以可靠性为中心的基于状态维修的分析及其应用研究陈圣斌

PAGEPAGE1224第二其次十八届（2012）全国直升机年会论文以可靠牢靠性为中心的基于状态维修的分析及其应用研究讨论陈圣斌曾曼成郝宗敏张仁强（中航工业直升机设计研究讨论所，江西景德镇，333001）摘要:本文是根据依据国外资料编撰的研究讨论报告,文中论述了基于状态维修的基本原理及实现基于状态维修的必要条件；说明了明白基于状态维修的分析程序,给出了支撑基于状态维修HUMS和信息系统一般要求。最后,以实例介绍了基于状态维修在直升机上的应用。本文旨在抛砖引玉,期待期盼业界同仁共同关心直升机基于状态维修的改革和发展进展.关键词：直升机维修;基于状态维修;以可靠牢靠性为中心的维修分析；P—F时间间隔.引言随着航空技术的发展进展,航空维修方法也在不断的改进和革新。图1给出了航空领域维修方法从MSG直到目前嵌入于现代美国陆军航空兵的CBM+计划的整个转移过程。经过几十年的发展进展,航空维修方法已由早期的以定时为主的维修方式发展进展为以MSG或RCM表征的定时维修、视情维修、状态监控三种维修方式，通过上面的维修方法的变革与传统的这种定时维修方式相比,它使固定翼飞机(如波音747）的定时维修的部件，由数10件减少削减到3～5件;使机载成附件几乎都改成了状态监控维修方式,这大大地减少削减了维修费用和提高了飞机的使用可用度.然而,就直升机而言，尽管也按照依据以可靠牢靠性为中心的维修分析程序,进行了维修方式的改革,但打开直升机的主要维护建议或维修大纲，包括欧美直升机在内，其动部件(主尾旋翼系统、发动机和动力传动装置）仍是以定时维修的方式规划其维修工作.正如图2所示1),直升机的直接维修费用为整个寿命周期费用的30％，直升机成了“买得起,用不起”的飞行工具.图图1基于状态维修的发展沿革图2直升机寿命周期费用分配美陆军航空兵在本世纪初，提出了截短后勤尾巴的行动计划2）,其中有一项是对目前的维修作进一步的重大改革，使直升机目前的维修改革为基于状态的维修。于是美国陆军开发了以可靠牢靠性为中心的基于状态维修的程序方法。值得提出的是，上世纪后20年欧美国家在直升机上广泛应用的健康和使用监控系统(HUMS)以及直升机上目前的健康和使用的可视化信息系统的日趋完善，这为基于状态维修方法的实现提供供应了技术支撑.本文根据依据相关资料3）4）5），首先阐述了以可靠牢靠性为中心、基于状态维修的分析程序（RCM、CBM);然后，说明了明白以HUMS和信息化技术为支撑以实现基于状态维修的技术特征和要求，最后，以相应实例介绍了基于状态维修在直升机上的应用.1基于状态维修的定义基于状态维修的方法所谓的基于状态维修的方法,即是根据依据一个部件/产品的损伤或状态的实时监控，而采取实行主动维修措施（如更换、功能检查等）.与RCM不同之处，RCM所关注的是部件总体（型号）的通用的维修要求，而CBM所关心的是各个部件的状态，并根据依据部件状态实时监控，进行主动维修4)。图3不同环境条件下的部件/产品寿命(TBOˊ＞TBO＞TBOˊˊ）图4基于状态维修原理图3不同环境条件下的部件/产品寿命(TBOˊ＞TBO＞TBOˊˊ）图4基于状态维修原理（状态监控原理：P—F曲线）然而,使用中的实际状态、载荷及环境应力、疲劳疲惫损伤与确定寿命的状态有很大不同，如试验中的环境条件是严酷的高低凹凸温循环作用。如图3所示，由于这种差异性，这为按实际使用状态进行维修或延长使用寿命提供供应了空间。基于状态维修的原理（P-F曲线)基于状态维修，它是根据依据实际的损伤状态，而不是按计划的、例行的或重复的时间进行维修的方法，图4中所示的P-F曲线表征了基于状态维修的原理。