基于RCMA的運載火箭活動發射平臺大修方法設計研究

任曉偉，王華吉，樊曉晨，韓 琪，高敏忠

（1. 北京航天發射技術研究所，北京，100076；2. 中國酒泉衛星發射中心，酒泉，732750）

0 引 言

活動發射平臺是指可以攜帶火箭及有效載荷在技術區和發射區之間進行垂直運輸，配合火箭實現總裝、測試、發射功能的發射臺。目前，中國共有3型活動發射平臺，分別在酒泉和海南發射場執行相關型號發射任務。作為發射支持系統的重要地面設備，發射平臺按規定需定期進行小修、中修、大修等檢修工作，其中大修是對發射平臺進行全面、徹底的檢修維護，對多次發射環境和長期存放環境造成的損傷進行修復，對到期的元器件、易損件、非金屬材料等進行更新，消除故障隱患和潛在安全風險。

以往發射平臺的大修屬于經驗式，即總結多年使用經驗和歷史故障，提出檢修檢測項目。隨著航天工程的發展和發射任務的高密度，發射平臺的功能集成化、結構復雜化程度不斷提高，傳統的經驗式大修方法存在理論性不強、缺乏科學有效的分析方法等缺點，因此有必要引入更加科學的理論指導，制定更加合理的檢修方法。

在此背景下，借鑒以可靠性為中心的維修分析（Reliability Centered Maintenance Analysis，RCMA）對活動發射平臺大修方法進行研究。

RCMA是按照以最少的資源消耗保持裝備固有可靠性和安全性的原則，應用邏輯決斷的方法確定裝備預防性維修要求的過程或方法。利用RCMA制定維修策略，避免了“多維修、多保養、多多益善”的“過度維修”和“故障后再維修”的“欠維修”傳統維修思想的影響，使維修工作更具科學性。近年來，研究人員將RCMA理論在裝備維修上進行了大量應用研究。文獻[2]以航天發射塔的故障診斷處理為案例進行分析，提出預防性維修大綱；文獻[3]、文獻[4]針對系統級產品，用RCMA分析方法，對裝備產品的維修提出研究方法；文獻[5]按照RCMA的分析流程，提出發射車的維修方法制定策略。

1 RCMA簡介

RCMA包括以下4個方面：

a）系統和設備以可靠性為中心的維修分析。適用于裝備、功能系統、非系統和各類設備及其他相似產品，基本分析流程如圖1所示。

圖1 系統和設備RCMA流程Fig.1 System and Equipment RCMA Process

b）結構以可靠性為中心的維修分析。適用于大型裝備的承載結構項目，基本分析流程如圖2所示。

圖2 結構RCMA流程Fig.2 Structural RCMA Process

c）區域檢查分析。區域檢查一般為目視檢查，適用于需劃分區域的大型裝備，主要包括檢查非重要產品（項目）的損傷、由鄰近產品（項目）故障引起的損傷。

d）分析結果的組合。把分析確定的各項預防性維修工作按間隔時間進行組合，形成以可靠性為中心的維修分析的最終輸出，如裝備的預防性維修大綱或其他所需的形式等。

2 RCMA在活動發射平臺大修中的應用

2.1 結構組成及功能

發射平臺的結構組成如圖3所示。其中傳動類機構產品，適合進行系統級的RCMA，承載結構類產品適合進行結構的RCMA。

圖3 發射平臺結構樹Fig.3 Launch Platform Structure Tree

分析過程中瞄準大修項目，對RCMA分析方法和內容進行適應性的剪裁，以分析檢修項目、檢測手段為重點。

2.2 系統和設備以可靠性為中心的維修分析 2.2.1 確定重要功能產品

組成發射平臺的零部件數量龐大，RCMA主要分析對發射平臺功能實現、安全性等影響重大的產品。

發射平臺的主要功能有承載、配合箭體進行垂直度調整、方位回轉、行走轉運等，下面以承載和垂直度調整功能為例，分析功能實現框圖，見圖4、圖5。

圖4 承載功能框圖Fig.4 Bearing Function Block Diagram

圖5 垂直度調整功能框圖Fig.5 Function Block Diagram of Verticality Adjustment

按以下原則確定重要功能產品：

a）該產品的故障是否影響主要功能實現，對發射任務造成重大影響；

b）該產品的故障是否影響產品安全，造成人員、設備的安全事故；

c）該產品的隱蔽功能故障是否會與另一有關或備用產品故障的綜合導致上述一項或多項影響。

結合產品結構樹和發射平臺的主要功能實現框圖，按以上原則識別并確定重要功能產品，見表1。

表1 重要功能產品識別Tab.1 Identification of Important Functional Products

經分析，將支承臂、方向機、止動器、轉換裝置、行走機構、活動工作臺、滾道結構確定為重要功能產品。受篇幅所限，下文以支承臂為例進行分析。

2.2.2 故障模式及影響分析

通過FMEA分析法以重要功能產品為對象進行故障模式分析，并對故障模式進行編碼。故障模式的識別主要依據2個方面：a）歷史故障庫；b）長期使用后的潛在故障。根據使用特點，主要失效形式為磨損、老化、性能下降等。支承臂FMEA分析見表2。

