直升機(jī)狀態(tài)維修技術(shù)模式發(fā)展前景

邊英杰，郝萬亮，申獻(xiàn)芳，張吉林

(1. 66350部隊，河北 保定 071000; 2. 32145部隊，河南 新鄉(xiāng) 450000)

0 引言

直升機(jī)具有機(jī)動靈活，能夠?qū)嵤┛焖俅驌舻忍攸c(diǎn)，在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中發(fā)揮著重要的作用。直升機(jī)良好的維護(hù)保障模式以及較高的裝備完好率是決定直升機(jī)良好的出勤率的關(guān)鍵因素。因此，開展裝備保障模式的探討具有重要的意義。

傳統(tǒng)的直升機(jī)維修主要有事后維修和定期維修兩種模式。事后維修是在設(shè)備出現(xiàn)故障后才進(jìn)行修理。這種方式會導(dǎo)致設(shè)備損壞，并由此引起其他的間接損失，后果嚴(yán)重時可能會使設(shè)備報廢甚至發(fā)生事故。定期維修則是按照預(yù)先制定好的維護(hù)保養(yǎng)計劃定期對直升機(jī)進(jìn)行檢修。這種方式能夠降低重大事故發(fā)生的概率，但其維護(hù)成本較高，而且也存在一些不足：維修間隔過長則難以達(dá)到預(yù)防性維修的目的，過短則會產(chǎn)生過度維修，浪費(fèi)經(jīng)費(fèi)等。隨著狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)以及維修分析決策技術(shù)的發(fā)展，基于狀態(tài)的維修得到迅猛發(fā)展，并逐漸顯示出巨大的優(yōu)越性。由于其能夠掌握裝備的現(xiàn)行技術(shù)狀態(tài)，運(yùn)用數(shù)據(jù)分析與決策技術(shù)預(yù)測裝備的壽命，并實(shí)施“精確”維修，保證裝備系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，延長使用壽命，節(jié)約維修費(fèi)用，提高完好率和可用度，因此基于狀態(tài)的維修已成為維修理論與應(yīng)用研究領(lǐng)域的一個熱點(diǎn)。

1 狀態(tài)維修技術(shù)

大部分故障的發(fā)生是一個由量變到質(zhì)變的漸變過程，這個過程可用如圖1所示的曲線表示。其中A點(diǎn)為故障萌發(fā)點(diǎn)，即狀態(tài)劣化的實(shí)際起點(diǎn)；B點(diǎn)為潛在故障點(diǎn)，從這點(diǎn)開始異常的狀態(tài)可以通過現(xiàn)有的技術(shù)手段檢測出來；C點(diǎn)為功能故障點(diǎn)，即裝備最終失效的時間點(diǎn)。從B點(diǎn)到C點(diǎn)之間的時間長度稱為B-C間隔。狀態(tài)維修的基本原理是當(dāng)此間隔期足夠長，在B點(diǎn)和C點(diǎn)之間，通過一定的手段檢測出裝備的故障征兆，然后采取一定的維修措施，預(yù)防裝備功能故障發(fā)生。

圖1 裝備故障發(fā)生曲線

狀態(tài)維修(Condition based Maintenance, CBM)是從植入設(shè)備內(nèi)部的傳感器或外部檢測設(shè)備中獲得系統(tǒng)運(yùn)行時的狀態(tài)信息，通過對狀態(tài)信息評價來決定裝備維修需求，根據(jù)狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)提供的信息，能夠在故障發(fā)生前準(zhǔn)確預(yù)知，并及時安排維修計劃，是一種實(shí)時或接近實(shí)時的裝備維修策略。需要強(qiáng)調(diào)的是，CBM不能簡單理解為狀態(tài)監(jiān)控維修。狀態(tài)監(jiān)控是CBM的前提和基礎(chǔ)，根據(jù)監(jiān)控獲得的狀態(tài)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、壽命預(yù)測等一系列活動是CBM的核心；確定維修需求、做出維修決策是CBM的最終目標(biāo)。

狀態(tài)維修主要包括設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷和預(yù)測、維修決策三大部分。它應(yīng)用狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)和故障診斷技術(shù)確定設(shè)備的狀態(tài)，進(jìn)行維修分析及決策，并實(shí)施維修活動。這種方式與傳統(tǒng)的事后維修和定期維修相比，可有效地降低設(shè)備維護(hù)費(fèi)用，減少設(shè)備發(fā)生重大故障的概率，提高設(shè)備的總體可用性。

開放式基于狀態(tài)的維修的組織機(jī)構(gòu)(OSA-CBM)將狀態(tài)維修系統(tǒng)分為七個不同的技術(shù)模塊，其核心內(nèi)容主要包括以下六個方面，如圖2所示。