图中P点是能够检测到的潜在故障点，而F点是发生功能故障点。只有满足满意下列条件下，才能在技术上实现基于状态的维修。必须有一个能够检测潜在故障状态的传感器或指示器；这种检测器在小于P-F间隔时间里，能够监控损伤的扩展；在功能故障发生之前的这一P-F时间间隔必须足够的长以避免避开功能故障的影响；表征相应故障的P—F的时间间隔是完全一致全都的。显然，由上可以看出，如果P点不能清楚清楚而无歧义地检测出来，那么，P—F的时间间隔便无法确定，基于状态维修的方法是不可不行实现的；如果损伤状态不能确定,那么，损伤的扩展点也无法确定，这样基于状态的维修也是不可不行实现的。简而言之，必须提供供应一个足够长的P-F时间间隔，以便对其工作的简要过程作出反应，并对实施的维修措施作出有效的规划。由上面的基于状态维修的定义不难看出基于状态维修的实现应具有以下必要条件：必须确定潜在故障和功能故障点及它们的时间间隔；且P—F时间间隔应足够的长。(在后面的CBM分析程序中，这一P—F时间间隔定义为大于最大的任务时间）；必须有一个能检测潜在故障点及损伤扩展的传感器或指示器.2以可靠牢靠性为中心的基于状态维修的分析程序3）这种以可靠牢靠性为中心的基于状态维修的分析程序包括以下基本内容：以可靠牢靠性为中心的维修分析；基于状态的维修分析；与HUMS相结合的基于状态维修.其中以可靠牢靠性为中心的维修分析是基于状态维修的基础,这正如美国陆军在RCM、CBM的行动计划中指出的那样,没有RCM的分析，CBM便像没有方向舵的航船。显然，RCM分析对CBM起着领引的作用。通过以可靠牢靠性为中心的维修分析，给出部件/产品的哪些故障应采取实行基于状态的维修,然后，又按CBM分析程序作进一步分析，确定基于状态维修的部件/产品要予以监控的状态和P-F的时间间隔。本节详细简略地阐述了RCM和CBM的分析程序，RCM和CBM的分析程序如图5所示。以可靠牢靠性为中心的维修（RCM）分析程序以可靠牢靠性为中心的维修分析程序，是广为人知的。正如图5左半部分所示，按这一分析程序，可以得到维修环境下的4种结果：基于状态维修（CBM）定时维修（TDM）无维修处理方式(NOM）运行到发生故障（RTF）从分析程序可以看出，这4种结果是根据依据故障的后果（或故障影响），故障的感知(故障是明显的或隐蔽的)和P—F时间间隔（大于或小于最大任务时间)来确定的。其中P—F时间间隔必须知道,按基于状态维修的定义，只有检测到潜在故障点及功能故障，且具有足够长的P—F时间间隔才能实现基于状态的维修。按美国陆军的CBM分析程序，这一P-F时间间隔应大于最大任务时间。如图5所示，4种类型的维修都取决于与P-F时间间隔相关的任务时间。如明显的致命性故障的P-F时间间隔大于最大任务时间时可采取实行CBM的维修方式,然后按CBM分析程序确定必须监控的状态及P—F时间间隔，以及在维修管理系统中，这种维修方式与HUMS的综合实现。基于状态维修（CBM）分析程序经RCM分析确定为基于状态维修方式的部件/产品，便要进行基于状态维修分析。这一分析是一不断发展进展的渐进过程，其目的是使能够使用的分析工具得到优化.当需要全尺寸的部件试验作为分析的一部分时，显然是很费钱的,因此，当数学建模或部分折因试验能够提供供应足够的信息以开发和综合CBM的解决方法，在经济上是更可取的.图5右上部分给出了开发CBM解决方法的渐进式途径或程序。必须指出的是，每一步之后便要研究讨论可用的信息,以确定是否足以产生CBM的解决方法。基于状态维修分析程序给出的予以监控状态及利用监控的结果，采用采纳主动维修解决方法如图5右下部分所示。