSA-CBM+的架構(gòu),如圖1所示。

近年來,某型導(dǎo)彈裝備的研制采用大量的信息化技術(shù),在實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈的長壽命、高可靠設(shè)計(jì)的同時(shí),也為面向?qū)椯A存延壽的PHM技術(shù)應(yīng)用提供了必要的支撐。根據(jù)該型導(dǎo)彈特點(diǎn),面向貯存延壽的PHM系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

系統(tǒng)架構(gòu)主要由彈載和車載(或地面)兩個(gè)部分組成,每部分都有對(duì)應(yīng)的PHM系統(tǒng)和相關(guān)硬件、軟件,只是功能側(cè)重不同。

圖1 OSA-CBM+技術(shù)架構(gòu)Fig.1 OSA-CBM+technology architecture

圖2 面向貯存延壽的導(dǎo)彈PHM系統(tǒng)架構(gòu)Fig.2 PHM system architecture of missile storage and life extension

彈載部分:數(shù)據(jù)采集硬件,包括標(biāo)準(zhǔn)邊界掃描芯片、傳感器、電子標(biāo)簽等,實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈的狀態(tài)信息采集、環(huán)境信息采集、機(jī)內(nèi)信息自檢以及綜合信息采集與記錄;數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與壽命預(yù)警軟件,利用嵌入式技術(shù),實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈綜合壽命信息存儲(chǔ),并通過外接便攜式終端的方式實(shí)現(xiàn)在測(cè)試過程的壽命報(bào)警。

車載/地面部分:數(shù)據(jù)采集硬件,包括ATE檢測(cè)設(shè)備,彈載健康管理信息、歷史健康信息等必須的傳輸、存儲(chǔ)設(shè)備;預(yù)測(cè)及決策軟件,包括性能預(yù)測(cè)、壽命預(yù)測(cè)和決策軟件。預(yù)測(cè)軟件提供數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)、物理模型預(yù)測(cè)等綜合應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)周期預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、慣導(dǎo)系統(tǒng)等導(dǎo)彈關(guān)鍵短板的壽命水平;決策軟件根據(jù)導(dǎo)彈及各關(guān)鍵的分系統(tǒng)、設(shè)備等壽命短板的設(shè)計(jì)指標(biāo)以及三級(jí)維修體制,提供更換、整修等決策建議。

2 工程應(yīng)用

2.1 導(dǎo)彈全壽命周期數(shù)據(jù)采集

采集全壽命周期數(shù)據(jù),確保影響、表征導(dǎo)彈壽命數(shù)據(jù)的有效性、統(tǒng)一性、完整性是貯存延壽工程的難題之一。文中提出的PHM系統(tǒng)架構(gòu)著眼解決數(shù)據(jù)采集問題,其技術(shù)途徑如圖3所示。

圖3 導(dǎo)彈全壽命周期數(shù)據(jù)采集技術(shù)途徑Fig.3 Technological approaches of missile life cycle data collection

1)狀態(tài)信息采集與存儲(chǔ):利用電子標(biāo)簽,實(shí)現(xiàn)裝備設(shè)計(jì)、測(cè)試、貯存、測(cè)試、維修過程中重要信息的記錄與管理。利用其中記錄的導(dǎo)彈異常測(cè)試數(shù)據(jù)、環(huán)境記錄、歷史故障以及維修狀態(tài),為導(dǎo)彈長期的壽命預(yù)測(cè)以及貯存延壽提供必要的分析數(shù)據(jù)與決策依據(jù)。

2)環(huán)境信息采集:利用溫度、振動(dòng)、濕度、應(yīng)力、化學(xué)等傳感器,實(shí)現(xiàn)影響導(dǎo)彈壽命水平的數(shù)據(jù)采集。該部分?jǐn)?shù)據(jù)將為后續(xù)基于物理模型的壽命預(yù)測(cè)提供輸入,為基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的壽命預(yù)測(cè)以及貯存延壽決策提供依據(jù)。

