基于試飛數(shù)據(jù)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)維修性分析優(yōu)化技術(shù)研究

徐小芳 高雅娟 武紅姣/中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院

0 引言

維修性是產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)、按規(guī)定的程序和方法進(jìn)行維修時(shí)保持或恢復(fù)到規(guī)定狀態(tài)的能力[1]，是體現(xiàn)產(chǎn)品維修簡(jiǎn)捷、方便、技術(shù)要求和維修成本低的一種通用質(zhì)量特性。試飛階段航空發(fā)動(dòng)機(jī)維修工作主要依據(jù)其使用維護(hù)說明書、維修規(guī)程等實(shí)施，而這些文件又是依據(jù)預(yù)防性維修大綱編制的。預(yù)防性維修大綱是預(yù)防性維修方案的匯總文件，制定時(shí)因缺乏必要的數(shù)據(jù)，往往較為保守，需要在收集和分析實(shí)際使用維修數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對(duì)預(yù)防性維修工作類型、維修間隔期等進(jìn)行調(diào)整，逐步使其更加實(shí)用和合理[2]，達(dá)到優(yōu)化維修方案的目的。要實(shí)現(xiàn)維修方案的優(yōu)化，促使維修工作更加科學(xué)合理，需借助于先進(jìn)的維修理念和方法，這種理念和方法即是以可靠性為中心的維修（RCM）。

RCM 是目前國(guó)際上通用的用以確定產(chǎn)品預(yù)防性維修需求、優(yōu)化維修制度的一種系統(tǒng)工程方法[3]。本文引入RCM理論和方法，開展基于試飛數(shù)據(jù)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)維修性分析優(yōu)化研究，以期剖析試飛階段航空發(fā)動(dòng)機(jī)維修性與指標(biāo)要求偏離的原因，為提升我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的維修性提供有效方法和途徑，為新發(fā)動(dòng)機(jī)研制論證提供借鑒和參考，實(shí)現(xiàn)試飛為裝備發(fā)展服務(wù)的目標(biāo)。

1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)試飛維修性現(xiàn)狀

目前，按要求對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的試飛維修性開展定性和定量評(píng)價(jià)。其中，定量評(píng)價(jià)的主要參數(shù)是每飛行小時(shí)平均維修工時(shí)；定性評(píng)價(jià)主要從可達(dá)性、標(biāo)準(zhǔn)化與互換性、防差錯(cuò)措施與識(shí)別標(biāo)記、檢測(cè)的方便性與快捷性、維修安全性、人素工程六個(gè)方面進(jìn)行，以發(fā)現(xiàn)其存在的設(shè)計(jì)、制造、工藝、使用和維修等問題和缺陷，為設(shè)計(jì)更改提供參考。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，國(guó)產(chǎn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)試飛期間，其維修性定量評(píng)價(jià)結(jié)果往往與指標(biāo)要求存在不同程度的偏離，嚴(yán)重的僅能達(dá)到指標(biāo)要求的30%左右，達(dá)標(biāo)率較低。在維修性定性評(píng)價(jià)中發(fā)現(xiàn)的問題，通過問題反饋—設(shè)計(jì)分析—設(shè)計(jì)答復(fù)流程后，能在試飛期間落實(shí)更改的很有限，往往承諾在后續(xù)產(chǎn)品中更改?？梢姡壳霸囷w階段的維修性評(píng)價(jià)主要關(guān)注點(diǎn)在“機(jī)”本身，對(duì)“人、機(jī)、料、法、環(huán)”中除“機(jī)”以外的因素重視不夠。本文在“機(jī)”基礎(chǔ)上，增加對(duì)“人”和“法”的關(guān)注?！叭恕笔侵竻⑴c維修工作的機(jī)務(wù)維修人員，“法”是開展維修工作的依據(jù)，以拓展維修性分析的范圍，為實(shí)現(xiàn)維修性增長(zhǎng)和數(shù)字化研制論證提供有效的方法途徑。

