直升機狀態維修技術模式發展前景

邊英杰，郝萬亮，申獻芳，張吉林

(1. 66350部隊，河北 保定 071000; 2. 32145部隊，河南 新鄉 450000)

0 引言

直升機具有機動靈活，能夠實施快速打擊等特點，在現代戰爭中發揮著重要的作用。直升機良好的維護保障模式以及較高的裝備完好率是決定直升機良好的出勤率的關鍵因素。因此，開展裝備保障模式的探討具有重要的意義。

傳統的直升機維修主要有事后維修和定期維修兩種模式。事后維修是在設備出現故障后才進行修理。這種方式會導致設備損壞，并由此引起其他的間接損失，后果嚴重時可能會使設備報廢甚至發生事故。定期維修則是按照預先制定好的維護保養計劃定期對直升機進行檢修。這種方式能夠降低重大事故發生的概率，但其維護成本較高，而且也存在一些不足：維修間隔過長則難以達到預防性維修的目的，過短則會產生過度維修，浪費經費等。隨著狀態監測技術、計算機技術以及維修分析決策技術的發展，基于狀態的維修得到迅猛發展，并逐漸顯示出巨大的優越性。由于其能夠掌握裝備的現行技術狀態，運用數據分析與決策技術預測裝備的壽命，并實施“精確”維修，保證裝備系統安全穩定運行，延長使用壽命，節約維修費用，提高完好率和可用度，因此基于狀態的維修已成為維修理論與應用研究領域的一個熱點。

1 狀態維修技術

大部分故障的發生是一個由量變到質變的漸變過程，這個過程可用如圖1所示的曲線表示。其中A點為故障萌發點，即狀態劣化的實際起點；B點為潛在故障點，從這點開始異常的狀態可以通過現有的技術手段檢測出來；C點為功能故障點，即裝備最終失效的時間點。從B點到C點之間的時間長度稱為B-C間隔。狀態維修的基本原理是當此間隔期足夠長，在B點和C點之間，通過一定的手段檢測出裝備的故障征兆，然后采取一定的維修措施，預防裝備功能故障發生。

圖1 裝備故障發生曲線

狀態維修(Condition based Maintenance, CBM)是從植入設備內部的傳感器或外部檢測設備中獲得系統運行時的狀態信息，通過對狀態信息評價來決定裝備維修需求，根據狀態監測和故障診斷技術提供的信息，能夠在故障發生前準確預知，并及時安排維修計劃，是一種實時或接近實時的裝備維修策略。需要強調的是，CBM不能簡單理解為狀態監控維修。狀態監控是CBM的前提和基礎，根據監控獲得的狀態信息進行數據處理、壽命預測等一系列活動是CBM的核心；確定維修需求、做出維修決策是CBM的最終目標。

狀態維修主要包括設備的狀態監測、故障診斷和預測、維修決策三大部分。它應用狀態監測技術和故障診斷技術確定設備的狀態，進行維修分析及決策，并實施維修活動。這種方式與傳統的事后維修和定期維修相比，可有效地降低設備維護費用，減少設備發生重大故障的概率，提高設備的總體可用性。

開放式基于狀態的維修的組織機構(OSA-CBM)將狀態維修系統分為七個不同的技術模塊，其核心內容主要包括以下六個方面，如圖2所示。

圖2 CBM系統模塊組成

數據獲取模塊主要由各種傳感器組成，為系統提供設備的狀態信息與數據交換。數據處理模塊接收來自數據獲取模塊或者其他信號處理模塊的信號和數據，輸出包括濾波信號、頻譜、傳感信息和其他特征信息。狀態監測模塊接收來自數據獲取模塊、數據處理模塊或者其他狀態監測數據，并將其與期望值進行比較，根據閾值大小做出不同的反應。狀態評估模塊接收來自不同狀態監測或其他狀態評估模塊的數據，主要作用是指示被監測部件、分系統或系統的劣化狀況，并給出診斷報告以及故障率。故障/剩余壽命預測模塊可以從上述各模塊獲得數據，預測指定時間的設備狀態或剩余壽命。維修分析與決策模塊通過分析狀態評估模塊和故障/剩余壽命預測模塊的數據，對維修工作進行定性與定量分析，并按照給定的目標給出最佳的維修工作和維修時機。

狀態維修是一個復雜的系統，從數據的獲取和處理、狀態監測、狀態評估、故障預測，到最終維修決策的制定，每一個過程都需要經過科學的判斷和計算，才能最終給出最佳的維修決策。

2 狀態維修技術在美國航空領域的應用

由于定期維修存在著維護成本高的特點，為了進一步降低維護成本，提高效率，美國于20世紀末提出并大力推行“基于狀態的維修”技術，在F-35、F-22等飛機上開展了相關試點工作，并取得了重大進展。從實際應用情況看，基于狀態的維修技術大大提高了裝備的完好性，顯著降低了維修費用，是實現武器裝備精確維修的重要途徑。

