以可靠性为中心的基于状态维修的分析及其应用研究

陈圣斌，曾曼成，郝宗敏，张仁强

(中航工业直升机设计研究所，江西景德镇 333001)

0 引言

随着航空技术的发展，航空维修方法也在不断地改进和革新。图1给出了航空领域维修方法从MSG直到目前嵌入于现代美国陆军航空兵的CBM+计划的整个转移过程。经过几十年的发展，航空维修方法已由早期的以定时为主的维修方式发展为以MSG或RCM表征的定时维修、视情维修、状态监控三种维修方式。通过上面的维修方法的变革，固定翼飞机(如波音747)的定时维修的部件由数10件减少到3～5件;机载成附件几乎都改成了状态监控维修方式。这大大地减少了维修费用，提高了飞机的使用可用度。然而，就直升机而言，尽管也按照以可靠性为中心的维修分析程序，进行了维修方式的改革，但打开直升机的主要维护建议或维修大纲，包括欧美直升机在内，其动部件(主尾旋翼系统、发动机和动力传动装置)仍是以定时维修的方式规划其维修工作。正如图2所示［1］，直升机的直接维修费用为整个寿命周期费用的30%，直升机成了“买得起，用不起”的飞行工具。。

图1 基于状态维修的发展沿革

图2 直升机寿命周期费用分配

美陆军航空兵在本世纪初，提出了截短后勤尾巴的计划［2］，其中有一项是对目前的维修作进一步的重大改革，使直升机的维修改革为基于状态的维修。于是美国陆军开发了以可靠性为中心的基于状态维修的程序方法。

值得提出的是，上世纪后20年欧美国家在直升机上广泛应用的健康和使用监控系统(HUMS)以及直升机上目前的健康和使用的可视化信息系统日趋完善，这为基于状态维修方法的实现提供了技术支撑。

本文根据相关资料［3-5］，首先阐述了以可靠性为中心、基于状态维修的分析程序(RCM、CBM);然后说明了以HUMS和信息化技术为支撑以实现基于状态维修的技术特征和要求;最后，以相应的实例介绍了基于状态维修在直升机上的应用。

1 基于状态维修的定义

1.1 基于状态维修的方法

所谓的基于状态维修的方法，即是根据一个部件/产品的损伤或状态的实时监控，而采取主动维修措施(如更换、功能检查等)。

与RCM不同之处，RCM所关注的是部件总体(型号)的通用的维修要求，而CBM所关心的是各个部件的状态，并根据部件状态实时监控，进行主动维修［4］。

众所周知，目前直升机动部件都是按使用安全-寿命方法进行设计和鉴定的，通常是有0.999999(6个9或0.96)的可靠度才予以接受，它是通过使用谱、部件的载荷及材料的疲劳特性确定的，这样给出的寿命(总寿命、TBO或使用期限、视情维修间隔时间)便载入维护手册之中［5］。

然而，使用中的实际状态、载荷及环境应力、疲劳损伤与确定寿命的状态有很大不同，如试验中的环境条件是严酷的高低温循环作用。如图3所示，这种差异性，为按实际使用状态进行维修或延长使用寿命提供了空间。

图3 不同环境条件下的部件/产品寿命

1.2 基于状态维修的原理(P-F曲线)

基于状态维修，它是根据实际的损伤状态，而不是按计划的、例行的或重复的时间进行维修的方法，图4中所示的P-F曲线表征了基于状态维修的原理。

图4 基于状态维修原理

图中P点是能够检测到的潜在故障点，而F点是发生功能故障点。只有满足下列条件，才能在技术上实现基于状态的维修。

1)必须有一个能够检测潜在故障状态的传感器或指示器;

2)这种检测器在小于P-F间隔的时间里，能够监控损伤的扩展;

3)在功能故障发生之前的这一P-F时间间隔必须足够长，以避免功能故障的影响;

4)表征相应故障的P-F的时间间隔是完全一致的。

显然，由上可以看出，如果P点不能清楚而无歧义地检测出来P-F的时间间隔便无法确定，基于状态维修的方法是不可实现的;如果损伤状态不能确定，损伤的扩展点便也无法确定，这样基于状态的维修也是不可实现的。简而言之，必须提供一个足够长的P-F时间间隔，以便对其工作的简要过程作出反应，并对实施的维修措施作出有效的规划。

由上面的基于状态维修的定义不难看出基于状态维修的实现应具有以下必要条件:

1)必须确定潜在故障和功能故障点及它们的时间间隔;且P-F时间间隔应足够的长。(在后面的CBM分析程序中，这一P-F时间间隔定义为大于最大的任务时间);

