基于状态的维修在飞机外场维修保障中的应用研究

吴 超，李 雅

(中国飞行试验研究院，陕西 西安 710089)



基于状态的维修在飞机外场维修保障中的应用研究

吴 超，李 雅

(中国飞行试验研究院，陕西 西安 710089)

主要介绍了国外状态维修的发展趋势，从状态维修概念、状态维修系统工作流程等方面进行了较为详细的介绍。在剖析试飞阶段飞机外场维修保障的现状及其不足的基础上，运用基于状态的维修分析技术，进行了飞机外场维修方案优化和维修间隔优化方法研究，并给出了应用实例，期望能推动基于状态的维修在飞机外场试飞维修保障中的推广和应用。

基于状态的维修；维修保障；维修方案优化；维修间隔优化

0 引言

基于状态的维修(Condition Based Maintenance，CBM)是美国国防部近年来大力推行的维修策略，扩展称为CBM+。美军在CBM的目标、环节、工作过程等方面进行了系统的研究工作。随着武器装备的日趋复杂及信息化程度的不断提高，装备维修工作重点已由传统的以机械修复为主逐步转变为以信息(装备状态监控信息，故障检测、隔离和预测信息，维修资源信息等)的获取、处理和传输并做出维修决策为主。美军一直以来所采用的“定期维修”、“预防性维修”等维修方式已无法适应装备维修保障模式的转变。为此，美军于20世纪90年代末开始对其维修工作进行全面改革，大力发展装备状态维修技术。从CBM在美军装备维修中的应用情况看，CBM能够大大提高装备的战备完好性，显著降低维修费用，是实现武器装备精确维修的重要途径。

本文在剖析试飞阶段飞机外场维修保障的现状及其不足的基础上，运用基于状态的维修分析技术，进行了飞机外场维修方案优化和维修间隔优化方法研究，并给出了应用实例，期望能推动基于状态的维修在飞机外场试飞维修保障中的推广和应用。

1 计划预防维修制度及其存在的问题

计划预防维修制度是20世纪30年代发展起来的，其理论依据是机械磨损规律，它包括事后维修和预防性维修两种维修方式。

事后维修是在飞机发生故障后进行的维修。它一般适用于对安全或执行任务无影响的非关键性部件和不可维修的关键性部件。其优点是部件一直用到失效(不可维修部件)或发生故障(可维修部件)为止，能充分利用部件的使用寿命；缺点是如果关键部件发生故障，则会影响人员安全和任务的完成，不能预防事故发生。

预防性维修是为了预防产品故障或故障的严重后果，使其保持在规定状态所进行的全部活动。这些活动包括：擦拭、清洗、润滑、加油、注气、调整、检查、定期拆修和定期更换等。预防性维修中有的部件采用定期更换维修策略，这样就不能充分利用每个部件的使用寿命。对同一种类的各个部件，其正常使用期不完全相同，定期维修中有一些项目是分解部件，清洗和检查。如果检查后还能继续使用，则重新组装起来。重新组装一般破坏了原来各组件之间的配合，反而缩短了部件的使用寿命。

同时，计划预防维修是根据相似设备的经验暂定的较保守的维修，不可避免存在维修过度现象。鉴于计划预防维修存在上述弊端，迫切需要在飞机维修保障中应用先进的维修理论和技术，优化维修活动，促使飞机交付部队后尽快形成战斗力。

2 基于状态的维修(CBM)

2.1 CBM系统工作流程

基于状态的维修工作流程如图1所示。在状态监测阶段，主要工作是对选择的诊断信号进行采集、处理和特征量的提取与处理,并判断特征值是否超出门槛值。若未超出门槛值，则继续进行信号采集，若超出则直接进入下一阶段；在故障诊断与预测阶段，主要工作是判断故障类型。若为潜在故障,则预测装备的剩余有用寿命，否则即为功能故障。在维修决策阶段，根据状态信息和寿命预测决定是否进行维修，何时进行维修，进行什么样的维修。最后，制定维修计划并实施维修活动。