2 基于RCM 的維修性分析優(yōu)化技術(shù)研究

2.1 RCM 內(nèi)涵及應(yīng)用適應(yīng)性研究

RCM 內(nèi)涵是以產(chǎn)品的可靠性發(fā)展規(guī)律為基礎(chǔ)，應(yīng)用邏輯決斷法確定預(yù)防性維修要求，實(shí)現(xiàn)以最少的資源消耗保持產(chǎn)品的可靠性和安全性。RCM 維修主要包括視情維修和狀態(tài)監(jiān)控，其中視情維修是當(dāng)產(chǎn)品有功能故障征兆時(shí)進(jìn)行的維修方式；狀態(tài)監(jiān)控是指利用儀表和人的感官，在操作期間對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行觀察，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障征兆，在故障發(fā)生前采取有效的預(yù)防措施，以防止故障發(fā)生。但RCM 的應(yīng)用需要“機(jī)”具備諸如機(jī)內(nèi)自檢測(cè)（ВIT）和先進(jìn)的測(cè)試儀器儀表系統(tǒng)等狀態(tài)監(jiān)控設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上指導(dǎo)維修工作的維修大綱等“法”才有進(jìn)一步優(yōu)化和改進(jìn)的可能和空間。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制中，配置了綜合電子調(diào)節(jié)器/數(shù)字電子控制器等重要附件，與發(fā)動(dòng)機(jī)傳感器、機(jī)械液壓調(diào)節(jié)裝置等航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)和狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)一起，自動(dòng)調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)參數(shù)，保證發(fā)動(dòng)機(jī)工作穩(wěn)定可靠。同時(shí)，通過飛參數(shù)據(jù)、座艙內(nèi)自檢測(cè)等方式，能夠檢測(cè)、監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài)。因此，RCM 適用于在航空發(fā)動(dòng)機(jī)維修中應(yīng)用，為維修模式轉(zhuǎn)變和維修優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。

2.2 維修性分析優(yōu)化方法研究

維修性分析從維修性定量評(píng)價(jià)不達(dá)標(biāo)入手，剖析背后的原因，探索提升的方法途徑，為制定優(yōu)化方案提供支持。根據(jù)GJВ2072[4]，每飛行小時(shí)平均維修工時(shí)計(jì)算模型如下：

其中，LMMH為每飛行小時(shí)平均維修工時(shí)，單位為工時(shí)/飛行小時(shí)；MMH為發(fā)動(dòng)機(jī)總維修工時(shí)，單位為工時(shí)；T為發(fā)動(dòng)機(jī)總飛行小時(shí)，單位為小時(shí)。

根據(jù)飛行試驗(yàn)的特點(diǎn)，其試驗(yàn)過程可看作定時(shí)截尾試驗(yàn)，因此，式（1）中的分母是相對(duì)固定的值。若想獲取較小的每飛行小時(shí)平均維修工時(shí)，需減少航空發(fā)動(dòng)機(jī)的總維修工時(shí)。維修工時(shí)減少方法流程見圖1。

維修工時(shí)是完成規(guī)定維修工作的參與人數(shù)與持續(xù)時(shí)間乘積之和。通過減少維修參與人數(shù)、縮短維修時(shí)間、減少維修工作項(xiàng)目，均可減少維修工時(shí)，從而提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)的維修性。參加維修工作的人數(shù)及其維修時(shí)間在進(jìn)行數(shù)據(jù)收集時(shí)已按實(shí)際進(jìn)行了處理，統(tǒng)計(jì)的是實(shí)際工作人數(shù)和有效工作時(shí)間，在提高維修性方面已無上升和改進(jìn)空間。下面從維修工作項(xiàng)目?jī)?yōu)化方面，分析提高維修性的方法和途徑。

維修工作項(xiàng)目是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)使用維護(hù)說明書或維修大綱等技術(shù)資料制定的，這些技術(shù)資料是開展維修工作的依據(jù)，即“法”。但這些技術(shù)文件在制定時(shí)還缺乏必要的數(shù)據(jù)支撐，還需要通過工程實(shí)踐對(duì)維修工作項(xiàng)目（含維修間隔）進(jìn)行優(yōu)化，以形成更加科學(xué)合理的維修方案，為航空發(fā)動(dòng)機(jī)使用維護(hù)說明書或維修大綱完善提供支持。維修工作項(xiàng)目?jī)?yōu)化方法流程見圖2。

圖1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)減少維修工時(shí)的方法流程

圖2 維修工作項(xiàng)目?jī)?yōu)化方法流程

由圖2 可以看出，優(yōu)化過程最重要的是基于試飛數(shù)據(jù)，運(yùn)用RCM 邏輯決斷法判定維修工作項(xiàng)目和維修間隔的合理性和有效性，為維修工作項(xiàng)目和維修間隔保留/調(diào)整/合并/取消等維修決策提供支撐。一般來說，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的預(yù)防性維修工作包括飛行前、再次出動(dòng)、飛行后和定檢工作。這些維修工作項(xiàng)目是否必要和有效，以其能否以最少的資源消耗保證可靠性和安全性為判定原則，因此需要統(tǒng)計(jì)分析故障發(fā)生發(fā)現(xiàn)的時(shí)機(jī)。某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)故障發(fā)生發(fā)現(xiàn)時(shí)機(jī)包括：地面試驗(yàn)、地面試車/開車、地面滑行、空中飛行、排故、飛行前、飛行后、再次出動(dòng)、定檢及其他。其中，飛行前、飛行后、再次出動(dòng)、定檢等發(fā)生發(fā)現(xiàn)的故障和維修工作項(xiàng)目?jī)?yōu)化有關(guān)。預(yù)防性維修發(fā)現(xiàn)的故障分布圖見 圖3。