3)自檢測(cè)試數(shù)據(jù)采集:利用導(dǎo)彈的總線測(cè)試手段,實(shí)現(xiàn)在日常的整彈測(cè)試中,獲取整彈關(guān)鍵性能參數(shù)(例如,電壓、電流、脈沖計(jì)數(shù)、電平、油液高度等)以及加電時(shí)間、開關(guān)次數(shù)等使用數(shù)據(jù)采集,為壽命預(yù)測(cè)提供輸入。該部分的采集數(shù)據(jù)可通過現(xiàn)場(chǎng)便攜式采集終端進(jìn)行存儲(chǔ),并通過網(wǎng)絡(luò)收集至車載(地面) PHM系統(tǒng)。

4)外部檢測(cè)數(shù)據(jù)采集:該部分區(qū)別于BIT測(cè)試,主要利用外部的ATE、工業(yè)CT等專用測(cè)試設(shè)備實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈關(guān)鍵分系統(tǒng)、設(shè)備的單元測(cè)試,彌補(bǔ)BIT測(cè)試無法覆蓋的部分性能數(shù)據(jù)。例如,彈體結(jié)構(gòu)裂紋檢測(cè)、發(fā)動(dòng)機(jī)工業(yè)CT檢測(cè)、制導(dǎo)系統(tǒng)標(biāo)定等。

以上4類數(shù)據(jù)的采集,可為后續(xù)裝備的壽命預(yù)警、剩余壽命預(yù)測(cè)提供必要數(shù)據(jù)支撐,覆蓋每個(gè)裝備壽命周期。

2.2 導(dǎo)彈武器壽命退化分析

導(dǎo)彈武器系統(tǒng),由彈體結(jié)構(gòu)、彈頭、制導(dǎo)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、伺服機(jī)構(gòu)、電子儀器以及發(fā)射車組成,不同系統(tǒng)的壽命影響因素以及壽命退化趨勢(shì)存在差異。通過以往使用與保障經(jīng)驗(yàn),總結(jié)一般壽命短板如圖4所示。

圖4 導(dǎo)彈武器系統(tǒng)壽命短板Fig.4 Life shortcomings of missile weapon system

1)彈體結(jié)構(gòu)。彈頭在發(fā)射后將經(jīng)歷高速的空氣阻力摩擦,是導(dǎo)彈安全防護(hù)的關(guān)鍵。長期貯存中受到溫度、濕度等影響,其材料可能出現(xiàn)分解、退化。導(dǎo)彈在吊裝、值班過程中,產(chǎn)生的拉伸力可能對(duì)導(dǎo)彈的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度造成破壞,同樣可能帶來飛行過程的安全問題。

2)彈頭。長期貯存的溫度、濕度,可能造成引爆火工品以及不同技術(shù)狀態(tài)的彈藥化學(xué)性能退化,導(dǎo)致點(diǎn)火、毀傷不足。

3)發(fā)動(dòng)機(jī)。溫度、振動(dòng)、濕度,對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、密封性、裝藥量等產(chǎn)生影響,影響整個(gè)導(dǎo)彈的飛行距離。

4)制導(dǎo)系統(tǒng)。激光慣導(dǎo)中的激光發(fā)射器功率、精度隨著光纖材料的退化而退化,慣性制導(dǎo)的膠粘劑受溫度、振動(dòng)影響出現(xiàn)漂移。導(dǎo)引頭的天線增益長期貯存,同樣存在漂移。

5)伺服機(jī)構(gòu)。貯存、加電測(cè)試過程,溫度、振動(dòng)產(chǎn)生機(jī)械設(shè)備的摩擦、共振,導(dǎo)致機(jī)械執(zhí)行精度降低。

6)電子儀器。彈載計(jì)算機(jī)、控制電路受溫度、濕度、振動(dòng)等影響產(chǎn)生開路、短路等故障,造成數(shù)字電路的失效到壽。蓄電池組長期的化學(xué)材料退化導(dǎo)致內(nèi)阻增大,儲(chǔ)能降低。