图1 状态维修流程图

2.2 状态维修分析与决策

随着信息化水平的不断提高，航空装备的高科技含量越来越高，同时包括的零部件种类多，工作可靠性要求高。因此，如何选择维修策略是飞机外场维护保障的重点和难点。

本文从以下两个方面考虑基于状态的维修策略：

1)根据飞机部件的重要性，采取相应的维修策略。

在制定飞机外场维修策略时，首先应对其系统和部件按重要程度进行分类。分类的方法很多，其中ABC分类法就是一种常用的、较好的方法。某型飞机A 类系统和部件数量少，大约占总数的10%左右，但所起的作用大。这类系统和部件是关键系统和部件。一旦这些系统和部件发生故障，将会造成重大的故障后果。因此，要求这类系统和部件在运行过程中，具有非常高的可靠性。这类系统和部件应是维修工作的重点对象。这类系统和部件应采用状态维修方式，变计划维修为针对性维修。实施状态维修不仅可以使维修工作量和维修费用大幅度降低，而且能实现较高的可用性。

2)根据飞机外场故障信息的统计结果，选择合适的维修方式。

在对B类和C类系统和部件进行维修时，应根据故障信息，选择合适的维修方式。对这些系统和部件来说，故障信息是决定其维修方式的基础。通过对故障信息的分析，可以判断飞机故障的类型，从而选择合理的维修方式。故障信息主要包括故障次数和故障后果这两方面的统计资料。例如，收集统计一年来发动机的停车频率和停车时间信息。绘制发动机停车时间和停车频率排列图表，只需列出占总数80%以上的导致停车时间最长及停车次数最多的系统和部件即可。对导致停机时间长、频率高的部件和系统，采用计划维修，彻底消除故障。对导致停机频率低，但一旦停车需要延续较长时间的系统和部件，应对造成故障的过程和原因进行分析，并进行状态监测，进行状态维修。

3 试飞阶段CBM的应用研究

3.1 维修方案优化

飞机试飞阶段维修保障工作主要依据飞机技术使用维护说明书、飞机维修规程等实施，而它们又是依据预防性维修大纲编制的。试飞阶段是飞机研制的重要阶段，也是进行维修方案优化的最佳阶段。以CBM理论为依据，对维修方案进行优化。维修方案优化流程图如图2所示。

图2 维修方案优化流程图

3.2 维修间隔期优化

维修间隔是指执行某种维修工作类型或某级检查的间隔时间。间隔期的长短主要取决于维修工作的有效性。新装备在投入使用前，由于信息不足，难以恰当地确定其维修间隔期。因此，一般开始都定得保守一些。在装备投入使用后，随着信息的积累，有必要对维修间隔期进行修正。下面就视情维修和定期维修(以定期检查为例)研究其维修间隔期优化方法和模型。

1) 按安全性要求决策

基于状态的维修的目的是检测出潜在故障，以便预防功能故障的出现，或将故障发生的概率控制在规定的可接受水平之内，确保安全性。

P-F间隔(见图3)是检测到一个潜在故障的点P和该潜在故障变化为一个功能故障的点F之间所经历的时间。

图3 P-F间隔曲线

图3中T为潜在故障发展为功能故障的时间，Tc为视情维修间隔期。RCM是根据T来确定Tc，而且要求Tc

对于具有安全性影响的故障，假设T内可接受的故障发生概率为pa,一次检测能检测出潜在故障的概率为pp,则在T期间要检测的次数n可由下式确定：

或

视情维修间隔期Tc为：

2) 按经济性要求确定

当故障不危及安全，并且做预防性维修工作的费用损失小于故障损失(包括故障修复费用)时，则按最少费用损失的要求来确定视情维修间隔期。

通过视情维修可以及时发现潜在故障，若发现的潜在故障及时排除，那么，单位时间视情维修的次数n越大，则故障率λ越小，故障率λ是n的函数，即：

式中：k—比例系数，其意义是单位时间内进行一次视情维修时的故障率。

若一次故障的平均维修费用即平均故障后果费用为Cc，一次视情维修的平均费用为Cp，则总维修费用C为：

由dC/dn=0得：

4 应用举例

示例：分析确定某发动机导向叶片的维修方式，并根据给定的数据，确定维修间隔期。某发动机的导向叶片需用孔探仪进行无损探伤，发现叶片有裂纹时就要拆修发动机，以防叶片折断打坏发动机。叶片从出现裂纹到折断要经过300h，孔探仪一次检测出潜在故障的概率为0.9。现在要求将叶片在300h内折断的概率控制在0.001，那么应该多少小时用孔探仪探伤检查一次？