2)必须有一个能检测潜在故障点及损伤扩展的传感器或指示器。

2 以可靠性为中心的基于状态维修的分析程序［3］

这种以可靠性为中心的基于状态维修的分析程序包括以下基本内容:

1)以可靠性为中心的维修分析;

2)基于状态的维修分析;

3)与HUMS相结合的基于状态维修。

其中以可靠性为中心的维修分析是基于状态维修的基础，这正如美国陆军在RCM、CBM的行动计划中指出的那样，没有RCM的分析，CBM便像没有方向舵的航船。显然，RCM分析对CBM起着领引的作用。通过以可靠性为中心的维修分析，给出部件/产品的哪些故障应采取基于状态的维修，然后，又按CBM分析程序作进一步分析，确定基于状态维修的部件/产品要予以监控的状态和P-F的时间间隔。

本节详细地阐述了RCM和CBM的分析程序，RCM和CBM的分析程序如图5所示。

2.1 以可靠性为中心的维修(RCM)分析程序

以可靠性为中心的维修分析程序，是广为人知的。正如图5左半部分所示，按这一分析程序，可以得到维修环境下的4种结果:

1)基于状态维修(CBM);2)定时维修(TDM);

3)无维修处理方式(NOM);4)运行到发生故障(RTF)。

从分析程序可以看出，这4种结果是根据故障的后果(或故障影响)，故障的感知(故障是明显的或隐蔽的)和P-F时间间隔(大于或小于最大任务时间)来确定的。

其中P-F时间间隔必须知道，按基于状态维修的定义，只有检测到潜在故障点及功能故障，且具有足够长的P-F时间间隔才能实现基于状态的维修。按美国陆军的CBM分析程序，这一P-F时间间隔应大于最大任务时间。

如图5所示，4种类型的维修都取决于与P-F时间间隔相关的任务时间。如明显的致命性故障的P-F时间间隔大于最大任务时间时可采取CBM的维修方式，然后按CBM分析程序确定必须监控的状态及P-F时间间隔，以及在维修管理系统中，这种维修方式与HUMS的综合实现。

2.2 基于状态维修(CBM)分析程序

经RCM分析确定为基于状态维修方式的部件/产品，便要进行基于状态维修分析。这一分析是一不断发展的渐进过程，其目的是使能够使用的分析工具得到优化。使用全尺寸的部件试验作为分析的一部分，显然是很费钱的，因此，若数学建模或部分折因试验能够提供足够的信息以开发和综合CBM的解决方法，在经济上是更可取的。图5右上部分给出了开发CBM解决方法的渐进式途径或程序。

图5 以可靠性为中心的基于状态维修分析程序

必须指出的是，每一步之后都要研究可用的信息，以确定是否足以产生CBM的解决方法。基于状态维修分析程序给出的予以监控状态及利用监控的结果，采用主动维修解决方法如图5右下部分所示。

2.3 与HUMS相结合的基于状态维修的方法

20世纪后半叶，欧美国家开发的直升机健康与使用监控系统(HUMS)是一种采用全套传感器和计算机构建的监控直升机结构和动部件状态的监控系统。如果把基于状态维修分析所得到的CBM解决方法嵌入到HUMS的功能系统之中，便构建了与HUMS相结合的CBM解决方法——机载维修系统，即通过HUMS系统监控动部件和结构件的状态(如损伤、裂纹和裂纹扩展等)，在部件/产品即将发生功能故障而尚未发生之前，便对其采取相应的维修措施，实现实时主动的维修。

这种与HUMS相结合的CBM的解决方法如图5右下部所示:

这种以CBM分析所获取的CBM解决方法与HUMS结合构建的综合维修系统，能使HUMS实现对动部件和结构件的健康和使用状态的精确监控。

这种基于状态维修分析对HUMS的作用和意义，正如美国陆军CBM行动计划所述:

1)这种无CBM分析而主观嵌入的健康与使用管理系统是一种无坚实基础的嵌入方法;

2)这种综合的健康数据分析，没有对故障模式机理的精确掌控，其结果有可能是无效的结果或无结果的资源浪费。

3 信息系统

信息系统是支持基于状态维修环境的核心或关键，它不仅支撑着基于状态维修的实现，而且它对于通过全寿命周期管理保障计划，以较低的费用实现较好的使用完好性是非常重要的。

这种信息系统在美国陆军的RCM、CBM的行动计划中，被视为重大的转化。被监控的部件/产品通过这种信息系统，实现真正的可视化。这种信息系统的重大转化包括5个方面的内容:

1)部件/产品的唯一识别(UID);

