基于状态的维修在鱼雷技术保障中的应用

马　亮，翟坚帅，叶心领

（1. 海军潜艇学院 导弹兵器系， 山东 青岛， 266044； 2. 中国人民解放军92196部队， 山东 青岛， 266042）

基于状态的维修在鱼雷技术保障中的应用

马亮1，翟坚帅2，叶心领2

（1. 海军潜艇学院 导弹兵器系， 山东 青岛， 266044； 2. 中国人民解放军92196部队， 山东 青岛， 266042）

为了更好地推动基于状态的维修（CBM）在鱼雷等武器装备技术保障中的应用， 文中阐述了CBM基本思想， 并以鱼雷推进系统为例， 针对鱼雷技术保障过程中存在的问题， 分析鱼雷推进系统的故障特征， 论证对其实施CBM的可行性， 并提出对鱼雷推进系统实施CBM分析流程， 制定了预防性维修决策， 为将CBM思想引入到鱼雷技术保障工作中提供参考。

鱼雷技术保障； 推进系统； 基于状态的维修（CBM）

0　引言

随着鱼雷技术不断发展， 鱼雷的维修保障方法也在不断改进和革新。为了保持或恢复鱼雷规定的技术状态， 新型鱼雷的可靠性、维修性、保障性设计水平不断提高， 战备完好率明显提升。经过几十年的发展， 鱼雷维修方法逐步由早期的以定期维修为主发展为定期维修、事后维修、视情维修等多种维修方式。但其主要维护建议或维修大纲， 仍以定期维修的方式规划其维修工作，使鱼雷的直接维修费用在寿命周期费用中仍然占有较高的比例。

基于状态的维修（condition based maintenance，CBM）， 是在以可靠性为中心的维修理论基础上发展起来的一种装备维修思想， 通过在设备内部植入传感器或外部检测设备中获得系统运行时的状态信息， 对其进行实时或周期性评价， 最终制定装备的维修需求。它能够克服事后维修和定期维修带来的弊端， 延长装备运行周期， 降低维修费用和故障发生概率。CBM通过对装备迫近故障的有效预测， 能够避免故障带来的严重后果， 提高装备的可用度和安全性， 降低使用和维修费用。

根据鱼雷技术保障规定， 服役阶段， 鱼雷到达规定的年限或使用次数后， 返厂进行定期维修，或在执行特殊任务后返厂维修， 偶然故障进行临时维修。此前， 由于缺乏对鱼雷潜在故障模式的研究， 使部队技术保障设备中缺乏必要的测试手段， 相关人员对CBM概念缺乏了解。为了更好地推动CBM在鱼雷等武器装备技术保障中的应用，文中以鱼雷推进系统为例， 给出了在鱼雷技术保障工作中开展CBM的分析方法及流程， 为将CBM引入到鱼雷技术保障工作中提供参考。

1　CBM与潜在故障

1.1CBM

CBM分析是指通过采用先进的测试技术、故障诊断技术以及修理技术等， 以保持装备固有可靠性为前提， 制定合理的维修策略， 减少维修工作量， 提高装备战备完好性。CBM的宗旨是“只有在装备确实有需要维修的明显征兆时才进行维修”， 同时要保证装备的可靠性和安全性， 以最大限度地减少事后维修或预防性维修工作量。采用CBM的最大好处在于减少装备故障检测的虚警率和不必要的维修， 降低使用和保障费用， 减少“过修”或“失修”现象。CBM注重监测单个部件的状态， 并根据监测结果， 进行主动维修。

1.2潜在故障

现代维修理论的一个突出贡献在于提出了“潜在故障”概念。潜在故障概念认为， 装备退化有一个逐渐劣化的过程， 故障发生服从如图1所示的P-F曲线［1］。

图1　装备使用状态与时间的关系Fig. 1　Relationship between working condition and service time of equipment

该曲线显示了故障开始并退化到可被探测点P， 在没有采取维修措施的情况下， 通常会以更快的速度退化到功能故障点F。装备处于P， F两点之间的状态， 即为潜在故障状态。由图1可以看出， P， F两点之间是从发现潜在故障到演变为功能故障之间的时间间隔。当装备出现故障征兆时， 能够及时发现并处理， 将避免发生功能故障。因此， P-F间隔越大， 装备发生功能故障的概率越小。

CBM的目的就是在P-F时间段内， 监测装备状态参数， 获取装备状态信息， 预测装备剩余寿命或功能故障发生的概率， 及时发现和纠正任何可能导致装备故障的操作或运行状况， 制定合理的维修策略。