圖3 預(yù)防性維修發(fā)現(xiàn)的故障分布圖

表1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)防性維修工作項(xiàng)目?jī)?yōu)化方案

由圖3 及試飛采集的信息數(shù)據(jù)可知：飛行前發(fā)現(xiàn)1 起外部泄漏故障；再次出動(dòng)的2 起故障通過通電和目視檢查可發(fā)現(xiàn)；定檢的4 起故障均不是25h 定檢發(fā)現(xiàn)的；飛行后發(fā)現(xiàn)9 起故障，占預(yù)防性維修發(fā)現(xiàn)故障的56.3%。因此，按照RCM 邏輯決斷優(yōu)化方法流程，建議：適當(dāng)減少飛行前檢查頻次；縮減再次出動(dòng)工作內(nèi)容，減少參試人員數(shù)量；保留飛行后或取消單飛行日的飛行后工作；取消25h 定檢，保留其他定檢工作。

根據(jù)以上維修工作優(yōu)化建議，考慮優(yōu)化的合理性、顯著性和綜合性，提出預(yù)防性維修工作優(yōu)化方案，見表1。

修復(fù)性維修優(yōu)化從故障入手，按照GJВ/Z77-95[5]，借鑒故障報(bào)告、分析和糾正措施系統(tǒng)（FRACAS），對(duì)故障進(jìn)行分類?？紤]技術(shù)、進(jìn)度和費(fèi)用等條件限制，僅對(duì)В 類故障進(jìn)行改進(jìn)。同時(shí)，該標(biāo)準(zhǔn)給出的В 類故障改進(jìn)有效性系數(shù)取值范圍一般為0.55 ～0.85，從中估算出改進(jìn)消除的故障數(shù)及其減少的維修工時(shí)，考慮優(yōu)化的合理性、顯著性和科學(xué)性，形成修復(fù)性維修優(yōu)化方案，并與預(yù)防性維修方案綜合，形成維修性綜合優(yōu)化方案。修復(fù)性維修方案制定時(shí)，為方便起見，以В 類 故 障 數(shù)10 以 內(nèi) 為例，提出優(yōu)化方案，其他可對(duì)方案進(jìn)行擴(kuò)充。同時(shí)，按所有В 類改進(jìn)有效，對(duì)維修性能達(dá)到的水平進(jìn)行摸底。具體方案如下。

1）從維修工時(shí)最小的故障開始，工時(shí)自小到大，至優(yōu)化個(gè)數(shù)對(duì)應(yīng)的故障改進(jìn)有效，其和為減小的工時(shí)數(shù)；

2）從維修工時(shí)第二小故障開始，工時(shí)自小到大，至優(yōu)化個(gè)數(shù)對(duì)應(yīng)的故障改進(jìn)有效，其和為減小的工時(shí)數(shù)；

3）從維修工時(shí)第三小故障開始，工時(shí)自小到大，至優(yōu)化個(gè)數(shù)對(duì)應(yīng)的故障改進(jìn)有效，其和為減小的工時(shí)數(shù)；

4）從維修工時(shí)第四小故障開始，工時(shí)自小到大，至優(yōu)化個(gè)數(shù)對(duì)應(yīng)的故障改進(jìn)有效，其和為減小的工時(shí)數(shù)；

5）從維修工時(shí)第三大故障開始，工時(shí)自大到小，至優(yōu)化個(gè)數(shù)對(duì)應(yīng)的故障改進(jìn)有效，其和為減小的工時(shí)數(shù)

6）從維修工時(shí)第二大故障開始，工時(shí)自大到小，至優(yōu)化個(gè)數(shù)對(duì)應(yīng)的故障改進(jìn)有效，其和為減小的工時(shí)數(shù)；

7）從維修工時(shí)最大故障開始，工時(shí)自大到小，至優(yōu)化個(gè)數(shù)對(duì)應(yīng)的故障改進(jìn)有效，其和為減小的工時(shí)數(shù)；

