S4000P规范下装备预防性维修分析方法的研究

(上海精密计量测试研究所，上海 201109)

0 引言

随着装备系统研制多样化和复杂化，以及作战任务实战化，装备保障已成为影响部队战斗力的重要因素，采用定时维修保证装备完好性的保障模式不够经济和科学，不但加重了用户的保障负担，而且造成了资源的浪费[1-2]。为此，欧洲航空航天防务工业协会(Aerospace and Defense Industries Association of Europe，ASD)联合美国航空航天工业协会(Aerospace Industries Association，AIA)和美国航空运输协会(Air Transport Association，AIA)提出了装备综合后勤保障(Integrated logistic Support，ILS)思想，并制定了相应的规范体系，包括：S1000D《使用公共源数据库技术出版物国际规范》(International Specification for Technical Publications Utilizing a Common Source Database)、S2000M《物料管理国际规范》(International Specification for Materiel)、S3000L《保障性分析国际程序规范》(International Procedure Specification for Logistics Support Analysis LSA)、S4000P《预防性维修制定和持续改进国际规范》(International Specification for Developing and Continuously Improving Preventive Maintenance)等国际标准[3-8]，该标准体系覆盖了装备综合保障的各个方面，它们不断融合互为数据来源，形成了完整的综合保障工作框架，如图1所示。其中S4000P旨在提供实际可行的分析方法，以建立装备的预防性维修任务需求(Preventive Maintenance Task Requirements，PMTR)及任务间隔[9-10]。

图1 S系列标准工作框架

目前，国内各军工行业开展了基于S1000D的交互式电子技术手册设计与开发，还未对S4000P进行实质性研究，依据S4000P分析出的预防性维修数据是保障性分析和技术手册的主要输入，在综合保障过程中发挥了承上启下的关键作用。通过研究S4000P的PMTR分析方法，对国内开展装备综合保障工作有一定的指导意义。

1 S4000P简介

2014年，由ASD、AIA及ATA共同制订的S4000P是基于面向民用航空器的MSG-3《运营商/制造商计划维修》关于预防性维修制定和持续改进的国际规范，其考虑了军民用维修程序协调一致性，目的是提供一种通用维修分析方法，帮助工业方建立装备的PMTR及任务间隔，作为装备交付初期阶段预防性维修计划的基础。通过该规范制定的PMTR内容是结构化、标准化并且考虑全面的。此外，对装备的区域、结构等方面如何进行优化，给予了具体的分析方法，确保了PMTR覆盖的完整性。S4000P规范应用范围非常广泛，涉及航空、舰船、装甲、导弹武器系统等。因此针对不同的应用对象，需要合理选取S4000P分析方法和程序，建立有效分析模型，以准确定义装备的维修任务。

2 预防性维修分析方法

装备预防性维修是未雨绸缪，是通过各种有效监控方法，实时监控系统部件工作状态，对部件性能下降或者系统冗余度下降到极限值之前，及时采用纠正措施，保证装备的完好。装备具有重复性和周期性间隔的预防性维修任务需求(PMTR with repetitive scheduled intervals, PMTRI)分析应按照以下过程展开：首先，应明确装备哪些系统或分系统需要进行预防性维修分析；其次，对需要进行预防性维修分析的系统进行故障模式及影响分析；然后依据故障模式及影响分析结果进行功能故障分类；最后，对故障原因进行评估确定具体PMTRI。分析过程如图2所示。

图2 PMTRI主要分析过程

2.1 确定分析系统

依据S1000D规范对装备的物理结构进行分解，分解至可更换单元为止，并逐一对以下4个问题进行分析。问题1：功能故障后是否对安全性有影响？问题2：功能故障后是否与相关法律、环境生态产生冲突？问题3：功能故障后对操作人员的任务完成有无影响？问题4：功能故障后对经济是否有影响？对装备系统而言问题1和2只要其中之一是“肯定”回答，则应确定为需要进行PMTRI的系统，若问题1和2均为“否定”回答，而3和4之一是“肯定”回答，则需要对该系统进行评估，确定其是否为PMTRI的系统，若问题1至4均为“否定”回答，则可以不对该系统进行PMTRI分析，通过分析形成清单如表1所示。