圖2 CBM系統(tǒng)模塊組成

數(shù)據(jù)獲取模塊主要由各種傳感器組成，為系統(tǒng)提供設(shè)備的狀態(tài)信息與數(shù)據(jù)交換。數(shù)據(jù)處理模塊接收來自數(shù)據(jù)獲取模塊或者其他信號處理模塊的信號和數(shù)據(jù)，輸出包括濾波信號、頻譜、傳感信息和其他特征信息。狀態(tài)監(jiān)測模塊接收來自數(shù)據(jù)獲取模塊、數(shù)據(jù)處理模塊或者其他狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，并將其與期望值進(jìn)行比較，根據(jù)閾值大小做出不同的反應(yīng)。狀態(tài)評估模塊接收來自不同狀態(tài)監(jiān)測或其他狀態(tài)評估模塊的數(shù)據(jù)，主要作用是指示被監(jiān)測部件、分系統(tǒng)或系統(tǒng)的劣化狀況，并給出診斷報告以及故障率。故障/剩余壽命預(yù)測模塊可以從上述各模塊獲得數(shù)據(jù)，預(yù)測指定時間的設(shè)備狀態(tài)或剩余壽命。維修分析與決策模塊通過分析狀態(tài)評估模塊和故障/剩余壽命預(yù)測模塊的數(shù)據(jù)，對維修工作進(jìn)行定性與定量分析，并按照給定的目標(biāo)給出最佳的維修工作和維修時機(jī)。

狀態(tài)維修是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，從數(shù)據(jù)的獲取和處理、狀態(tài)監(jiān)測、狀態(tài)評估、故障預(yù)測，到最終維修決策的制定，每一個過程都需要經(jīng)過科學(xué)的判斷和計算，才能最終給出最佳的維修決策。

2 狀態(tài)維修技術(shù)在美國航空領(lǐng)域的應(yīng)用

由于定期維修存在著維護(hù)成本高的特點(diǎn)，為了進(jìn)一步降低維護(hù)成本，提高效率，美國于20世紀(jì)末提出并大力推行“基于狀態(tài)的維修”技術(shù)，在F-35、F-22等飛機(jī)上開展了相關(guān)試點(diǎn)工作，并取得了重大進(jìn)展。從實(shí)際應(yīng)用情況看，基于狀態(tài)的維修技術(shù)大大提高了裝備的完好性，顯著降低了維修費(fèi)用，是實(shí)現(xiàn)武器裝備精確維修的重要途徑。

目前，狀態(tài)維修計劃在美國直升機(jī)維護(hù)領(lǐng)域已開始實(shí)施。美國共確定了AH-64A/D“阿帕奇”、UH-60A/L“黑鷹”和CH-47D“支奴干”三種機(jī)型共197個監(jiān)控零部件，利用CBM系統(tǒng)開展維修活動，主要包括發(fā)動機(jī)、主變速箱、旋翼傳動裝置、尾槳傳動裝置、尾減速器等關(guān)鍵部件。狀態(tài)維修技術(shù)中用于狀態(tài)監(jiān)控的新測試裝備和新嵌入式機(jī)載診斷系統(tǒng)安裝在部分直升機(jī)上，包括用于監(jiān)控旋翼的軌跡和平衡的振動處理增強(qiáng)程序(VMEP)，以及由古德里公司研制的狀態(tài)與使用監(jiān)控系統(tǒng)(HUMS)，以實(shí)時監(jiān)測直升機(jī)部件的狀況。HUMS綜合了健康監(jiān)控系統(tǒng)和使用監(jiān)控系統(tǒng)，用于監(jiān)控直升機(jī)及其子系統(tǒng)的性能和使用參數(shù)，預(yù)測直升機(jī)剩余使用壽命，并提供維修決策信息。該系統(tǒng)已廣泛裝備于美國直升機(jī)上，使直升機(jī)完好率提高了10%。在“伊拉克自由”行動和“持久自由”行動中，美國共動用了118套數(shù)字化資源收集器(DSC)系統(tǒng)。這些系統(tǒng)采用CBM系統(tǒng)為作戰(zhàn)人員和作戰(zhàn)裝備提供保障，共保障直升機(jī)裝備430余架，總飛行超過10萬小時。SDC系統(tǒng)通過傳輸“標(biāo)準(zhǔn)裝備管理信息系統(tǒng)(STAMIS)”數(shù)據(jù)和“狀態(tài)使用監(jiān)控系統(tǒng)”數(shù)據(jù)完成了對裝備的維修保障，全任務(wù)能力提升5%。