通過以上分析可知,導(dǎo)致彈上關(guān)鍵設(shè)備、儀器失效的原因主要集中在溫度、濕度、振動(dòng)等外部環(huán)境以及自身材料退化,這就是導(dǎo)彈的壽命短板,需要建立有效的數(shù)據(jù)采集手段,保證必要的壽命預(yù)測(cè)支撐。

2.3 導(dǎo)彈壽命預(yù)測(cè)方法研究

根據(jù)導(dǎo)彈壽命短板分析可知,開展導(dǎo)彈的貯存延壽應(yīng)圍繞以上機(jī)電、電子、機(jī)械、材料分別開展有針對(duì)性的預(yù)測(cè)分析,以實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵設(shè)備的壽命預(yù)測(cè)與整彈剩余壽命評(píng)價(jià)。

傳統(tǒng)基于可靠性的壽命評(píng)價(jià)主要利用多個(gè)試驗(yàn)產(chǎn)品數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與事后分析,利用基于統(tǒng)計(jì)學(xué)指數(shù)分布、威布爾分布等進(jìn)行可靠度預(yù)計(jì)。面向貯存延壽的PHM技術(shù),強(qiáng)調(diào)基于實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控條件下的數(shù)據(jù)分析,可有效提升預(yù)測(cè)精度與自動(dòng)化水平。文中重點(diǎn)分析了基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)以及物理模型的預(yù)測(cè)方法。基于PHM技術(shù)架構(gòu)的導(dǎo)彈剩余壽命預(yù)測(cè)技術(shù)流程如圖5所示。

圖5 導(dǎo)彈壽命預(yù)測(cè)技術(shù)流程Fig.5 Technique process of missile life prediction

導(dǎo)彈武器貯存壽命預(yù)測(cè)的最終目的是貯存壽命預(yù)測(cè),預(yù)測(cè)方法科學(xué)與否,直接決定了預(yù)測(cè)結(jié)論的準(zhǔn)確性和可信度。以往指導(dǎo)導(dǎo)彈武器壽命評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)為GJB 3105—97《戰(zhàn)略導(dǎo)彈性能評(píng)定方法》,經(jīng)過以往的研究、驗(yàn)證表明,采用指數(shù)分布、威布爾分布、正態(tài)分布等統(tǒng)計(jì)分析方法具有評(píng)估誤差大的問題。文中重點(diǎn)結(jié)合PHM技術(shù)方向,從狀態(tài)監(jiān)控角度提出壽命預(yù)測(cè)方法。具體包括以下內(nèi)容。

2.3.1灰色系統(tǒng)的壽命預(yù)測(cè)方法

目前,灰色預(yù)測(cè)模型又稱GM模型(Grey Model)。通過建立灰色微分預(yù)測(cè)模型,對(duì)事物發(fā)展規(guī)律做出模糊性的長期描述,目前主要形式是GM(1,1)模型,適合具有單調(diào)遞增或遞減趨勢(shì)的數(shù)列預(yù)測(cè)。針對(duì)導(dǎo)彈實(shí)際工程數(shù)據(jù)分析,測(cè)試數(shù)據(jù)往往隨著加電、應(yīng)力釋放等因素影響,使得數(shù)據(jù)呈現(xiàn)遞增與遞減交替波動(dòng)的趨勢(shì)特征,因此GM對(duì)預(yù)測(cè)模型進(jìn)行改進(jìn),改用動(dòng)態(tài)等維GM(1,1)模型,實(shí)現(xiàn)基于測(cè)試數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的動(dòng)態(tài)壽命預(yù)測(cè)。其主要預(yù)測(cè)分析流程如圖6所示。

圖6 GM模型預(yù)測(cè)流程Fig.6 Prediction process of GM model

1)生成累加序列。選擇預(yù)測(cè)時(shí)刻t+1的前n個(gè)采樣時(shí)刻值作為原始序列x(0)=[x(0)(t-n-1),x(0)(t-n-2),…,x(0)(t)],進(jìn)行累加計(jì)算生成累加序列x(1)=[x(1)(t-n-1),x(1)(t-n-2),…,x(1)(t)]。

