戰場搶修備件保障模式分析

畢延超，陶鳳和，賈長治，陳 帥，陳洪超

（1.中國人民解放軍32138 部隊，河北保定 072154；2.陸軍工程大學（石家莊校區），河北石家莊 050003；3.中國人民解放軍32562 部隊，貴州黔南 522730；4.陸軍裝備部駐廣元地區軍代室，四川廣元 628000）

0 引言

隨著科學技術的不斷發展，武器裝備的殺傷范圍、毀傷效能和精確打擊能力日益增強。因此，在提升防護能力的同時，提高武器裝備的快速搶修能力，對提高戰斗力起到“倍增器”的作用，對擁有戰場主動權具有重要意義[1]。

換件修理是武器裝備戰場搶修中的重要方式方法，其對備件保障的時效性有著較高要求。然而攜帶備件的總量與部隊機動性之間是一對矛盾體，攜帶備件的種類數量過多（特別是一些質量較重的金屬備件）必然導致機動性能的降低，同時攜帶備件的種類或數量偏少則可能會出現備件匱乏、保障不及時的情況。

因此，分析戰場搶修中的備件保障模式，探索最佳的備件保障方式方法有著重要的現實意義。

1 攜帶備件的保障模式

通過攜帶備件的方式進行戰場搶修備件保障是一種傳統保障模式，目前應用較為廣泛，相關的理論研究比較深入，內容主要包括備件需求預測和備件配置優化兩個方面。

為了精準預測備件需求數量，王學偉等[2]根據備件的壽命分布特點，在分析歷史故障信息的基礎上，建立了基于歷史數據求解裝備備件需求數量的方法，并結合具體案例進行了檢驗，在一定程度上提高了備件需求數量預測的針對性；潘顯俊等[3]基于分數階模型理論采用遺傳算法和矩陣擾動理論等方法建立了應用分數階模型，并通過實驗數據進行了驗證，在一定程度上克服新概念裝備備件歷史需求數量少的問題；胡起偉[4]在分析備件故障模式以及不同維度預防性維修方案基礎上，研究了復雜條件下備件需求數量問題并建立了備件需求數量的解算模型；古平等[5]采用工程分析的方法建立了一種備件需求數量預測模型，在一定程度上提高了小樣本下裝備備件需求數量的預測精度；李院生[6]在考慮實際因素的基礎上，采用可靠性分析方法，提出基于更新過程的后續裝備備件需求數量模型，探索了解決裝備備件需求數量的動態預測問題。

為了科學配置備件、提高備件有效利用率，劉臣宇等[7]人以裝備備件缺口數量最小為目標函數，以裝備備件總價值小于等于總體保障經費為約束條件，建立了裝備備件二級庫存最佳的配置模型，并結合實例進行了驗證；劉任洋等[8]人依據生滅過程等理論，以裝備備件采購費用最低為目標函數，建立了基于橫向轉運的備件三級庫存模型，并結合案例驗證了模型的優越性；羅祎等[9]人以METRIC 理論為依據，結合“重測完好率”和“占空比”等重要參數，完成了多級供應體系下備件初始庫存模型，并通過仿真的方法對模型進行了驗證；王乃超等[10]人以保障概率作為目標函數建立了備件多級庫存模型，通過模型預測了多級庫存裝備備件量，并通過商業軟件對結果進行了分析，驗證了模型的有效性。

攜帶備件進行戰場搶修備件保障的優點是備件的標準化程度高、質量好，因為備件出廠前均經過復雜的工藝和工序，出廠時有著嚴格的質量檢驗。

攜帶備件進行戰場搶修備件保障的缺點主要包括兩個方面：①有效利用率比較低，盡管關于備件消耗預測和配置優化等問題進行了大量研究并取得了一系列成果，但備件保障需求的不確定性依然存在，特別是現代戰爭中新概念武器的使用，使得裝備損傷和備件保障需求的不可預知性更為突出，所攜帶的不同種類、型號的備件易出現冗余或短缺的現象，精確測算備件攜帶種類數量、靈活機動的實施備件調配，仍然是一個難題，有待進一步探索研究；②占用一定的運力，戰場中有大量的物資器材、彈藥以及傷員等需要周轉運送，而裝備備件大多為金屬材料質量較重，攜帶較多冗余的裝備備件在一定程度上會造成運力資源的浪費。

2 應急制造的保障模式

應急制造的保障模式是一種相對較新的裝備備件保障模式，其實踐應用仍有待進一步的研究和完善。應急制造的保障模式包括使用原材料通過減材或者增材制造的方法進行裝備備件的制造。

2.1 減材方式制造備件

減材制造是一種較為成熟的加工方式，其應用在裝備備件應急制造方面的優點是加工精度高、表面質量好；缺點是需要的設備種類多（車、銑、刨、磨等設備）、加工工序繁雜、材料的有效利用率低，同時因為減材制造需要原始材料的整體尺寸大于被制造的裝備備件件外形尺寸，因此需要同種材料有不同的結構類型，且易出現材料類型不符的短缺問題。

2.2 增材方式制造備件

增材制造是一種新型零部件成型方式，其在裝備備件應急制造方面的優點是需要的設備種類少、復雜結構成型能力強、加工工藝參數設置簡單以及材料的有效利用率高（屬于近凈成型），缺點是相對減材制造成型件尺寸精度略低、表面質量偏差[11-15]。

