战场抢修备件保障模式分析

毕延超，陶凤和，贾长治，陈 帅，陈洪超

（1.中国人民解放军32138 部队，河北保定 072154；2.陆军工程大学（石家庄校区），河北石家庄 050003；3.中国人民解放军32562 部队，贵州黔南 522730；4.陆军装备部驻广元地区军代室，四川广元 628000）

0 引言

随着科学技术的不断发展，武器装备的杀伤范围、毁伤效能和精确打击能力日益增强。因此，在提升防护能力的同时，提高武器装备的快速抢修能力，对提高战斗力起到“倍增器”的作用，对拥有战场主动权具有重要意义[1]。

换件修理是武器装备战场抢修中的重要方式方法，其对备件保障的时效性有着较高要求。然而携带备件的总量与部队机动性之间是一对矛盾体，携带备件的种类数量过多（特别是一些质量较重的金属备件）必然导致机动性能的降低，同时携带备件的种类或数量偏少则可能会出现备件匮乏、保障不及时的情况。

因此，分析战场抢修中的备件保障模式，探索最佳的备件保障方式方法有着重要的现实意义。

1 携带备件的保障模式

通过携带备件的方式进行战场抢修备件保障是一种传统保障模式，目前应用较为广泛，相关的理论研究比较深入，内容主要包括备件需求预测和备件配置优化两个方面。

为了精准预测备件需求数量，王学伟等[2]根据备件的寿命分布特点，在分析历史故障信息的基础上，建立了基于历史数据求解装备备件需求数量的方法，并结合具体案例进行了检验，在一定程度上提高了备件需求数量预测的针对性；潘显俊等[3]基于分数阶模型理论采用遗传算法和矩阵扰动理论等方法建立了应用分数阶模型，并通过实验数据进行了验证，在一定程度上克服新概念装备备件历史需求数量少的问题；胡起伟[4]在分析备件故障模式以及不同维度预防性维修方案基础上，研究了复杂条件下备件需求数量问题并建立了备件需求数量的解算模型；古平等[5]采用工程分析的方法建立了一种备件需求数量预测模型，在一定程度上提高了小样本下装备备件需求数量的预测精度；李院生[6]在考虑实际因素的基础上，采用可靠性分析方法，提出基于更新过程的后续装备备件需求数量模型，探索了解决装备备件需求数量的动态预测问题。

为了科学配置备件、提高备件有效利用率，刘臣宇等[7]人以装备备件缺口数量最小为目标函数，以装备备件总价值小于等于总体保障经费为约束条件，建立了装备备件二级库存最佳的配置模型，并结合实例进行了验证；刘任洋等[8]人依据生灭过程等理论，以装备备件采购费用最低为目标函数，建立了基于横向转运的备件三级库存模型，并结合案例验证了模型的优越性；罗祎等[9]人以METRIC 理论为依据，结合“重测完好率”和“占空比”等重要参数，完成了多级供应体系下备件初始库存模型，并通过仿真的方法对模型进行了验证；王乃超等[10]人以保障概率作为目标函数建立了备件多级库存模型，通过模型预测了多级库存装备备件量，并通过商业软件对结果进行了分析，验证了模型的有效性。

携带备件进行战场抢修备件保障的优点是备件的标准化程度高、质量好，因为备件出厂前均经过复杂的工艺和工序，出厂时有着严格的质量检验。

携带备件进行战场抢修备件保障的缺点主要包括两个方面：①有效利用率比较低，尽管关于备件消耗预测和配置优化等问题进行了大量研究并取得了一系列成果，但备件保障需求的不确定性依然存在，特别是现代战争中新概念武器的使用，使得装备损伤和备件保障需求的不可预知性更为突出，所携带的不同种类、型号的备件易出现冗余或短缺的现象，精确测算备件携带种类数量、灵活机动的实施备件调配，仍然是一个难题，有待进一步探索研究；②占用一定的运力，战场中有大量的物资器材、弹药以及伤员等需要周转运送，而装备备件大多为金属材料质量较重，携带较多冗余的装备备件在一定程度上会造成运力资源的浪费。

2 应急制造的保障模式

应急制造的保障模式是一种相对较新的装备备件保障模式，其实践应用仍有待进一步的研究和完善。应急制造的保障模式包括使用原材料通过减材或者增材制造的方法进行装备备件的制造。

2.1 减材方式制造备件

减材制造是一种较为成熟的加工方式，其应用在装备备件应急制造方面的优点是加工精度高、表面质量好；缺点是需要的设备种类多（车、铣、刨、磨等设备）、加工工序繁杂、材料的有效利用率低，同时因为减材制造需要原始材料的整体尺寸大于被制造的装备备件件外形尺寸，因此需要同种材料有不同的结构类型，且易出现材料类型不符的短缺问题。

2.2 增材方式制造备件

增材制造是一种新型零部件成型方式，其在装备备件应急制造方面的优点是需要的设备种类少、复杂结构成型能力强、加工工艺参数设置简单以及材料的有效利用率高（属于近净成型），缺点是相对减材制造成型件尺寸精度略低、表面质量偏差[11-15]。