2)建立預(yù)測(cè)模型。由最小二乘法求解預(yù)測(cè)模型系數(shù),進(jìn)行累減還原得到預(yù)測(cè)模型:

3)計(jì)算t+1到t+k時(shí)刻的預(yù)測(cè)值。由預(yù)測(cè)模型的解,得到t+1到t+k時(shí)刻的預(yù)測(cè)值,在t時(shí)刻可以看出未來k個(gè)點(diǎn)的變化趨勢(shì),其中k＜n。

4)當(dāng)真實(shí)值到達(dá)k時(shí),可以預(yù)測(cè)t+k+1到t+2k時(shí)刻的值,這時(shí)新的數(shù)據(jù)更能反應(yīng)變化趨勢(shì),因此將原有預(yù)測(cè)值覆蓋前一步的預(yù)測(cè)值。

5)循環(huán)1)—4)步驟。以某導(dǎo)彈控制系統(tǒng)為例,其在長期的自然貯存過程中存在著參數(shù)漂移的問題,但由于振動(dòng)、溫度等應(yīng)力影響,使其部分參數(shù)存在著長期退化,直至超過退化門限無法恢復(fù)后,表征該設(shè)備的永久失效、到壽。該產(chǎn)品在壽命中期3年的測(cè)試數(shù)據(jù)(D(X)F:X軸與G無關(guān)項(xiàng))如圖7所示,可以發(fā)現(xiàn),數(shù)據(jù)本身隨著季節(jié)溫度的影響,表現(xiàn)為周期的上升、下降,但由于其設(shè)備內(nèi)器件、材料的總體退化,其指標(biāo)表現(xiàn)為總體上升的趨勢(shì)。通過建立GM數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)未來穩(wěn)定性數(shù)據(jù),選取GM(1,1)模型,并在每半年進(jìn)行預(yù)測(cè),經(jīng)過近7次的預(yù)測(cè)迭代,獲得的預(yù)測(cè)結(jié)果如圖7所示。

圖7 某導(dǎo)彈控制系統(tǒng)D(X)F測(cè)試參數(shù)GM預(yù)測(cè)Fig.7 GM prediction of a certain type missile control system D (X)F test parameters

如圖7所示,該指標(biāo)在第35個(gè)月以后具有明顯的上升加速,該指標(biāo)的上限為19(°)/h,從總體趨勢(shì)可見,未來一段時(shí)間后將出現(xiàn)指標(biāo)超差、產(chǎn)品到壽。預(yù)測(cè)精度采用均方根誤差(RMSE)和平均相對(duì)誤差(MPE)進(jìn)行評(píng)價(jià),分別為2.732和16.3%。根據(jù)預(yù)測(cè)精度分析,對(duì)于控制系統(tǒng)具有上下波動(dòng)的數(shù)據(jù)采用GM預(yù)測(cè)模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)具有較好的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率。由預(yù)測(cè)結(jié)果可見,每次預(yù)測(cè)的數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)均具有滯后性,實(shí)際工程應(yīng)用中可采用縮短預(yù)測(cè)周期與加大測(cè)試數(shù)據(jù)頻率的方式,降低預(yù)測(cè)的時(shí)延。另外在預(yù)測(cè)過程中,根據(jù)多次預(yù)測(cè)與實(shí)測(cè)值偏差的統(tǒng)計(jì)結(jié)果,可以計(jì)算出預(yù)測(cè)的置信區(qū)間,為延壽分析提供參考。