8）所有В 類故障改進(jìn)有效，減少的修復(fù)性維修工時(shí)達(dá)到最大值。

3 應(yīng)用實(shí)例

為了應(yīng)用以上維修優(yōu)化方法，需進(jìn)行試飛的飛行日及架次、預(yù)防性維修次數(shù)、飛行日類型及В 類故障維修工時(shí)等數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。以某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)定型試飛期間一段數(shù)據(jù)為例，期間共進(jìn)行飛行前檢查近300 次，再次出動(dòng)檢查260 余次。10 余臺(tái)參試發(fā)動(dòng)機(jī)共進(jìn)行25h 定檢23 次，其中首次25h 定檢12 次。經(jīng)過分析確認(rèn)的В 類故障9起，用F1-F9 編號(hào)，其修復(fù)性維修工時(shí)見表2（其中工時(shí)如3：20 表示3 小時(shí)20 分鐘），不同飛行日次數(shù)統(tǒng)計(jì)分布見圖4。按照“試驗(yàn)—暴露—改進(jìn)—再試驗(yàn)”模式，利用統(tǒng)計(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)飛行時(shí)間和單次飛行前、再次出動(dòng)、飛行后和定檢時(shí)間等數(shù)據(jù)，得出某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)化方案實(shí)施后維修工時(shí)變化及每飛行小時(shí)平均維修工時(shí)預(yù)測(cè)結(jié)果，見 表3。

表2 B類故障修復(fù)性維修工時(shí)統(tǒng)計(jì)

圖4 不同飛行日次數(shù)統(tǒng)計(jì)分布圖

表3 優(yōu)化方案實(shí)施后維修工時(shí)變化及LMMH預(yù)測(cè)結(jié)果

從表3 可以看出，某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)的每飛行小時(shí)平均維修工時(shí)優(yōu)化后最優(yōu)能達(dá)到1.26 人時(shí)/飛行小時(shí)，保守預(yù)計(jì)能達(dá)到1.80 人時(shí)/飛行小時(shí)，與目前的指標(biāo)要求尚有一定的差距，表明發(fā)動(dòng)機(jī)目前的維修性指標(biāo)存在虛高現(xiàn)象。建議從以下方面加強(qiáng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)維修性工作。

1）樹立航空發(fā)動(dòng)機(jī)通用特性標(biāo)桿，開展全壽命周期對(duì)標(biāo)研究，找出使用中不達(dá)標(biāo)者與標(biāo)桿的具體差距，進(jìn)行分析評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)，以提升航空發(fā)動(dòng)機(jī)維修性整體水平。

2）提倡以可靠性為中心的維修，摒棄定時(shí)維修的觀念[6]。開展數(shù)據(jù)挖掘分析，在維修性大綱制定中貫徹以可靠性為中心的理念，發(fā)揮數(shù)據(jù)的價(jià)值和作用，而不是簡(jiǎn)單粗暴地通過縮短定檢周期、增加定檢頻次來預(yù)防故障和提高飛行安全，否則不但難以達(dá)到預(yù)期效果，反而導(dǎo)致“過度維修”。

3） 在 航 空發(fā)動(dòng)機(jī)維修性研制論證中，應(yīng)注重試飛和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的融合應(yīng)用，考慮我國(guó)當(dāng)前的技術(shù)水平，應(yīng)運(yùn)用數(shù)據(jù)來指導(dǎo)論證，用論證推動(dòng)研制，提出符合我國(guó)國(guó)情的航空發(fā)動(dòng)機(jī)維修性指標(biāo) 要求。

4 結(jié)束語

航空發(fā)動(dòng)機(jī)是飛機(jī)的“心臟”，其對(duì)飛行安全和飛機(jī)利用率的影響不容忽視。本文對(duì)試飛數(shù)據(jù)價(jià)值挖掘做了有益嘗試，引入RCM 理論，提出維修工作項(xiàng)目?jī)?yōu)化方法流程，形成了航空發(fā)動(dòng)機(jī)維修性綜合優(yōu)化方案，并通過某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)試飛數(shù)據(jù)進(jìn)行了方案實(shí)施后的維修性預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果表明仍與指標(biāo)要求有一定差距。一方面說明我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)維修性仍有很大的提升空間，另一方面說明提出的維修性指標(biāo)偏高[7]。期望在航空發(fā)動(dòng)機(jī)全壽命周期維修性工作中，打破參試單位界限，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)深度共享，并借助數(shù)據(jù)挖掘、信息化和仿真試驗(yàn)驗(yàn)證等先進(jìn)技術(shù)手段，全面提升航空發(fā)動(dòng)機(jī)包括維修性在內(nèi)的通用特性水平，為我國(guó)后續(xù)裝備提供強(qiáng)有力的“中國(guó)心”。