增材制造技術按照成型材料分為金屬材料、復合材料、高分子材料以及無機非金屬材料等技術[16]；按照成型原理分為光固化、三維粉末粘接、激光熔覆、選區激光熔化、電子束增材制造、層疊實體制造、熔絲制造、激光選擇性燒結、激光立體成型和電弧增材制造等技術[17-18]。

金屬增材制造主要包括激光立體成型、電弧增材、選擇性激光燒結、選區激光熔化、電子束增材制造和層疊法等技術，其中激光立體成型、電弧增材制造、選區激光熔化和電子束增材制造技術相對成熟，近年來發展迅猛，應用范圍較廣，較為適合制造裝備備件。下面對以上4 種金屬增材制造裝備備件的方法進行介紹：

（1）激光立體成型技術以激光束為能源，按照規劃的路徑將噴嘴噴出的金屬材料熔凝成型，其中激光束與噴出的金屬粉末同步運動（亦稱同軸送粉）。其優點是成型效率高、作業環境要求低（通過噴嘴周圍噴出的惰性氣體保護成型區域）、成型尺寸大，缺點是成型件的尺寸精度較低[19-20]。

（2）電弧增材制造通過高能量源（電弧）將金屬絲按照規劃路徑熔融堆焊成型實體，電弧增材的優點是材料利用率和成型效率較高而制造成本低，缺點是成型精度偏低。

（3）選區激光熔化是在選擇性激光燒結技術基礎上發展起來的制造技術，通過鋪粉裝置將金屬粉末均勻的鋪在成型缸頂部的基板上，激光器產生的高能量激光束通過振鏡偏轉后按照規劃的路徑在金屬粉末鋪層上移動，被激光束作用的金屬粉末經熔凝成型實體。選區激光熔化技術的優點是加工精度高、復雜結構成型能力強、力學性能好，其成型件力學性能可超過鑄件并接近鍛件水平，缺點是成型件尺寸相對偏小。

（4）電子束增材制造技術以電子束為能源與金屬粉材或絲材作用，金屬材料吸收能量后快速熔凝而成型實體，電子束增材技術包括兩種，一種是電子束選區熔化技術，另一種是電子束熔絲沉積技術。電子束選區熔化與選區激光熔化原理相似，最大的不同是粉末熔化的能量來源不同。電子束熔絲沉積技術的成型材料為金屬絲材，高能電子束按規劃的路徑作用在鋪設的金屬絲上使其熔凝成型實體。電子束增材技術的優點是掃描速度快和能量利用率高，缺點是作業環境要求高（需為真空）、成型件內殘余應力較大[21-22]。

綜合比較上述4 種金屬增材制造裝備備件的方法，選區激光熔化制造技術具備精度高、復雜結構成型能力強和成型件力學性能優的特點，其成型件經簡單后處理即可裝配使用，特別是近年來技術不斷的創新發展，目前選區激光熔化成型設備的最大成型尺寸不斷提高，該技術在制造裝備備件方面表現出較大潛力。

國內外針對增材制造技術在裝備備件應急制造方面的應用進行了一系列探索和研究。美國陸軍曾在阿富汗戰爭中依托“移動遠征實驗室”投入多臺3D 打印機，通過技術人員完成裝備備件的應急制造[23-24]；以色列空軍在2016 年采用增材制造的方式完成F-15 戰機損傷零部件的應急制造，有效恢復了戰機戰斗力[25]；美國普惠公司通過選區激光熔化技術成功制備了新型運載火箭的重要部件，且在實際運轉中得到檢驗；英國采用激光沉積技術（LDMD）制作的無人機框架已經得到了實際應用；我軍曾在“補給行動（2015）”中首次探索了增材制造技術在裝備維修中的應用，近年來西安交通大學等科研機構也在積極探索研制可用于戰場條件下的3D 打印應急制造系統[26]。

2.3 攜帶與應急制造相結合的保障模式

基于攜帶備件和應急制造進行備件保障的特點分析，提出攜帶備件與應急制造相結合的裝備備件保障模式（圖1），即攜帶種類齊全、單項數量較少的裝備備件，根據備件實際消耗情況，采取應急制造的方式進行備件補充。

圖1 攜帶備件與應急制造結合的保障模式

攜帶備件與應急制造相結合的保障模式，可在減小備件攜帶總量和提高機動性能的同時，充分發揮應急制造保障模式的優勢，有效保證裝備備件應急保障的時效性。

實行攜帶備件與應急制造相結合的保障模式，其前提是增材制造成型件滿足備件結構特征、力學性能和制造時間等指標要求，其中力學性能又涉及硬度、抗拉強度、沖擊韌性和磨損率等諸多指標。因此必須積極研究和探索以下兩個方面的問題：①確定增材制造設備工藝參數與成型備件力學性能之間定量的關系；②建立評價裝備備件是否適合增材制造的評價模型。

3 結束語

戰場搶修中的備件保障是一個系統問題，涉及制造、存儲、運輸等多方面因素，綜合分析裝備備件種類特點、新形勢下戰場搶修的新變化、新趨勢以及裝備備件應急制造技術現實狀況，探索最佳的裝備備件保障方式方法是一項緊迫而長期的工程。在分析攜帶備件和應急制造備件兩種保障模式特點的基礎上，提出攜帶備件與應急制造相結合的備件保障模式，旨在為探索戰場搶修備件保障的方法以及思路提供借鑒。