基于狀態(tài)維修作為成本效益戰(zhàn)備的重要組成部分，一是增強(qiáng)了直升機(jī)的安全性能，降低了事故發(fā)生次數(shù)；二是能夠消除事故隱患，提高直升機(jī)的作戰(zhàn)能力；三是降低了維修成本和維修工作負(fù)擔(dān)，延長了設(shè)備的工作時間，節(jié)約了大量經(jīng)費(fèi)，美國每年因此節(jié)約的維修經(jīng)費(fèi)高達(dá)2億美元。

3 狀態(tài)維修技術(shù)對我國直升機(jī)維修模式的啟示

目前我國直升機(jī)的維修保障主要采用事后維修和定期維修兩種模式。實(shí)施狀態(tài)維修技術(shù)后，隨著視情維修范圍的擴(kuò)大，外場維修工作將被簡化，增加原位檢修能力，減少定時維修內(nèi)容。原有的對發(fā)動機(jī)、主減速器、旋翼等關(guān)鍵機(jī)械傳動部件的周期性工作和定檢工作，將由故障診斷與預(yù)測系統(tǒng)代替，采用視情/預(yù)知維修方式進(jìn)行。

在直升機(jī)預(yù)先機(jī)務(wù)準(zhǔn)備階段，根據(jù)機(jī)載監(jiān)測診斷系統(tǒng)和地面測試提供的直升機(jī)狀態(tài)報告，排除部附件的故障缺陷，主要包括故障的定位和隔離、部附件更換、設(shè)備調(diào)校和檢驗(yàn)以及故障件的修復(fù)。

在直接機(jī)務(wù)準(zhǔn)備階段，直升機(jī)性能檢查主要依靠機(jī)載故障診斷與預(yù)測系統(tǒng)和便攜式維修輔助設(shè)備完成。若存在故障或部附件發(fā)現(xiàn)裂化狀態(tài)，則根據(jù)CBM決策軟件提供的維修方案實(shí)施維修。

在再次出動機(jī)務(wù)準(zhǔn)備階段，工作的預(yù)見性明顯提高，在直升機(jī)還在空中訓(xùn)練時，就將狀態(tài)或故障信息自動傳輸給地面維修站或準(zhǔn)備保障系統(tǒng)，生成維修方案，明確維修內(nèi)容。

CBM對飛機(jī)維修方式的影響，是大量新技術(shù)新手段運(yùn)用的結(jié)果，除了利用在直升機(jī)上集成的先進(jìn)傳感器外，還要借助各種算法和智能模型等來判斷直升機(jī)的狀態(tài)。因此，維修基礎(chǔ)不再僅僅是傳統(tǒng)的基于傳感器的診斷，而是基于CBM智能系統(tǒng)的預(yù)測。狀態(tài)監(jiān)控也不僅僅只反映維修需求，而是提供準(zhǔn)確實(shí)時的維修導(dǎo)向，從而促使飛機(jī)維修從原來以事件為主宰的維修(即事后維修方式)和與時間相關(guān)的維修(即定期維修方式)，向?qū)崟r主動預(yù)測維修方式轉(zhuǎn)變。

我國部分直升機(jī)的狀態(tài)監(jiān)控的范圍和性能相對有限，僅僅是單一的對個別設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)控，而不是一整套對直升機(jī)及其部附件進(jìn)行監(jiān)控、分析和決策的系統(tǒng)，跟美國成熟的基于狀態(tài)維修的維修保障體制相比還有較大差距。在關(guān)鍵技術(shù)方面，國內(nèi)主要開展了狀態(tài)維修的理論研究，側(cè)重于研究狀態(tài)檢測和故障診斷技術(shù)，缺少根據(jù)設(shè)備的狀態(tài)信息進(jìn)行維修分析決策這一重要功能，使得CBM難以充分發(fā)揮其應(yīng)有的作用和效能。因此，成熟的能夠廣泛應(yīng)用于實(shí)踐的狀態(tài)維修保障模式的實(shí)現(xiàn)還需要一段時間。

4 總結(jié)與展望

直升機(jī)的維修保障模式直接決定著直升機(jī)的完好率。基于狀態(tài)的維修是一種先進(jìn)的預(yù)防性維修決策技術(shù)，能有效地克服定期維修造成的裝備過修或失修的問題，是未來裝備維修發(fā)展的必然趨勢，將帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。但是，由于我國在發(fā)展?fàn)顟B(tài)維修技術(shù)方面與國外還存在較大差距，尤其是在關(guān)鍵技術(shù)突破以及宏觀管理決策的制定上有待進(jìn)一步探索，因此在加強(qiáng)理論研究的同時，應(yīng)當(dāng)更側(cè)重于解決實(shí)際問題，使基于狀態(tài)的維修盡快得到應(yīng)用。