2)构型为中心的维修信息管理系统(MMIS);

3)序列化的项目管理(SIM);

4)履历本;

5)基于任务的维修信息管理。

3.1 部件/产品的唯一识别

正如前文所述，CBM计划的关键就是要掌控各个部件的状态。为了达到透彻地了解部件状态，必须有许多重要的因素设置在这样的信息系统中。首先，基层级的信息系统，对各个部件要有可视性，这是通过贯彻美国国防部UID的策略来实现的，这一策略就是使管理人员对每一部件/产品用2维的可判读的机械编号进行唯一的标识。这样，每一个部件在美国国防部的后勤保障环境中被确认是全球唯一的，作为后勤的下一步，这样的信息系统，必须利用这样的编号标识作必要的变化以支持这种新的基于状态维修的方法。

3.2 构型为中心的维修信息管理系统

对于信息系统的下一个重要转化，即是建立以构型为中心的维修信息管理系统，通过这样的系统，管理人员便可对机群保持的构型状态或它们的每一重要装置实现可视化管理。图6是这种维修信息管理按保持状态构建的构型记录的一般方法，限于篇幅，图6参见文献［3］。每一重要部件都可以进一步细化以实现分部件的可视性，从而获取它们的详细状态和特征。

3.3 序列化的项目管理

监控部件可视性的另一个重要部分，即是要给出予以跟踪管理的特征。这种功能在美国防部DOD4151.19器材维修的序列化项目管理文件中有明确的规定，其目的是通过给出相应的特征，在整个国防部实现对这种重要器材的管理。这些特征包括飞行小时、循环次数，还包括储存寿命、保证期、大修次数、振动记录等。由于这些特征都会影响部件状态，因此信息系统必须通过UID收集并给出每一部件的这些特征。

3.4 履历本

履历本是实现被监控部件可视性的最重大的转化。它要将现存的纸质履历本转化为电子资料说明书，以便管理人员利用这种电子化的履历本，在使用保障及维修环境下，对所有部件具有可视性。

这一电子化的履历本，必须给出每一部件在其整个寿命期内要予以跟踪的特征。这样，部件在修理厂进行维修或大修时所消耗的资源，便能分配到由它的UID给定的项目上，并且记录相应的消耗。采用这样的电子化的履历本，确保按实际数量而不是传统的批量需求进行采购和储存，从而避免使用中出现像伊拉克前线那样堆积如山的没有使用过的备件。

3.5 基于任务的维修信息管理

陆军维修信息系统是重大的转化，它是向着基于维修任务的方式发展。这种基于维修任务的信息管理方式是民用航空和汽车行业使用的方法模型。例如，当你的汽车要做相应的维修工作时，从汽车供应商服务中心所收到的清单说明便一目了然了，它给出了维修工作的范围和工作量，完成维修所用的技术数据，完成这一维修工作所需时间及备件需求量以及其他的附加检查和保养工作。

这种基于维修的信息管理方式，对机群的检查和维修造成重大的改变，不论是计划或非计划的维修工作，它就是发现问题、解决问题，这就需要机群维修信息的输入，以确定影响机群使用完好性的主宰因素。如果没有维修任务数据的收集、分析和评估，便不能完成计划维修的优化;同样，如果要使CBM非计划维修转化为预测的主动的维修工具，那么，没有掌控维修任务的相应信息，便不能量化基于状态维修的效果。

这种基于维修的信息包括:MTBMA(任务失败的平均间隔时间)、MTBMAF(影响任务的平均故障间隔时间)、MTBSF(系统故障的平均间隔时间)、MTBFMA(影响维修活动的平均故障间隔时间)。

在美国的RCM、CBM行动计划中指出:必须以基于状态维修的分析为理论基础，以HUMS为CBM的技术支撑，实现上述维修信息管理的重大转化，才能实现基于状态维修方法的改革。

4 应用实例

美国业已开发了一种先进的滑油管路中碎片监控装置——金属粒探测器(Metal scan)，它是监控和预测直升机发动机和传动装置轴承和齿轮结构损伤，实现基于状态维修的很有效的状态指示器或传感器。

这种金属粒探测器对发动机和传动装置轴承的碎片及齿轮的剥脱损伤能提供早期预测，对损伤扩展到功能故障的严重性及扩展速度能提供量化指示。因此，这种传感器技术能估算潜在故障点(P)到功能故障点(F)的时间。

限于篇幅，这里不详细引述这种状态指示器或传感器的工作原理，详见参考文献［4］。

这种先进的金属粒探测器与传统的滑油金属探测器的比较如表1所示:

