直升机使用维修保障一体化的分析和研究

陈圣斌，丁 杰，宋永磊，曾曼成

(中国直升机设计研究所可靠性工程研究室，江西 景德镇 333001)

直升机使用维修保障一体化的分析和研究

陈圣斌，丁 杰，宋永磊，曾曼成

(中国直升机设计研究所可靠性工程研究室，江西 景德镇 333001)

目前国内直升机的可靠性、维修性水平都得到了很大的提高，但是，由于后勤延误时间太长，直升机的使用可用度没有得到明显改进。分析了造成这种状况的原因，提出了使用维修保障一体化系统的设想，试图使维修保障之间实现无缝连接，以消除或减少平均维修时间(MTTR)和后勤延误时间(ADT)，真正实现可靠性工程“二提高二减少”的目标。文中讨论了使用维修保障系统的构建及实现一体化的技术基础和关键技术，其目的是与业内同行在现存HUMS系统的基础上，通过技术提升实现直升机使用维修保障一体化。

基于状态的维修;维修保障;一体化设计

0 引言

目前，直升机使用维修保障工作中，综合保障常常制约或影响直升机的使用可用性，备件的供应便是明显的例子。由于使用维修中备件供应的滞迟，直升机倍增的可靠性和倍减的维修性对可靠性工程“二提高二减少”的获益显现不出来。例如，使用可用度A0，就是按如下公式计算［1］:

显然，式(1)或(2)中，尽管MTBF、MTTR通过设计都有了很大的改进，如果ADT(备件延误时间)由于备件供应而拖延，显然，A0便得不到明显提高。

上述这种情况，国内外均无例外。例如，美国在伊拉克战争和阿富汗的反恐战争中，尽管有堆积如山的备件，但实际维修工作中仍然缺机少件，需要的备件得不到及时供应。美国航空兵部队将这种后勤保障的延误称之“后勤尾巴”。2003年，美陆军参谋长提出了重新打造一个“基于能力的机动的任务航空部队，使得联合作战得到优化，并且截去后勤尾巴”的要求，并提出从2015年开始，将目前的基于故障的反应式维修转化为预先的主动的基于状态的维修，从而实现使用维修保障的一体化［2］。

本文首先根据目前的直升机使用维修保障方式提出了维修保障存在的问题(如备件供应)，接着分析了问题的原因，之后提出了使用维修保障一体化的技术方法，最后评估论述了实现使用维修保障一体化的新技术。

本文的目的是，通过使用维修保障一体化的讨论，与业界同行共同促进使用维修保障一体化技术的发展，真正实现可靠性工程技术“二提高二减少”的预期目标［3］。

1 目前的使用维修保障存在的问题

目前直升机的使用维修保障工作的概况如下:

1)使用维修

日常检查(包括飞行前检查、再次起飞(出动)检查、飞行后检查、安全检查);定期维修;非定期维修;事故后维修以及以MTBF表征的产品的事后维修等;

2)维修保障

在实施使用维修工作中，涉及如下综合保障资源:

①人员/人力;

②工具(包括外场便携式检测设备);

③专用工具、设备(内场维修用);

④用户技术手册(飞行手册、维护手册、故障分析手册、结构修理手册等);

⑤备件(随机备件，内场维修备件)等。

上面的使用维修保障工作都是在可靠性、维修性分析设计工作的基础上，通过保障性相应的分析工作，如维修级别分析、预防性维修分析(MSG－2或MSG－3)和使用维修分析来确定使用维修工作及保障资源的规划。之后通过手册的方式，如主要维护建议以及工具备件手册等提交用户实施。

直升机外场使用中，前面四项(维修保障)工作，在交付之前的各种试飞，包括设计定型试飞，都能得到较好的确定/验证。而提出的备件要求成为使用方和研制方棘手的问题，由于交付之前的试飞时间短，难以暴露部件/设备寿命全部的故障或损伤，同时也难以给出合理的备件配置。为了应对可能出现的故障，确保直升机的使用可用度，往往提供大量备件。结果是，正如前面所说，备件堆积如山，但常常必须的备件却缺机少件。影响直升机使用完好性。正如(1)(2)式所示，它将减低直升机的使用可用度。

2 存在问题的原因分析

众所周知，研制方交付的备件清单所规定的部件或设备的备件数量，通常是按如下备件计算公式给出的［4］:

1)对于预防性维修部件，其备件数量(S):

式中，K:加权系数，(考虑不可预见因素，可在1～1．5之间选择);W:机群飞机/直升机数量;N:单机相应部件/设备数量;H:每年飞行时间(飞行小时/年);t:考虑备件的计算时间(年);T:翻修间隔期或使用期限。