分析：某发动机导向叶片多次发现裂纹，裂纹扩展会造成叶片折断，影响飞行安全，加之叶片可用孔探仪进行无损探伤，因此，选择视情维修方式。

根据“将叶片在300h内折断的概率控制在0.001”的条件，不难选择判定视情维修经济性优

化模型控制间隔期。由公式(2)、(3)可知，100h进行一次无损探伤。

5 结束语

国内目前主要从事状态维修相关的理论研究，在后续型号研制中提出了基于PHM的自主保障系统，为CBM的工程应用提供了技术条件，从我国航空装备的发展来看，实施状态维修是装备维修技术发展的必然趋势。航空装备可靠性水平较高，开展基于状态的维修技术研究，一方面可以为飞机外场维修保障工作提供一定的技术支持，从而大大缩短飞机外场维护的工作量，另一方面根据飞机外场实际的故障发生规律，可以形成相应的维修策略，为型号飞机交付部队后的外场维护提供一定的参考。

CBM理论在飞机试飞维修保障中的研究和应用尚处于探索阶段，还没有实际工程实践经验，但其思想已逐渐被人们接受，并将成为试飞阶段优化维修保障体系，提高飞机战备完好性和任务成功性，降低全寿命周期费用的有效技术途径。

[1] Department of Defense Logistics Transformation Strategy[Z]．US Office of Force Transformation，2004.

[2] Mlebold M T. Open Standards for Condition Based Maintenance and Prognostic Systems[S].MARCON，2001.

[3] Bengtsson M. Condition Based Maintenance System Technology Where is Development Heading Euro Maintenance[C].Proceedings of the 17th European Maintenance Congress,11th-13th of May,2004.

[4] 甘茂治，康建设，高 崎.军用装备维修工程学[M].北京：国防工业出版社，2005.

[5] 李执力， 陈政新，薛长生. 武器装备的故障率规律与维修策略研究[J].战术导弹技术，2008.

[6] 美国国防部.DODI4151．22号指令——装备维修中的增强型基于状态的维修[Z].2007.

[7] 朱 斌，栗 琳 王绪智.基于状态的维修在美军装备维修中的应用[Z].中国国防科技信息中心.

[8] 吴德海.航空发动机状态维修之关键技术研究[J].装备保障，2008(4).

[9] 陈学楚，主编.现代维修理论[M].北京：国防工业出版社，2003.

[10] 辛文逵，陈 新，张 洪.某型引进飞机RMS评估和使用维修保障研究[J].装备质量，2000(11).

Applied Research of Condition Based Maintenance in the State of Aircraft Outfield Maintenance and Support

WU Chao，LI Ya

(Chinese Flight Test Establishment，Xi’an 710089，China)

This paper described the development trend of the foreign condition based maintenance，concepts from condition based maintenance，the maintenance system workflow and other aspects for a more detailed description. In the current situation of outfield aircraft maintenance support and inadequate analysis，based on the use of condition based maintenance analysis，conducted methods research of aircraft outfield maintenance program optimization and optimization of maintenance intervals，and gave examples of applications，hoping to promote spread and application of condition based maintenance in aircraft outfield maintenance support.

condition based maintenance, maintenance support，maintenance program optimization，optimization of maintenance intervals

2015-04-10

吴 超(1982- )，男，陕西西安人，硕士，工程师，从事可靠性维修性评估技术研究。

1673-1220(2015)02-020-04

V267

A