表1 两种探测器的检测功能比较

由这种先进的金属粒检测器与HUMS构成的直升机传动系统监控装置的配置如图7所示。

5 结论和建议

5.1 结论

通过上面的分析和讨论，可以得出如下结论:

1)这种以可靠性为中心，基于状态维修分析为理论基础，以HUMS和信息系统为技术支撑的基于状态维修的方法，其最直接的获益是使相应的部件/产品由过去的基于时间的被动的定时维修转化为基于状态的主动、预测性维修。这大大地延长了部件/产品的使用寿命。对于减少直接维修费用，提高使用可用度起重要作用。

2)这种基于状态维修的改革，将使直升机的许多结构部件、动部件(如主尾旋翼桨叶、自动倾斜器、起落架支柱、发动机和传动装置等)由过去的定时维修转化为基于状态维修。

图7 由金属粒探测器组成的发动机传动装置监控系统

3)以基于状态维修为核心，以信息系统为纽带构建的新的使用维修保障系统，将使部件/产品在整个供应链中实现可视性管理，这将消除堆积如山的备件储备，对于截短后勤保障的尾巴起着重要作用。

4)由CBM改革而引发的信息系统的转化，将能实现维修信息管理、序列化的项目管理、履历本的管理、部件/产品状态管理、机群管理的可视性，对于减轻维修负担，监控直升机的健康和状态，掌握和监控整个机群的使用等起着重要作用。

5.2 建议

在长期的工作实践中发现，尽管在型号研制工作中，做了大量的可靠性、维修性、保障性的分析和设计工作，但总感到这些工作的结果对于减少维修负担、减少维修费用、减少保障资源没有显示出明显的成效。其主要原因之一就是传统的维修方式阻碍了可靠性、维修性、保障性分析和设计工作效能的发挥。

尽管部件/产品的可靠性很高，但仍以设计定寿规定的时间，而不是以它们的使用状态(可靠性)进行维修，这种穿新鞋走老路的方法无疑使所做的可靠性分析设计工作的成效显现不出来。美国陆军航空兵部队似乎也是发现了这些问题，(如动部件几乎都是定时维修，伊拉克战场没有用过的备件堆积如山等)，本世纪一开始便提出基于状态维修改革的行动计划。

为了使国内直升机领域也能尽快实现基于状态维修的变革，这里建议成立以可靠性为中心的基于状态维修课题组，开展相应的研究工作，包括:

1)美国陆军基于状态维修计划的背景及内容的详细研究(如基于状态维修的程序、信息系统，以P-F时间间隔大于最大任务时间作为确定部件/产品基于状态维修的条件之一)。

2)基于状态维修的相关文件、标准的研究(如美国陆军CBM+路线图、器材维修序列化项目管理、数字化航空后勤保障计划、以构型为中心的维修信息管理系统等)。

3)直升机结构件、动部件基于状态维修改革的研究(如实施基于状态维修改革的结构件、动部件选择原则及程序;数据收集(如结构损伤类型、程度、位置、严酷度、损伤原因等);基于状态维修的分析程序;通过建模分析计算损伤对结构部件、动部件的寿命、可靠性的影响从而确定是否需要监控状态、试验验证等。)

4)国内现役直升机结构件、动部件使用状态的研究(包括使用寿命及可靠性(MTTF或MTBF))。

6 结束语

本文是以国外资料编撰的综述报告，文中实有不详之处，抱着抛砖引玉的目的，期待业界同行作进一步研究，促进国内直升机维修方法的改革和发展。

［1］Ponchlin G，Lefedvre A，Maisomeuve PL，et al.The Maximum Maintenance Mastery at Eurocopter［C］//33rd European Rotorcraft Forum 13-09，2007.

［2］Kimberly LTC，Enderle A.Sustaining the Multifunctional Aviation Brigade，Shortening the Logistic Tail［J］.ARMY AVIATION，2004，(30)11.

［3］Sauter F C.A system Approach to Condition Based Maintenance［C］//American Helicopter Society Specialises’Meeting on Conditon Based Maintenance，February 12-13 2008.

［4］Kitaljevich D，Dupuis R，Cassidy K.Oil Debris Monitoring for Helicopter Drivetrain Condition Based Maintenance［C］//American Helicopter Society Specialist’s Meeting on condition Bused Maintenance，February 12-13 2008.

［5］Martin D，Page T.Useful Life Improvements to Dynamic Components through Remediation［C］//AHS 61st Annual Forum ，June 1-3 2005.

［6］Gribensk A J.Fleet Management-A sustained Strategy to Reduce Maintenance Burden［J］.ARMY AVIATION，2010，31(10).