2)对于修复件维修部件/设备，其备件数量(λ):

式中，K:修正系数;MTBUR:平均非计划拆换时间，折换时间(0．8∽0．9)MTBF;MTBF:平均故障间隔时间。

当然还有其它的备件数量的类似计算公式［3］

由式(3)、(4)及其它类似的计算公式，可以得出，其中机群数量及每架飞机/直升机的相应部件数量是确定的，这里姑且认为每年的飞行时间和考虑备件的计算时间也是确定的，那么，翻修间隔时间(T)和MTBF便是备件的主宰因素了。显然T和MTBF值小，备件便多，反之T和MTBF值大，备件数量就少。

人们都知道，式(3)、(4)中的翻修间隔时间和MTBF值都是在试验条件下通过有限的试验样本进行试验来得到寿命时间，然后按经验系数或置信度要求给出的。这些值是平均值，且以有限或少量的样本，给出量化的产品寿命值。给出的备件数量无疑也是均值。

如图1、图2所示，通过寿命试验和可靠性试验，所给出的是产品试验条件下的平均寿命［5］。

1)预防性维修部件

对于预防性维修部件，在实际使用中，由于环境条件及产品所承受的实际应力不同于试验条件的情况，这样便会出现如下情况:

当实际使用条件比试验条件严酷时，它还没有达到所规定的翻修间隔时间，如图1中T1，部件就达到其损伤限，如继续使用，将给直升机带来安全性风险。

例如，伊拉克“沙漠风暴盾牌”和“沙漠风暴”战争期间，由于战争发生在沙漠地带，高温、干旱、昼夜温差大、沙漠和沙尘暴等恶劣环境使得许多部件未到寿命就因损伤、漏油而需更换，然而按(3)式给出的备件就显得不充足;

同样，英国在北海油田飞行的直升机曾多次发生动部件未到规定的寿命时间便发生损伤的情况，造成直升机坠海。正是这些事故促进了HUMS系统的研制和发展［6］。

绝大部分情况，直升机都是在常规的环境条件下使用，这种环境条件远好于试验条件。如图1的T2所示，它达到的所规定的损伤限，远高于T，或者说产品达到规定的寿命时间，它还未达到产品的损伤限，如果此时将其更换，无疑将浪费产品的剩余寿命。

这种情况常有发生，例如，国外某型机大修时，某结构件按规定拆卸更换，但测试其力矩仍在规定的范围内，且没有超出其要求，此时更换无疑浪费了其剩余寿命。

由上面的分析可以得出，直升机上的这些预防性维修部件在实际使用中受到实际环境条件和实际应力的作用，达到其损伤限的时间不尽相同，并不是所规定的寿命值，这样，按规定的寿命时间(T)来确定备件有可能缺机少件，或者备件“堆积如山”造成资源的浪费。

2)修复性维修部件

对于修复性维修的部件/设备，尤其是航空电子设备及复杂设备，由于它们是以MTBF表示的质量特征(随机故障或偶然故障)，它们通常用状态监控的维修方式或事后(故障后)维修方式，产品的使用时间无疑达到了寿命极限。

然而这些部件是按(4)式或MTBF来给定其备件的，这也会出现预防性维修部件相似的情况，备件不足或资源浪费。

人们都知道，新研的航空电子产品的或者新研的以随机故障或偶然故障表征质量特性的产品，它们通常以MTBF值来给出“寿命”的，而MTBF值都是通过分配、预计给出并通过可靠性试验来确认/验证的。

正如前文所说，试验时的环境条件及应力水平与实际使用往往存在很大差异。当使用条件严酷时，可能未达到规定的MTBF值或低于MTBF值，便发生部件故障要予以更换，同时就会出现备件不足的情况;而使用条件优于试验条件时，有可能超过MTBF值或大于MTBF值的时间才会出故障，这将出现部件过剩，造成资源浪费，如图2所示。

从大多数实际使用的情况来看，因通过分配、预计给出经可靠性试验确认的MTBF值过高，实际使用中往往达不到所确定的或者低于规定MTBF值，造成许多以MTBF表征的航空电子产品和复杂产品备件不足或严重匮乏，无疑将影响直升机的使用可用度或使用完好率。

从上面的讨论中可以看出，由式(3)和式(4)这两个公式，以翻修间隔期或MTBF为函数所确定的备件计算方法，并不能反映实际使用的备件需求，往往造成有些部件/设备的备件不足，缺机少件;有些部件/设备的备件过多，造成资源浪费。