增材制造技术按照成型材料分为金属材料、复合材料、高分子材料以及无机非金属材料等技术[16]；按照成型原理分为光固化、三维粉末粘接、激光熔覆、选区激光熔化、电子束增材制造、层叠实体制造、熔丝制造、激光选择性烧结、激光立体成型和电弧增材制造等技术[17-18]。

金属增材制造主要包括激光立体成型、电弧增材、选择性激光烧结、选区激光熔化、电子束增材制造和层叠法等技术，其中激光立体成型、电弧增材制造、选区激光熔化和电子束增材制造技术相对成熟，近年来发展迅猛，应用范围较广，较为适合制造装备备件。下面对以上4 种金属增材制造装备备件的方法进行介绍：

（1）激光立体成型技术以激光束为能源，按照规划的路径将喷嘴喷出的金属材料熔凝成型，其中激光束与喷出的金属粉末同步运动（亦称同轴送粉）。其优点是成型效率高、作业环境要求低（通过喷嘴周围喷出的惰性气体保护成型区域）、成型尺寸大，缺点是成型件的尺寸精度较低[19-20]。

（2）电弧增材制造通过高能量源（电弧）将金属丝按照规划路径熔融堆焊成型实体，电弧增材的优点是材料利用率和成型效率较高而制造成本低，缺点是成型精度偏低。

（3）选区激光熔化是在选择性激光烧结技术基础上发展起来的制造技术，通过铺粉装置将金属粉末均匀的铺在成型缸顶部的基板上，激光器产生的高能量激光束通过振镜偏转后按照规划的路径在金属粉末铺层上移动，被激光束作用的金属粉末经熔凝成型实体。选区激光熔化技术的优点是加工精度高、复杂结构成型能力强、力学性能好，其成型件力学性能可超过铸件并接近锻件水平，缺点是成型件尺寸相对偏小。

（4）电子束增材制造技术以电子束为能源与金属粉材或丝材作用，金属材料吸收能量后快速熔凝而成型实体，电子束增材技术包括两种，一种是电子束选区熔化技术，另一种是电子束熔丝沉积技术。电子束选区熔化与选区激光熔化原理相似，最大的不同是粉末熔化的能量来源不同。电子束熔丝沉积技术的成型材料为金属丝材，高能电子束按规划的路径作用在铺设的金属丝上使其熔凝成型实体。电子束增材技术的优点是扫描速度快和能量利用率高，缺点是作业环境要求高（需为真空）、成型件内残余应力较大[21-22]。

综合比较上述4 种金属增材制造装备备件的方法，选区激光熔化制造技术具备精度高、复杂结构成型能力强和成型件力学性能优的特点，其成型件经简单后处理即可装配使用，特别是近年来技术不断的创新发展，目前选区激光熔化成型设备的最大成型尺寸不断提高，该技术在制造装备备件方面表现出较大潜力。

国内外针对增材制造技术在装备备件应急制造方面的应用进行了一系列探索和研究。美国陆军曾在阿富汗战争中依托“移动远征实验室”投入多台3D 打印机，通过技术人员完成装备备件的应急制造[23-24]；以色列空军在2016 年采用增材制造的方式完成F-15 战机损伤零部件的应急制造，有效恢复了战机战斗力[25]；美国普惠公司通过选区激光熔化技术成功制备了新型运载火箭的重要部件，且在实际运转中得到检验；英国采用激光沉积技术（LDMD）制作的无人机框架已经得到了实际应用；我军曾在“补给行动（2015）”中首次探索了增材制造技术在装备维修中的应用，近年来西安交通大学等科研机构也在积极探索研制可用于战场条件下的3D 打印应急制造系统[26]。

2.3 携带与应急制造相结合的保障模式

基于携带备件和应急制造进行备件保障的特点分析，提出携带备件与应急制造相结合的装备备件保障模式（图1），即携带种类齐全、单项数量较少的装备备件，根据备件实际消耗情况，采取应急制造的方式进行备件补充。

图1 携带备件与应急制造结合的保障模式

携带备件与应急制造相结合的保障模式，可在减小备件携带总量和提高机动性能的同时，充分发挥应急制造保障模式的优势，有效保证装备备件应急保障的时效性。

实行携带备件与应急制造相结合的保障模式，其前提是增材制造成型件满足备件结构特征、力学性能和制造时间等指标要求，其中力学性能又涉及硬度、抗拉强度、冲击韧性和磨损率等诸多指标。因此必须积极研究和探索以下两个方面的问题：①确定增材制造设备工艺参数与成型备件力学性能之间定量的关系；②建立评价装备备件是否适合增材制造的评价模型。

3 结束语

战场抢修中的备件保障是一个系统问题，涉及制造、存储、运输等多方面因素，综合分析装备备件种类特点、新形势下战场抢修的新变化、新趋势以及装备备件应急制造技术现实状况，探索最佳的装备备件保障方式方法是一项紧迫而长期的工程。在分析携带备件和应急制造备件两种保障模式特点的基础上，提出携带备件与应急制造相结合的备件保障模式，旨在为探索战场抢修备件保障的方法以及思路提供借鉴。