与HUMS相结合的基于状态维修的方法上个世纪后半叶，欧美国家开发的直升机健康与使用监控系统（HUMS)是一种采用采纳全套传感器和计算机构建的监控直升机结构和动部件状态的监控系统。如果把基于状态维修分析所得到的CBM解决方法嵌入到HUMS的功能系统之中，便构建了与HUMS相结合的CBM解决方法——机载维修系统,即通过HUMS系统监控动部件和结构件的状态(如损伤、裂纹和裂纹扩展等），在部件/产品即将发生功能故障而尚未发生之前，便对其采取实行相应的维修措施,实现实时主动的维修。这种与HUMS相结合的CBM的解决方法如图5右下部所示：这种以CBM分析所获取猎取的CBM解决方法与HUMS结合构建的综合维修系统，它能使HUMS实现对动部件和结构件的健康和使用状态精确的监控.这种基于状态维修分析对HUMS的作用和意义，正如美国陆军CBM行动计划所述：这种无CBM分析而主观嵌入的健康与使用管理系统是一种无坚实基础的嵌入方法；这种综合的健康数据分析,没有对故障模式机理的精确掌控,其结果有可能是无效的结果或无结果的资源浪费。信息系统信息系统是支持基于状态维修环境的核心或关键，它不仅支撑着基于状态维修的实现，而且它对于通过全寿命周期管理保障计划，以较低的费用实现较好的使用完好性是非常格外重要的.这种信息系统在美国陆军的RCM、CBM的行动计划中，被视为重大的转化，它使被监控的部件/产品通过这种信息系统，实现真正的可视化。这种信息系统的重大转化包括5个方面的内容：部件/产品的唯一识别（UID）构型为中心的维修信息管理系统（MMIS）序列化的项目管理（SIM)履历本基于任务的维修信息管理部件/产品的唯一识别正如前所述,CBM计划的关键就是要掌控各个部件的状态，为了达到透彻地了解部件状态必须有许多很多重要的因素设置在这样的信息系统中。首先，基层级的信息系统,对各个部件要有可视性，这是通过贯彻美国国防部UID的策略来实现的，这一策略就是使管理人员对每一部件/产品用2维的可判读的机械编号进行唯一的标识。这样，每一个部件在美国国防部的后勤保障环境中被确认为全球唯一的,作为后勤的下一步，这样的信息系统，必须利用这样的编号标识作必要的变化以支持这种新的基于状态维修的方法。构型为中心的维修信息管理系统对于信息系统的下一个重要转化，即是建立以构型为中心的维修信息管理系统,通过这样的系统，管理人员便可对机群保持的构型状态或它们的每一重要装置实现可视化管理，图6是这种维修信息管理按保持状态构建的构型记录的一般方法,限于篇幅,图6参见文献［3]。每一重要部件可以进一步细化以实现分部件的可视性，从而获取猎取它们的详细简略状态和特征.序列化的项目管理监控部件可视性另一个重要部分，即是要给出予以跟踪管理的特征。这种功能在美国防部DOD4151。19器材维修的序列化项目管理文件中有明确的规定，其目的是通过给出相应的特征以便在整个国防部实现对这种重要器材的管理。这些特征包括飞行小时、循环次数；还包括储存寿命,保证期、大修次数，振动记录等.由于这些特征都会影响部件状态，因此信息系统必须通过UID收集和给出每一部件的这些特征.图5图5以可靠性为中心的基于状态维修分析程序履历本履历本是实现被监控部件可视性的最重大的转化。它要将现存的纸质履历本转化为电子资料说明书，以便管理人员利用这种电子化的履历本，在使用保障及维修环境下,对所有全部部件具有可视性。这一电子化的履历本，它必须给出每一部件在其整个寿命期内要予以跟踪的特征。这样，当部件在修理厂进行维修或大修时所消耗的资源,便能分配安排到由它的UID给定的项目上，并且记录相应的消耗.采用采纳这样的电子化的履历本，确保按实际数量，而不是传统的批量需求进行采购选购和储存,从而避免避开使用中出现消灭伊拉克前线堆积积累如山的没有使用过的备件.