针对上面存在的备件问题，有许多文献提出了备件优化模型，但这些模型都是基于寿命的函数关系，因此，也就难以解决实际使用中的备件问题。

3 使用维修保障一体化

航空技术的发展，特别是基于状态维修方式的出现［9］，为解决备件问题，提高使用可用度等奠定了技术基础，这种维修方式与机上的故障诊断和健康管理系统(PHM)相融合，便构建了使用维修保障一体化系统。这不仅解决了备件供应存在的问题，按式(1)、式(2)的计算，由于减少了MTTR和ADT时间，将使用可用度由目标的80%提高到90%或更高［8］。

为了便于理解这种使用维修保障一体化系统的发展，这里有必要看看其演化的脉络。

3．1 传统的使用维修与保障

目前国内外有许多型号的直升机仍是传统的使用维修保障方式。

直升机飞行中发生了故障或失效，空勤人员把飞行中的故障或失效记录在飞行履历本上，下机后交给地勤人员，由地勤人员进行故障检测、诊断和隔离，并进行维修工作。例如，飞行中燃油流量表指示异常，空勤人员将这一信息记录在履历本上，下机后交给维修人员，并详细介绍机上的故障情况，于是维修人员便开始检测隔离工作，找出故障原因。这一示例的情况下，故障有可能发生在燃油控制盒上或发生在安装于发动机的传感器或传感器到燃油表的信号传输线路上。这样，从故障可能性大的部件开始逐个排查找出故障源，最后拆卸更换，准备下次飞行。

在地面维修保障过程，故障的检测、隔离有可能没有完善的便携式检测设备，对于故障的部件常用“替换法”或“电压、电流检测法”排查，这是很费时的。而对备件的供应而言，如备件库存在相应的备件，那么后勤延误时间仅仅是到库房提取的时间。如果库房没有备件，那就通过“割肉补疮”的方式，从处在定检或大修的直升机上拆下相应的部件作为备件。否则，重新订货或向其他地方求援。显然，这一过程会有一段很长(至少10天半个月)的备件等待时间。此时，该直升机处于“趴窝”状态，大大影响机群的使用完好率或使用可用度。

3．2 机载维修系统

这种机载维修系统最早可追溯到波音747－400大型民用旅客飞机上所装有的如图3所示的机载维修系统［9］。

正如图3所示，当机上某系统出现故障时，便由机载维修系统，通过称之为EICAS(Engine Indication and Crew Alert System)的计算机系统把这一故障显示在驾驶舱内的显示屏上，或在指示器上以故障旗的方式表示。空勤人员将故障信息记录在飞行履历本上。

机载维修系统，采集EICAS的信息及各系统所传输的故障信息，即把飞行中发生的故障(或故障旗指示)与造成这一故障的原因或故障的部件找出来，并显示在驾驶舱内的多功能显示装置(MCDU)上，这样，便确定了故障及故障部件，并记录在履历本上，易于快捷维修。

如果利用空地通信功能，机载维修系统所采集的故障信息在飞行到达目的地之前，通过其高频和卫星通信自动传输到地面。这样，地面维修人员在飞机着陆之前就获得了故障信息，于是准备好维修工具和备件，飞机着陆后，便能迅速地完成维修保障工作。

从这种机载维修系统可以看出:

1)通过机载维修系统，实现了使用维修的一体化，或者使用与维修之间的无缝链接;由于实现了故障检测、诊断和隔离的自动化，大大地减少了MTTR时间。

2)这种机载维修系统仍是传统的事后维修方式，它仅包括机载电子设备，没有包括重要结构件和动部件的故障/损伤的检测、诊断和隔离。这或许是旅客机(民用客机)(除发动机之外)动部件较少的缘故。

3)这种机载维修系统，只是通过自动检测、诊断、隔离出已发生故障的设备或部件，因此，它不能实现维修与保障之间的无缝链接。正像传统的使用维修保障一样，它只是故障后去寻找备件，如果维修现场备件库有相应备件，接到机上故障报告后，取来备件等待飞机的到来。如备件库没有相应备件，那也只好“割肉补疮”或紧急订货，等待供应商的备件。无疑，这种机载维修系统实现了使用维修的无缝链接，减少了MTTR时间，但因等待备件，造成了后勤保障的延误，加大了ADT时间，由式(1)、式(2)可以看出，使用可用度A0得不到改进。

3．3 使用维修保障一体化

尽管机载维修系统存在着问题，但是从这一系统的工作原理得到了启发，拓展了思路。如果机载维修系统发展为“故障预测和使用管理系统”，那么，不仅能实现使用维修之间的无缝链接，而且也能实现维修与保障之间的无缝链接。这便是使用维修保障一体化系统。