2　鱼雷推进系统故障特征与原因分析

2.1故障特征

推进系统包括电机、尾轴、螺旋桨等装置， 通过螺旋桨将电动机的动能转化为鱼雷航行所需的推力， 使鱼雷按照预定的速度和航程航行。与作战平台推进系统相比， 鱼雷推进系统虽服役时间较长， 但长期处于贮存状态， 即使是训练用雷， 其寿命周期内的航行时间也很短， 推进系统不具备连续运转特征， 难以实施连续动态监测， 在日常保障过程中， 检查结果一般分为“正常”或“不正常”2种状态， 难以判断其是否处于潜在故障状态。

2.2故障原因

实践表明， 电动力鱼雷故障多发生在后段和电机段， 而推进系统是故障多发部位。这是因为：

1） 实航中， 海水可从螺旋桨处、线导段和后段连接处的穿线管处进入推进系统内。训练结束回收后， 鱼雷经过维修， 重新进入贮存状态， 尾轴在维护保养不当的情况下容易出现锈蚀。同时，将鱼雷从包装箱中取出后， 贮存环境难以达到规定要求， 会加剧尾轴锈蚀；

2） 鱼雷技术保障规程中， 缺乏定期开展尾轴组件动态特性测试或人工检查的相关规定， 一般是在确定使用该雷前进行技术准备过程中， 通过试转电机检查尾轴工作是否正常， 缺乏尾轴专项检查；

3） 试转电机时， 现有检测手段主要依靠人员经验（包括看、听、摸等）来判断， 难以精确判断潜在故障。

基于以上分析， 选择鱼雷推进系统尾轴作为重要功能项目， 探讨将CBM应用于鱼雷技术保障中的可行性及分析方法。

3　实施CBM可行性分析

CBM并不适用于鱼雷所有部件， 对鱼雷推进系统实施CBM， 必须“技术可行”， 且“价值可行”。

3.1技术可行性分析

鱼雷推进系统潜在故障， 主要表现为机械振动异常， 可利用现有的振动测试技术实施状态监测。由于推进系统工作为短时工作制， 对其实施状态监测应以贮存期间的振动参数定期测试为宜。鱼雷推进系统并非所有装置都适于采用CBM，对于螺旋桨而言， 仍应该坚持现有的计划维修方案及故障后修理方案， 用户日常检测难以进行高精度测量及修复， 基于此， 从技术可行性分析的角度可知， 选择鱼雷尾轴进行状态维修是技术可行的。

3.2价值可行性分析

鱼雷推进系统属于贵重组件， 不宜采用整体换件修理， 技术保障部门应具备原件修复能力。部队在技术保障过程中， 采取计划维修模式， 可以降低故障率， 但也可能导致“失修”或“过修”；同时， 受维修设备、备品备件、人员水平、资料等因素限制， 尾轴出现断裂故障后必须组织返厂维修。这种故障后维修的管理模式， 带来维修成本高、周期长、装备完好率低的问题。实施基于状态的维修， 可预先发现推进系统潜在故障模式，采取预防措施， 预防功能故障的出现。

4　维修分析方法

4.1故障模式影响

采用故障模式影响分析（failure mode effects analysis， FMEA）［2］， 判断鱼雷推进系统尾轴断裂故障的影响程度， 确定严酷度类别， 提出故障检测方法及日常补偿措施， 如表1所示。分析结果表明，尾轴断裂潜在故障模式持续时间长、影响后果严重， 严酷度类别定为Ⅰ类， 因此， 应对尾轴组件实施定期检测， 加强维护手段。

4.2CBM流程分析

4.2.1流程分析基本内容

维修流程分析包括制定状态监测方案、利用推理算法预测推进系统健康状态和维修决策分析3方面内容［3-4］。

表1　鱼雷推进系统尾轴FMEA分析表Table 1　Failure modes and effects analysis（FMEA） for tail shaft of torpedo propulsion system

4.2.2状态监测方案

1） 状态监测技术： 采用振动分析法， 检测推进系统出现振动异常， 如图2所示。此时， 虽然推进系统能够实现基本功能， 但振动测试数据与标准值不符， 表明已进入潜在故障状态。

2） 测量参数选择： 选取振动速度作为状态测量参数， 对鱼雷推进系统的电动机前端轴承A点、电动机输出端轴承B点、尾轴前端轴承C点、尾轴末端轴承D点振动速度进行测量。