基于任务的维修信息管理陆军维修信息系统是重大的转化，它是向着基于维修任务的方式发展进展,这种基于维修任务的信息管理的方式是民用航空和汽车行业使用的方法模型，例如，当你的汽车要做相应的维修工作时，从汽车供应商服务中心所收到的清单说明便一目了然了,它给出了维修工作的范围和工作量，完成维修所用的技术数据，完成这一维修工作所需时间及备件需求量以及其他的附加检查和保养工作。这种基于维修的信息管理方式，它对机群的检查和维修造成重大的改变转变，不论是计划或非计划的维修工作,它就是发现问题、解决问题，这就需要机群维修信息的输入，以确定影响机群使用完好性的主宰因素。如果没有维修任务数据的收集、分析和评估，便不能完成计划维修的优化；同样,如果要使CBM是非计划维修转化为预测猜测的主动的维修工具，那么，没有掌控维修任务的相应信息,便不能量化基于状态维修的效果。在美国的RCM、CBM的行动计划中指出：必须以基于状态维修的分析为理论基础,以HUMS为CBM的技术支撑,实现上述维修信息管理的重大转化,才能实现基于状态维修方法的改革.应用实例美国业已开发了一种先进的滑油管路中碎片监控装置——金属粒探测器（Metalscan）,它是监控和预测猜测直升机发动机和传动装置轴承和齿轮结构损伤实现基于状态维修的很有效的状态指示器或传感器。这种金属粒探测器对发动机和传动装置轴承的碎片及齿轮的剥脱损伤能提供供应早期预测猜测，对损伤扩展到功能故障的严重性及扩展速度能提供供应量化指示,因此，这种传感器技术能估算潜在故障点（P)到功能故障点（F)的时间。限于篇幅，这里不详细简略引述这种状态指示器或传感器的工作原理，详见参考文献[4］.这种先进的金属粒探测器与传统的滑油金属探测器的比较如表1所示:表1两种探测器的检测功能比较检测功能金属屑探测器金属粒探测器金属粒探测器（Metalscan)优点磁性微粒探测能能微粒的测量不能能能量化跟踪损伤微粒大小及损伤扩展——是一种不会漏掉任何微粒的传感器微粒大小（小碎片-—大微粒）不能能能识别出不同大小的碎片—-在发生碎裂情况不会产生虚警微粒大小（金属绒—-细小微粒）不能能能识别正常磨损的碎片——在正常工作时，不会产生虚警非铁金属的检测不能能能识别轴承保持架的损伤-—是一要求尽快着陆的重要传感器碎片检测效能低高具有高于一个数量级的检测能力—-具有更快、可靠牢靠的检测能力图7由金属粒探测器组成的发动机传动装置监控系统图7由金属粒探测器组成的发动机传动装置监控系统结论和建议结论通过上面的分析和讨论商量，可以得出：这种以可靠牢靠性为中心基于状态维修分析为理论基础，以HUMS和信息系统为技术支撑的基于状态维修的方法，其最直接的获益是使相应的部件/产品由过去的基于时间的被动的定时维修转化为基于状态的主动、预测猜测性维修。这大大地延长了部件/产品的使用寿命。对于减少削减直接维修费用,提高使用可用度起重要作用.这种基于状态维修的改革,将使直升机的许多很多结构部件、动部件（如主尾旋翼桨叶、自动倾斜器、起落架支柱、发动机如传动装置等）由过去的定时维修转化为基于状态维修；以基于状态维修为核心，由信息系统为纽带构建的新的使用维修保障系统，将使部件/产品在整个供应链中实现可视性管理,这将消除堆积积累如山的备件储备，这对于截短后勤保障的尾巴起着重要作用；由CBM改革而引发的信息系统的转化，这将能实现维修信息管理、序列化的项目管理、履历本的管理、部件/产品状态管理、机群管理的可视性，这对于减轻维修负担、监控直升机的健康和状态、掌握和监控整个机群的使用等起着重要作用。4。