这一使用维修保障一体化系统的组成如图4所示［10，12］。

通过机载传感器，将机上重要的结构件、动部件、航空电子设备、机电设备的使用状态、健康状态以及直升机的飞行数据不断实时地传输给“故障预测及使用管理系统”，然后该系统实时将重要部件及机载设备的“剩余寿命”给出在多功能显示器上及机载维修信息卡上，并通过机上通信设备和空地通信网络实时传输到地面相应部门:

－直升机飞行目的地;

－直升机飞行目的地的备件库(资源调度中心);

－地面备件供应商;

－产品制造商。

这样，不仅空勤人员，而且地面相应的管理人员(如地面维修人员等)都能实时地知道和管控机上重要部件、设备的使用状态，或将临近功能故障的产品的剩余寿命。于是，空地互动、地面上相应部门的互动，使制造商及早地将备件发送到供销商，供销商又继续配发到地面维修备件库。这样备件库随时都有足够但又不过剩的备件，确保备件的及时供应。这就能迅速完成在线维修，使直升机继续安全飞行。

从上面使用维修保障一体化系统的应用原理可以得出:

1)这一系统实现了直升机的使用维修保障一体化的设想，它不仅能使使用与维修之间，而且使维修保障之间实现无缝链接。

2)由于这一系统实现了故障监测、诊断、预测的自动化及维修保障的主动性，它降低了MTTR和ADT时间，无疑将大大提高直升机的使用可用度。

3)这一系统的实现，可望将目前的三级维修体制转化为二级维修体制。这将消除中继级的定期维修等维修保障工作，这将大大地减少维修的人员/人力及使用维修费用。

4)这一系统的应用，将目前的基于时间和基于故障的反应式维修转化为基于状态的维修。

5)这一系统的应用，将使机上重要部件/设备的使用状态实现空地可视化。不仅机上的空勤人员、地面的维修人员，而且制造商、供应商、备件库都能掌握产品的使用状态或产品的剩余寿命。这样的信息共享，就能实现从制造商到供应商、备件库及现场维修等各个部门之间的互动和沟通。确保维修基地附近的备件库随时有足够但不过剩的保障资源，实现自主保障。

4 使用维修保障一体化的技术基础

当今或未来的发展需求，都是促进一种新技术研发的推手。例如，1982年12月，英国民用航空局主席在其向适航批准委员会提出的15条建议中，就当时北海油田航班飞行直升机旋翼和传动系统因机械损伤导致直升机频繁发生飞行事故，提出了开发有关参数及状态监测新设备的要求，从而促进了HUMS系统的研发及现代直升机的广泛应用。2003年，美国参谋长提出的“截去后勤尾巴”的要求促进了“基于状态维修及故障预测和使用管理系统”的发展。本文提出的使用维修保障一体化的构想，便是这两项技术及网络技术融合的结果。

4．1 基于状态维修方式

现代直升机的维修，对于预防性维修的产品采用定时维修方式，对于修复性维修产品采用事后维修或状态监控维修方式。

对于预防性维修产品，无论是MSG－2，还是MSG－3都是基于时间的维修方式，到了规定的时间，不论产品的损伤状态如何，就从机上拆下更换，这就存在着前面所讨论的“风险和浪费剩余寿命”两种不利情况。

对于状态监控或事后维修方式，它是故障后维修。目前机上的航空电子及机电产品，由于他们都具有余度，通常都采用这种维修方式，这无疑使产品使用寿命达到极致，但是，重要的航空电子和机电设备，由于共因故障，这些具有余度的系统常常都会故障或失效。例如，某机电过压控制保护器，因短路保护故障，造成全机断电，被迫就近着陆。因此，重要航空电子设备和机电产品的故障，有可能危及飞行安全和飞行任务的完成。

基于上面的情况，在美国2004年提出的“陆军CBM+路线图”中［11］提出了基于状态的维修方式，所谓的基于状态的维修方式，是通过监控诊断和预测产品(动部件)的机械损伤及产品性能退化，在其出现功能故障之前，将其拆除更换。直升机某部件基于时间及基于状态维修方式的对比如图5所示，都延长了使用寿命。对于航空电子或机电产品，与事故后维修减少了“Δt”的使用寿命，但确保了飞行安全和飞行任务的完成［10］。