2.3.2時(shí)間序列壽命預(yù)測(cè)方法

針對(duì)具有相關(guān)關(guān)系的兩組變量,采用回歸分析的方法進(jìn)行分析和預(yù)測(cè),常用方法為線性回歸。一元線性回歸將一個(gè)變量與另一個(gè)隨機(jī)變量之間的相關(guān)關(guān)系用線性函數(shù)來表示。若一個(gè)隨機(jī)變量之間與多個(gè)自變量之間存在相關(guān)關(guān)系,需要采用多線性回歸的方法進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。實(shí)際工程數(shù)據(jù)存在的某些隨機(jī)過程與測(cè)試數(shù)據(jù)之間的隨機(jī)關(guān)系難以用任何函數(shù)關(guān)系式來描述,需要采用這個(gè)隨機(jī)過程本身觀測(cè)數(shù)據(jù)之間的依賴關(guān)系來揭示這個(gè)隨機(jī)過程的規(guī)律性。自回歸預(yù)測(cè)方法就是結(jié)合這種思想,在線性回歸的基礎(chǔ)上推廣得到的。

同樣以某彈上電氣設(shè)備的電流測(cè)試為例,其電流測(cè)試值代表了該產(chǎn)品的精度與穩(wěn)定性。針對(duì)該產(chǎn)品壽命中期開始進(jìn)行半月均值歷史數(shù)據(jù)序列,建立預(yù)測(cè)模型并進(jìn)行每半年周期進(jìn)行預(yù)測(cè),得到預(yù)測(cè)結(jié)果如圖8所示。

圖8 某導(dǎo)彈電氣系統(tǒng)性能測(cè)試參數(shù)的AR預(yù)測(cè)Fig.8 AR prediction of a certain type missile performance test parameters

如圖8所示,該性能指標(biāo)在第30多個(gè)月后,其實(shí)測(cè)值出現(xiàn)了明顯的退化(該指標(biāo)下限為8)。時(shí)間序列壽命預(yù)測(cè)模型與GM模型相比,其預(yù)測(cè)值具有更大的時(shí)延,但其預(yù)測(cè)值受實(shí)測(cè)波動(dòng)影響較小,預(yù)測(cè)值總體的趨勢(shì)性更好,因此該方法更適合于長期退化趨勢(shì)較明顯的性能指標(biāo)預(yù)測(cè)。預(yù)測(cè)精度采用均方根誤差(RMSE)和平均相對(duì)誤差(MPE)分別為0.4612和3.63%。

2.4 導(dǎo)彈武器壽命預(yù)測(cè)

2.4.1使用壽命

導(dǎo)彈慣測(cè)組合、彈上計(jì)算機(jī)、控制器、伺服機(jī)構(gòu)等電子、機(jī)電類設(shè)備具有累計(jì)加電時(shí)間指標(biāo)要求,而關(guān)鍵設(shè)備的開關(guān)、工作模式轉(zhuǎn)換具有累計(jì)計(jì)數(shù)要求。兩類指標(biāo)構(gòu)成了關(guān)鍵彈上設(shè)備的使用壽命。

導(dǎo)彈裝備交付用戶后,任務(wù)的機(jī)動(dòng)性使得不同導(dǎo)彈的加電、計(jì)數(shù)不同,因而各設(shè)備的使用壽命水平不一。對(duì)于使用壽命的預(yù)測(cè),可通過采集、記錄具有使用壽命的設(shè)備單機(jī)累計(jì)加電時(shí)間、開關(guān)計(jì)數(shù)等,利用趨勢(shì)外推模型,預(yù)測(cè)未來在相似使用頻度、剩余使用壽命。針對(duì)計(jì)算后不滿足設(shè)計(jì)要求的設(shè)備或即將使用超限的設(shè)備,在彈載PHM系統(tǒng)中進(jìn)行壽命預(yù)警,提供未來延壽建議。

2.4.2貯存壽命

基于物理模型預(yù)測(cè)方法精度優(yōu)于基于數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)方法,但受限于導(dǎo)彈設(shè)備的復(fù)雜結(jié)構(gòu),物理模型無法完全適合彈上設(shè)備級(jí)產(chǎn)品壽命預(yù)測(cè)。針對(duì)彈上設(shè)備主要采用基于數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)方法,而針對(duì)彈體材料、結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵電子元器件采用基于物理模型預(yù)測(cè)。