表1 系统分析清单

2.2 系统故障模式及影响分析

确定分析系统后，开展系统的故障模式及影响分析(FMEA)，包括了系统功能分析、功能故障分析、功能故障影响分析、故障原因、故障模式及影响分析清单。

对系统的功能分析不仅仅是分析该系统设计定义功能还应包括：

1)用户对异常情况的警告注意事项提醒；

2)在功能失效时如何关闭当前系统；

3)在功能失效时如何启动备用功能；

4)还应考虑防护装置，应急设备和误操作；

系统每一个功能会存在一个或多个故障。功能故障是指系统在规定的范围内不能执行预期的功能。对于冗余系统，即使对系统的正常运行没有直接影响，也必须对冗余系统的功能故障进行分析。在正常的操作任务中，应急系统的功能故障应归为与安全相关的(例如：直升机的救援升降机电缆的紧急情况、紧急燃油切断阀、紧急电源等)。

发生系统功能故障的原因主要分为以下几方面：

1)在指定的系统操作或任务中，系统或设备的固有设计缺陷。

2)在指定的系统操作或任务中，由于意外损坏而导致系统故障；

3)在指定的系统操作或任务中，由于预期环境影响导致的系统故障；

4)系统遇到意外事件，例如：飞机受到鸟击；

一个故障原因可能会引发一个或多个功能故障，同时多个故障原因对一个功能故障产生影响。因此，有可能将与多个功能故障关联的单个故障原因分配到相同或不同的功能故障层级中。

2.3 故障层级分析

依据系统FMEA结果，对每个功能故障原因(Functional Cause, FC)进行分类，并通过以下逻辑层级方法对FC进行分析，形成功能故障影响层级(Functional Failure Effect Categorization, FEC)。

1)故障层级逻辑是评估每个功能故障对产品的总体影响，以确定功能故障的影响编码(例如：与安全有关的为FFEC1&5、与相关法律和环境有关FFEC2&6、使用任务有关的为FFEC3&7、与经济费用有关FFEC4&8)；

2)通过逻辑决断，决定是否进行PMTRI；

利用图3所示的逻辑决策对每个识别出的故障进行分析。逻辑流的设计方式是自顶开始，对分析流程方向上的每个问题回答“是”或“否”，在回答逻辑问题之后将最终的FFFC分配给该FC。

图3 功能故障影响级别分析逻辑流程

2.4 PMTRI分析

PMTRI分析须遵循以下逻辑流程：

1)确定该部件的故障概率是否低于该部件的门限值，若回答“是”则不需要进行PMTRI分析；若回答“否”则进入逻辑判断2)；

2)依据该故障的层级分析该故障是否完全可以由机内测试(Built-In-Test, BIT)解决，若回答“是”则进行周期性维护；若回答“否”则进入逻辑判断3)；

3)对该部件进行保养任务是否有效，针对不同类型部件，保养任务包括润滑、调整、清洁、补给；若回答“是”则进行相应的预防性维护保养任务；若回答“否”则进入逻辑判断4)；

4)操作人员对该部件进行检查是否有效，操作人员检查包括：BIT、目视检查、详细检查；若回答“是”则进行相应的预防性维护检查；若回答“否”则进入逻辑判断5)；

5)操作人员对该部件进行测试是否有效，测试手段包括：特殊的详细检查、无损探测；若回答“是”则进行相应的预防性维护检查；若回答“否”则进入逻辑判断6)；

6)对该部件进行维修是否有效；若回答“是”则进行相应的维修任务；若回答“否”则进入逻辑判断7)；

7)对该部件进行定时更换是否有效，定时更换适用于有明确的寿命或者部件维修该不经济高效；若回答“是”则进行定时更换；若回答“否”则进入逻辑判断8)；

8)通过对该部件执行单一PMTRI或者组合PMTRI是否有效适用；若回答“是”则需要依据表2对其进行PMTRI分析；若回答“否”则需要对该部件进行重新设计，重新设计原则见表3；

表2 PMTRI分析原则

表3 重新设计需求评估

9)是否进行状态监控进行评估，由于通过BIT是不能对故障完全解决，因此若回答“是”则需要对PMTRI进行量化，并分析其对产品寿命周期内的费用影响；若回答“否”则说明当前不需要进行状态监控；