2建议在长期的工作实践中发现,尽管在型号研制工作中,作了大量的可靠牢靠性、维修性、保障性的分析和设计工作，但总感到这些工作的结果,对于减少削减维修负担、减少削减维修费用、减少削减保障资源没有显示出明显的成效,其主要的原因缘由之一,就是传统的维修方式阻碍了可靠牢靠性、维修性、保障性分析和设计工作效能的发挥。尽管部件/产品的可靠牢靠性很高，但仍以设计定寿的规定的时间，而不是以它们的使用状态（可靠牢靠性）进行维修，这种穿新鞋走老路的方法无疑使所做的可靠牢靠性分析设计工作的成效显现不出来。美国陆军航空兵部队似乎也是发现了这些问题，（如动部件几乎都是定时维修,伊拉克战场堆积积累如山的、没有用过的备件等),于是，本世纪一开始开头便提出基于状态维修改革的行动计划。为了使国内直升机领域也能尽快实现基于状态维修的变革，这里建议成立以可靠牢靠性为中心的基于状态维修课题组开展相应的研究讨论工作,包括：美国陆军基于状态维修计划的背景及内容的详细简略研究讨论(如基于状态维修的程序、信息系统，以P—F时间间隔大于最大任务时间作为确定部件/产品基于状态维修的条件之一.)基于状态维修相关文件，标准的研究讨论（如美国陆军CBM+路线图、器材维修序列化项目管理、数字化航空后勤保障计划、以构型为中心的维修信息管理系统等.）直升机结构件、动部件基于状态维修改革的研究讨论（如实照实施基于状态维修改革的结构件、动部件选择原则及程序；数据收集（如结构损伤类型、程度、位置、严酷度、损伤原因缘由等）；基于状态维修的分析程序；通过建模分析、计算损伤对结构部件、动部件寿命、可靠牢靠性的影响从而确定是否需要监控状态、试验验证等。）国内现役直升机结构件、动部件使用状态的研究讨论（包括使用寿命及可靠牢靠性(MTTF或MTBF）)结束语本文是以国外资料编撰的综述报告，文中实有不详和不对之处，抱着抛砖引玉的目的，期待期盼业界同行作进一步研究讨论，促进国内直升机维修方法的改革和发展进展。参考文献G.Ponchlin，A。Lefedvre,P.LMaisomeuve，M.Glade，J.P.Derain.TheMaximumMaintenanceMasteryatEurocopter［C].33rdEuropeanRotorcraftForum13-09。2007LTCKimberlyA。Enderle,sustainingtheMultifunctionalAviationBrigade，ShorteningtheLogisticeTail［J］ARMYAVIATIONNoverber30，2004F。ChrisSauterAsystemApprochtoConditionBasedMaintenance［C]AmericanHelicapterSocietySpecialises’MeetingonConditonBasedMaintenanceFebruary12—132008DukaKitaljevich,RichardDupuis，KarenCassidy。OilDebrisMonitoringforHelicopterDrivetrainConditonBasedMaintenance[C］。AmericanHelicopterSocietySpecialist’sMeetingonconditionBusedMaintenanceFebruary12-132008EdwinD。Martin，Tonym。Page,UsefulLifeImprovementstoDynamicComponentsthroughRemediation[C］AHS61stAnnualForumJune1—32005ArthurJ.Gribensk,FleetManage—ment-AsustainedStrategytoReduceMaintenanceBurden。［