1)基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的彈上設(shè)備壽命預(yù)測(cè)。根據(jù)歷史故障數(shù)據(jù)分析,導(dǎo)彈關(guān)鍵性能指標(biāo)長期的退化趨勢(shì)具有一定差異,包括了趨勢(shì)明顯和周期震蕩兩種。其中,舵機(jī)漏油率、蓄電池內(nèi)阻、發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥量等,積累影響、失效機(jī)理相對(duì)簡(jiǎn)單,數(shù)據(jù)退化趨勢(shì)較為明顯,對(duì)此類性能指標(biāo)的預(yù)測(cè)可采用基于時(shí)間序列預(yù)測(cè)模型、基于曲線擬合、非參數(shù)回歸等預(yù)測(cè)方法,實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵指標(biāo)的預(yù)測(cè),并利用預(yù)測(cè)后的數(shù)據(jù)與超限門限進(jìn)行比對(duì),外推剩余壽命水平。對(duì)于組成結(jié)構(gòu)復(fù)雜的彈上設(shè)備,例如慣測(cè)組合機(jī)電一體化設(shè)備,其性能穩(wěn)定性受到貯存環(huán)境下溫度、振動(dòng)以及應(yīng)力釋放影響,使其穩(wěn)定性具有復(fù)雜的變化,表現(xiàn)為數(shù)據(jù)的周期震蕩(例如,軸向與G無關(guān)系數(shù)等)。對(duì)于此類性能的預(yù)測(cè),可采用基于季節(jié)性時(shí)序模型進(jìn)行預(yù)測(cè)。

2)基于物理模型壽命預(yù)測(cè)。由前面分析可知,電子元器件、防熱材料、磁性材料等基礎(chǔ)材料、元器件在受到溫度、濕度等敏感環(huán)境的影響產(chǎn)生性能退化。例如,控制電路中電容器件的容抗退化、彈頭防熱材料的拉伸強(qiáng)度、導(dǎo)熱系數(shù)性能退化等。可分別結(jié)合相應(yīng)專業(yè)理論,建立其失效物理模型進(jìn)行關(guān)鍵性能預(yù)測(cè)。典型的失效物理模型包括:a)膠粘劑蠕變。膠粘劑在溫度因素下,其應(yīng)力與形變隨時(shí)間積累變化,表現(xiàn)為蠕變量、蠕變率、應(yīng)力等與時(shí)間的關(guān)系。通過傳感器捕獲彈體內(nèi)關(guān)鍵不穩(wěn)溫度升高情況,預(yù)測(cè)膠粘劑蠕變速度,外推材料剩余壽命,實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵設(shè)備基于短板材料剩余壽命預(yù)測(cè)。b)磁鋼老化模型。隨著時(shí)間變化以及溫度等環(huán)境影響,磁鋼磁性能將發(fā)生退化。磁性能穩(wěn)定性影響石英加速度計(jì)力矩系數(shù)的穩(wěn)定性。通過磁鋼老化模型,可實(shí)現(xiàn)其由于磁性能退化導(dǎo)致部件剩余壽命預(yù)測(cè)。c)伺服電路熱性能模型。伺服電路的熱穩(wěn)定性主要由其元器件熱穩(wěn)定性決定,且互相具有一定補(bǔ)償作用。通過典型器件的熱穩(wěn)定性模型進(jìn)行預(yù)測(cè),可實(shí)現(xiàn)典型伺服電路的熱性能預(yù)測(cè),進(jìn)而給出剩余壽命預(yù)測(cè)結(jié)果。

3 關(guān)鍵技術(shù)分析

1)基于總線的彈載PHM集成技術(shù)。某型導(dǎo)彈采用總線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),彈載的RFID數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、傳感器數(shù)據(jù)采集、芯片邊界掃描、BIT數(shù)據(jù)自檢等綜合數(shù)據(jù)均需要通過總線傳輸與采集控制。基于總線的導(dǎo)彈健康監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì),將傳感器、邊界掃描、RFID以及PHM板卡綜合集成,實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈武器的彈載PHM系統(tǒng)集成。