这样，机上的关键部件及重要设备，它们采用的不是以往的两种维修方式，而是一种基于状态的维修方式。基于状态维修方式的实例见文献［10］。

4．2 故障预测及使用管理系统

这一系统是从HUMS系统发展而来的，人们都知道，HUMS系统主要是监控直升机动部件的使用或健康状态。而这种故障预测和健康管理系统在HUMS的基础上，加入了航空电子和机电部件的健康监控。这种故障预测及健康管理系统(PHS)包括使用或健康监控及参数监控。

1)使用或健康监控:也称之为故障预测，它通过不断地监控机上部件/设备的使用或健康状态，确定机上关键的动部件(旋翼、传动等)的损伤及航电、机电设备的性能退化，从而确定部件/设备的健康状态或者到达功能故障之前的剩余寿命，以确保飞行安全和实现基于状态的维修。

2)参数监控:包括健康或状态参数、使用参数以及飞行参数的监控:

①健康或状态参数:主要是机械部件的振动谱，通常是用告警门限值标定的，或者状态指标器通过连续计算以指示监控部件的性能退化。

②使用参数监控:给出直升机或部件的使用状态，包括温度、压力等。这些参数是通过对燃油、滑油排放气体的分析产生的，这样就能监测到性能退化状态。

③飞行参数监控:这些参数来自飞行记录仪，它给出了外部环境参数、气象参数、飞行参数、飞行任务等，从而知道了直升机实际的飞行谱。

上面简要地说明了PHS的概况，对于PHS的具体实施可参见文献［12］、［13］。

5 使用维修保障一体化系统的关键技术

1)开发先进的传感器技术

这种一体化系统必须使用先进的传感器来检测部件/设备的故障征兆。根据基于状态维修的要求，其传感器监测的故障特征，应符合图6的曲线，且满足下面4个条件［14］。

①有一个能检测的潜在或初始的故障状态。

②能在小于P－F的间隔时间内监控损伤或性能退化的扩展。

③功能故障之前的P－F间隔时间应足够长以避免很快地造成功能故障，并使相应机构有效地组织维修工作和保障支援。

④P－F之间的间隔时间对所表征的故障模式是恒定的

目前，针对动部件已开发了相应的传感器，如监控传动系统部件损伤的滑油金属粒Metal Scan传感器［16］，它便能满足状态监控理论P－F曲线的4条要求。

总之，无论动部件、结构件，还是航空电子和机电设备的状态检测传感器，它们所表示的损伤或性能退化都应满足图6和上面的4个条件的故障或状态检测特征。

另外，这些传感器应结构简单、重量轻，且比检测的部件或设备具有更高的可靠性，其MTBF是后者的10倍或更高。

2)开展关键动部件及重要航空电子和机电设备故障或失效机理研究，以便建立故障预测模型。

所建立的预测模型应使飞行谱、使用和健康数据以及经验反馈所获得的相应事件和维修工作相关的数据链接起来，使用数据融合法(模拟融合)、神经网络法及损伤或退化模型，确定损伤和性能退化值，从而确定剩余寿命。

6 结论

通过上面的分析和讨论，可以得出如下结论:

1)使用维修保障一体化系统的应用，也有助于使用－维修－保障之间的无缝链接，它能减少维修时间，消除或缩短后勤保障时间，有助于提高直升机的使用可用度;实现二级维修，大大降低维修和后勤保障相关人员/人力及保障资源的需求;

2)使用维修保障一体化的实现，是基于状态维修方式及故障预测与健康管理技术的融合，因此必须强化这两方面的研究;

3)以状态监控理论，即P－F曲线表征故障特征的先进传感器及故障预测模型，是使用维修保障一体化的关键技术，必须加强传感器及预测模型的研究;

4)现在西方国家直升机领域都在致力于这种一体化的研究及应用，国内直升机业界同行必须敢于担当，加强研究，通过协调合作，追赶世界先进水平，促进直升机事业的跨越发展。

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Analysis and Development of the Integrated System of Operation Maintenance Support for Helicopter

CHEN Shengbin，DING Jie，SONG Yonglei，ZENG Mancheng
(China Helicopter Research and Development Institute，Jingdezhen 333001，China)

At present，the reliability and maintainability level of domestic helicopters has been greatly improved，however，since the logistics delay time is too long，the operational availability of helicopters has not been significantly improved．This paper analyzed the causes of this situation and put forward the concept of the integrated system of operation maintenance support in order to realize the gapless link between operation maintenance support，and reduce MTTR and administration delay time(ADT)，thus it could achieve the purpose of improving the operational availability of helicopter．

condition based maintenance;maintenance support;integrated design

V267

A

1673-1220(2017)02-065-08

2016－09－01

陈圣斌(1944－)，男，江西永新人，研究员，主要研究方向:直升机可靠性维修性保障性。