3） 监测点选择： 根据监测点选择原则， 在输入端轴承C点上选择3个方向的测量值， 分别为横向、纵向和轴向的振动速度。1表示垂直方向，

图2　鱼雷推进系统示意图Fig. 2　Schematic of torpedo propulsion system

2表示水平方向， 3表示轴向。

4） 测量周期确定： 根据定期检测的标准， 每周对该鱼雷推进系统检测一次。

5） 试验数据获取： 抽取鱼雷推进系统监测点C点共14组数据， 以水平振动为例， 见表2。

表2　水平振动监测数据值及预测结果Table 2　Motoring and predicting values of vibration in horizontal direction

4.2.3剩余寿命预测

由于数据量测量样本少， 该方案应用灰色预测模型GM（1，1）进行尾轴组件的剩余寿命预测，预测值见表2， 其中第15～18组数据为预测数据。

根据振动标准及经验可知， 鱼雷推进轴承水平方向振动报警期望值取为5.0 mm/s， 由GM（1，1）模型可以预测到达功能故障的时间为水平振动方向在第15个采样点超过振动阈值， 见图3。按照相同的测量及预测方法， 可知轴向、垂直2个方向的振动速度预测结果为垂直方向振动在第16个采样点超过振动阈值， 轴向方向振动在第12个采样点超过振动阈值， 取其最小值， 作为尾轴组件的剩余寿命， 因此应该在第12个采样点前对轴承进行维修。

图3　水平方向振动预测曲线Fig. 3　Predicting curves of vibration in horizontal direction

当然， 随着监测时间的继续， 可以采用最近的监测数据对GM（1，1）模型进行及时修正， 使预测剩余寿命更趋精确。

4.2.4维修决策分析

CBM分析的目的在于为制定预防性维修决策提供依据。为此， 需应用逻辑决断图， 采取逻辑决断方法进行维修决策分析， 确定预防性维修工作类型及维修间隔， 提出维修级别建议。逻辑决断分析结果如表3所示。

根据逻辑决断分析表可以看出， 鱼雷推进系统尾轴断裂的故障影响为1类影响， 即严重影响。其中， 任务性影响和经济性影响严重， 没有安全性影响。

基于以上分析， 制定CBM决策， 确保在尾轴组件发生故障之前， 确定合理的维修间隔， 采取对策措施， 形成预防性维修计划。制定鱼雷尾轴组件的预防性维修计划见表4。

5　结束语

文中以鱼雷推进系统为例， 论证了对鱼雷实施CBM的可行性， 按照CBM分析流程， 对鱼雷推进系统实施了CBM分析， 制定了预防性维修决策， 为开展CBM在鱼雷技术保障中的应用研究提供了具体的方法， 研究结果对于提高鱼雷在贮存或执行任务期间的战备完好率具有重要现实意义。需要强调的是， CBM并不适用于所有的鱼雷故障模式， 应根据不同的故障规律分别选择定时维修、修复性维修或CBM， 只有对那些确实存在潜在故障模式， 且实施CBM既“技术可行”又“价值可行”时， 才能够根据CBM分析结果制定预防性维修计划。

表3　鱼雷推进系统尾轴逻辑决断分析表Table 3　Logical decision analysis results of tail shaft of torpedo propulsion system

表4　鱼雷推进系统尾轴基于状态的预防性维修计划Table 4　Preventive maintenance plan based on condition of tail shaft of torpedo propulsion system

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（责任编辑： 许妍）

Application of Condition Based Maintenance to Technical Support of Torpedo

MA Liang1，ZHAI Jian-shuai2，YE Xin-ling2
（1. Department of Missile and Weaponry Engineering， Navy Submarine Academy， Qingdao 266044， China； 2. 92196thUnit， The People′s Liberation Army of China， Qingdao 266042， China）

To promote the application of condition based maintenance（CBM） to the technical support of torpedo weapons and other equipment， the basic idea of CBM is introduced. Taking a torpedo propulsion system for example， the fault features of the torpedo propulsion system is analyzed with respect to the problems in technical support of torpedo weapons， and the application feasibility of CBM to the propulsion system is discussed. Moreover， the analysis process of applying CBM to torpedo propulsion system is analyzed， and the preventive maintenance decision is made.

technical support of torpedo； propulsion system； condition based maintenance（CBM）

TJ630.7

A

1673-1948（2015）03-0232-05

2014-10-24；

2014-12-25.

马亮（1973-）， 女， 教授， 研究方向是鱼雷武器发射技术.