目前，狀態維修計劃在美國直升機維護領域已開始實施。美國共確定了AH-64A/D“阿帕奇”、UH-60A/L“黑鷹”和CH-47D“支奴干”三種機型共197個監控零部件，利用CBM系統開展維修活動，主要包括發動機、主變速箱、旋翼傳動裝置、尾槳傳動裝置、尾減速器等關鍵部件。狀態維修技術中用于狀態監控的新測試裝備和新嵌入式機載診斷系統安裝在部分直升機上，包括用于監控旋翼的軌跡和平衡的振動處理增強程序(VMEP)，以及由古德里公司研制的狀態與使用監控系統(HUMS)，以實時監測直升機部件的狀況。HUMS綜合了健康監控系統和使用監控系統，用于監控直升機及其子系統的性能和使用參數，預測直升機剩余使用壽命，并提供維修決策信息。該系統已廣泛裝備于美國直升機上，使直升機完好率提高了10%。在“伊拉克自由”行動和“持久自由”行動中，美國共動用了118套數字化資源收集器(DSC)系統。這些系統采用CBM系統為作戰人員和作戰裝備提供保障，共保障直升機裝備430余架，總飛行超過10萬小時。SDC系統通過傳輸“標準裝備管理信息系統(STAMIS)”數據和“狀態使用監控系統”數據完成了對裝備的維修保障，全任務能力提升5%。

基于狀態維修作為成本效益戰備的重要組成部分，一是增強了直升機的安全性能，降低了事故發生次數；二是能夠消除事故隱患，提高直升機的作戰能力；三是降低了維修成本和維修工作負擔，延長了設備的工作時間，節約了大量經費，美國每年因此節約的維修經費高達2億美元。

3 狀態維修技術對我國直升機維修模式的啟示

目前我國直升機的維修保障主要采用事后維修和定期維修兩種模式。實施狀態維修技術后，隨著視情維修范圍的擴大，外場維修工作將被簡化，增加原位檢修能力，減少定時維修內容。原有的對發動機、主減速器、旋翼等關鍵機械傳動部件的周期性工作和定檢工作，將由故障診斷與預測系統代替，采用視情/預知維修方式進行。

在直升機預先機務準備階段，根據機載監測診斷系統和地面測試提供的直升機狀態報告，排除部附件的故障缺陷，主要包括故障的定位和隔離、部附件更換、設備調校和檢驗以及故障件的修復。

在直接機務準備階段，直升機性能檢查主要依靠機載故障診斷與預測系統和便攜式維修輔助設備完成。若存在故障或部附件發現裂化狀態，則根據CBM決策軟件提供的維修方案實施維修。

在再次出動機務準備階段，工作的預見性明顯提高，在直升機還在空中訓練時，就將狀態或故障信息自動傳輸給地面維修站或準備保障系統，生成維修方案，明確維修內容。

CBM對飛機維修方式的影響，是大量新技術新手段運用的結果，除了利用在直升機上集成的先進傳感器外，還要借助各種算法和智能模型等來判斷直升機的狀態。因此，維修基礎不再僅僅是傳統的基于傳感器的診斷，而是基于CBM智能系統的預測。狀態監控也不僅僅只反映維修需求，而是提供準確實時的維修導向，從而促使飛機維修從原來以事件為主宰的維修(即事后維修方式)和與時間相關的維修(即定期維修方式)，向實時主動預測維修方式轉變。

我國部分直升機的狀態監控的范圍和性能相對有限，僅僅是單一的對個別設備的狀態監控，而不是一整套對直升機及其部附件進行監控、分析和決策的系統，跟美國成熟的基于狀態維修的維修保障體制相比還有較大差距。在關鍵技術方面，國內主要開展了狀態維修的理論研究，側重于研究狀態檢測和故障診斷技術，缺少根據設備的狀態信息進行維修分析決策這一重要功能，使得CBM難以充分發揮其應有的作用和效能。因此，成熟的能夠廣泛應用于實踐的狀態維修保障模式的實現還需要一段時間。

4 總結與展望

直升機的維修保障模式直接決定著直升機的完好率。基于狀態的維修是一種先進的預防性維修決策技術，能有效地克服定期維修造成的裝備過修或失修的問題，是未來裝備維修發展的必然趨勢，將帶來巨大的經濟效益。但是，由于我國在發展狀態維修技術方面與國外還存在較大差距，尤其是在關鍵技術突破以及宏觀管理決策的制定上有待進一步探索，因此在加強理論研究的同時，應當更側重于解決實際問題，使基于狀態的維修盡快得到應用。