2)基于貧數(shù)據(jù)的壽命預(yù)測(cè)技術(shù)。新型導(dǎo)彈設(shè)計(jì)向長壽命、高可靠方向發(fā)展,大大降低了導(dǎo)彈壽命周期內(nèi)的自檢、外部ATE單元測(cè)試。測(cè)試數(shù)據(jù)的減少,將對(duì)導(dǎo)彈壽命預(yù)測(cè)計(jì)算帶來影響,降低壽命預(yù)測(cè)精度。貯存延壽過程中,采用基于灰色預(yù)測(cè)模型的壽命預(yù)測(cè)方法,可有效降低壽命預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)量的依賴,提升導(dǎo)彈關(guān)鍵設(shè)備性能參數(shù)、剩余壽命預(yù)測(cè)精度。

3)基于模糊評(píng)判的壽命評(píng)價(jià)技術(shù)。導(dǎo)彈組成復(fù)雜,不同分系統(tǒng)的重要程度、造價(jià)、壽命水平、維修模式不一。例如,實(shí)際工程中彈上蓄電池組的到壽與發(fā)動(dòng)機(jī)到壽對(duì)整彈壽命影響差異巨大。貯存延壽工程中,通過研究基于模糊評(píng)判的壽命評(píng)價(jià)技術(shù),將彈上設(shè)備壽命、維修業(yè)務(wù)、設(shè)備成本進(jìn)行綜合建模,實(shí)現(xiàn)整彈壽命綜合評(píng)價(jià),將有效地提升貯存延壽工程的經(jīng)濟(jì)性與管理決策能力。

4 結(jié)語

面向?qū)椯A存延壽的PHM技術(shù)體系采用了世界先進(jìn)的武器裝備綜合保障解決方案,通過建立實(shí)時(shí)性更高、智能化程度更深的數(shù)據(jù)采集、壽命預(yù)測(cè)與延壽決策平臺(tái),實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈武器“設(shè)計(jì)、使用、維護(hù)、維修”的全壽命周期管理。通過對(duì)重要導(dǎo)彈武器的狀態(tài)、環(huán)境數(shù)據(jù)、性能測(cè)試數(shù)據(jù)的集成,實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的壽命科學(xué)評(píng)價(jià),在保障裝備管理完好率的同時(shí),有效地降低裝備的延壽升級(jí)經(jīng)濟(jì)成本。研究成果對(duì)我國相關(guān)武器系統(tǒng)貯存延壽工程也具有一定的借鑒作用。

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PHM Technique Studies and Engineering Applications Faced to Missile Storage and Life Extension

MA Ling,LI Jun,ZHAO Shao-ping,ZHANG Yong-jiu
(Division 203,109 of Beiqinglu Road,Town of Xibeilvang,Haidian District,Beijing 100094,China)

ObjectiveTo realize the reliable life prediction and health management of missile weapons,though the use of the technology of the application of fault prediction and health management(PHM).MethodsBased on analysis of the status of domestic and overseas,the storage and life-extending system architecture of a certain type of missile was designed.Technological approaches and research methods were discussed which were in the main processes of engineering application such as data collecting,life degradation analysis and prediction method.ResultsThe engineering application proved the feasibility of PHM technology in storage and life extension of the missile,and the related key technology also could be solved effectively.ConclusionThe PHM technology system which is oriented to the storage and life extension of missiles can realize the life cycle management of missile weapon and the scientific evaluation,at the same time,it can effectively reduce economic cost.of life extending and upgrade of equipment.

storage and life extension;life prediction;PHM

10.7643/issn.1672-9242.2014.04.009

TP277;V57

:A

1672-9242(2014)04-0042-07

2014-06-03;

2014-06-18

Received:2014-06-03;Revised:2014-06-18

馬凌(1976—),女,湖北人,碩士,助理研究員,主要研究方向?yàn)樾畔⒐こ獭㈩A(yù)測(cè)與健康管理。

Biography:MA Ling(1976—),Female,from Hubei,Master,Research assistant,Research focus:information technology,calculating&healthy management.