表2 支承臂FMEA分析Tab.2 FMEA Analysis of Support Arm

續表2

2.2.3 維修工作類型分析

參考發射臺歷次檢修經驗，并結合相關行業機械產品的大修做法（尤其是飛機的大修），提出7種典型的檢修方式，按級別從低到高依次為：

a）外觀檢查：對產品外觀進行檢查，檢查方式以目視為主，主要檢查產品外觀上較為明顯的變形、開裂、銹蝕等缺陷。

b）功能檢測：包括在線功能檢測和離線功能檢測，通過對產品的功能、性能的測試，檢查產品是否存在功能退化或受損現象。

c）常規保養：按照通用規范和要求，對產品進行常規維護保養，包括潤滑、噴漆、除銹、校正、更換易損件等日常維護工作。

d）專用設備檢測：對于常規檢查手段難以發現的損傷，借助專用設備進行檢測，比如無損探傷、涂層測厚等。

e）拆卸分解檢查：將產品拆解，采用有效的檢測手段和工具，檢查內部零件狀態和損傷情況，視情況采取維修措施。

f）報廢更新：有明確使用壽命的產品，或參考同類型裝備產品達到報廢條件的，對其進行更新。

g）設計改進：故障模式無法通過檢修措施有效排除，并確認對總體功能、性能有較大隱患和風險的產品，進行局部或整體改進設計，并重新生產、更換。

此7種檢修方式中，高等級覆蓋低等級，例如采取e方式，則不需再進行a、b、c、d。在下文的分析中，以適用的最高等級檢修方式為準。

2.2.4 制定邏輯決斷

參照GJB1378A-2007的相關內容，并根據活動發射平臺大修的特點進行優化，制定邏輯決斷圖（見圖6）。

2.2.5 邏輯決斷分析

對每種故障模式按邏輯決斷圖進行分析，見表3。

表3 邏輯決斷分析結果Tab 3 Logical Decision Analysis Results

2.2.6 確定檢修方式

按以上分析方法，分別對方向機、止動器、轉換裝置、行走機構、活動工作臺、滾道結構等重要功能產品進行分析，各部件的檢修方式見表4。

表4 各部件的適用檢修方式Tab.4 Applicable Maintenance Mode of Each Component

2.3 結構以可靠性為中心的維修分析

2.3.1 確定重要結構項目

確定重要結構項目的原則：損傷后會使發射平臺承載能力消弱或對安全性、任務性產生影響的結構組件。根據以上原則，結合圖1，確定重要結構項目為上框架、基座、過渡框、主框架。結構件主要為盒型梁焊接結構，梁之間通過法蘭連接螺栓進行連接。

2.3.2 故障模式及影響分析

采用FMEA分析法對重要結構項目進行故障模式分析，見表5。故障模式的識別主要依據歷史故障庫和發射平臺長期使用后的潛在故障。根據使用特點，主要失效形式為疲勞損傷、環境損傷和偶然損傷等。

表5 重要結構FMEA分析Tab.5 FMEA Analysis of Important Structures

2.3.3 結構損傷等級評定

承載結構從疲勞損傷、環境損傷、偶然損傷3方面進行等級評定。

a）疲勞損傷等級。按裂紋形成壽命與發射平臺使用壽命之比評定，確定疲勞損傷等級。

b）環境損傷等級。環境損傷分為一般環境損傷和應力腐蝕損傷。一般環境損傷等級為一般環境損傷敏感性等級和一般環境損傷探測及時性等級之和；應力腐蝕損傷等級為應力腐蝕敏感性等級與探測及時性等級之和。

c）偶然損傷等級。偶然損傷等級為偶然損傷敏感性等級與探測及時性等級之和。

參考GJB1378A-2007中附錄D，對發射平臺承載結構的損傷等級評分見表6。

表6 結構項目損傷等級評分Tab.6 Damage Grade Score of Structural Items

2.3.4 確定檢修方法

根據結構損傷評定等級，確定檢修方法為：

a）承載結構全面進行詳細目視檢查；

b）重要承力部位采用無損探傷檢查；

c）法蘭連接螺栓進行無損探傷檢查，按比例抽檢。

2.4 活動發射平臺大修項目的制定

根據以上的分析過程，得出發射平臺大修過程中，各檢修對象的適用檢修方法，見表7。

表7 檢修對象及檢修方法Tab.7 Maintenance Object and Method

3 結 論

本文采用RCMA方法，分析活動發射平臺的大修項目和方法，為發射平臺的大修方法設計提供理論依據。目前某型號活動發射平臺已按此方法完成大修，并圓滿完成大修后的兩次發射任務。該研究方法可為其他大型發射平臺及同類大型復雜設備的大修提供參考和借鑒，同時也提出以下建議：

a）根據產品和設備的具體特點和檢修需求，對RCMA方法和內容進行剪裁和補充，使之針對性更強。

b）大修項目制定后，可深入進行零件、元器件級別的FMEA分析，根據檢修目的制定更加具體詳細的檢修細則。

c）對檢修檢測數據進行匯總，結合壽命分析方法，對大修周期進行摸索研究。