10)对产品寿命周期内费用影响分析后评估是否需要进行状态监控，若回答“是”则在相应的产品中设计状态监控系统；若回答“否”则说明当前不需要进行状态监控；

11)评估状态监控数据置信度，功能是否实现，若回答“是”则进行BIT设计；若回答“否”则说明当前不需要进行状态监控；

图4 PMTRI分析逻辑流程

2.5 PMTRI间隔分析

PMTRI定义完成后，需要对其间隔形式进行分析，分析逻辑如下：

1)是否确定故障部件的性能衰退过程；若回答“是”则进入逻辑判断2)；若回答“否”则分析并定义部件故障的衰退过程；

2)是否针对分析中的部件指定并设计了导致该故障原因的项目；若回答“是”则进入逻辑判断3)；若回答“否”则执行测试/计算/分析，以便将最初的设计与产品的使用场景匹配；

3)是否确定部件故障率和故障率分布；若回答“是”则进入逻辑判断4)；若回答“否”则执行测试/计算/分析，以便将最初的设计与产品的使用场景匹配；

4)部件衰退过程是否仅与时间参数有关；若回答“是”则选择时间参数作为该PMTRI的间隔形式；若回答“否”则进入逻辑判断5)；

5)衰退过程是否由一个或多个参数触发；若回答是则进入逻辑判断6)；若回答否则进入逻辑判断7)；

6)是否将单个参数标识为PMTRI间隔形式；若回答是则选择使用参数作为该PMTRI的间隔形式；若回答否则选择所有参数作为该PMTRI的间隔形式；

7)衰退过程是否由时间和使用参数组合触发；若回答是则进入逻辑判断8)；若回答否则分析并定义部件的恶化过程；

8)是否以时间参数为主，作为PMTRI间隔形式；若回答是则选择时间参数作为该PMTRI的间隔形式；若回答否则进入逻辑判断9)；

9)是否以使用参数为主，作为PMTRI间隔形式；若回答是则选择使用参数为该PMTRI的间隔形式，若回答否则选择所有参数作为该PMTRI的间隔形式。

PMTRI间隔值的定义需要从以下几方面进行考虑：

1)PMTRI任务形式；

2)PMTRI任务对应的FFEC;

3)在未来产品使用阶段，分析该故障类型的预期平均故障率；

4)偏离预期故障分布的风险。

3 实验应用及结果分析

以某地面装备刹车系统为例，对预防性维修分析方法进行实例应用，验证方法的适用性。刹车系统主要用于对装备的制动，是该装备执行各项日常任务中反复使用的系统之一，因此该实例具备一定的典型性。

首先，确定刹车系统是否需要进行预防性维修的系统，依据分析方法确定是需要进行PMRTI分析的系统，分析清单如表4所示。其次，对刹车系统进行FMEA，分析清单如表5所示。

表4 系统分析清单

表5 刹车系统FMEA

然后，进行故障层级分析，分析过程明确了该功能故障对操作人员是明显的，同时该功能故障对操作人员有直接的安全影响，从而明确了该功能故障的层级为FFEC1，分析的过程如图6所示。

图5 PMTRI间隔形式分析

图6 刹车系统故障层级分析过程

图7 刹车系统PMTRI分析过程

最后，以故障原因为制动液压油泄漏进行PMTRI评估，评估得出3个PMTRI，分别为操作检查、检查制动油液、制动装置拆卸大检可有效降低该故障的发生概率，分析过程如图7所示。

依据图7的分析过程对3个PMTRI进行间隔形式定义，PMTRI1&2为每次行驶前进行，PMTRI3为每5年进行一次。经过4个过程的分析得出结论，结论见表8。

4 结束语

本文阐述了S系列规范在装备综合保障体系中的工作框架，介绍了S4000P规范主要内容，重点研究了PMTRI的分析方法。该分析方法适应性强，可对各型装备进行科学的预防性维修规划，规划结果可作为装备保障性分析以及用户技术手册的输入数据，可有效指导用户开展维修保障，有利于装备保障性的提升。最后，以某装备刹车系统作为示例进行了实验，实验结果表明，分析方法的合理性和有效性，对国内开展装备维修保障工作具有一定的指导意义。

表8 PMTRI分析结果