一种基于可靠性的ACM 预防性维修策略

■ 阚士行 王峥/山东航空股份有限公司工程技术公司

0 引言

航空公司航材资产具有种类多、价值高、周转率高等特点。随着精细化程度的加深，以前故障发生后再进行航材更换的策略不能适应航空公司日益提高的保障要求，越来越多的航空公司开始采用“预防性维修”策略，将部件提前拆下进行维修，以避免突发故障导致航班延误。但是目前大部分航空公司多采用历史经验数据决定预防性维修的周期，决策过程缺少数据定量分析支撑，存在标准不一、经济性低的情况。本文以S 航空公司的空气循环机（ACM）为例，通过建立预防性维修策略模型，为航材预防性维修提供数据支持。

1 模型简介

1.1 以可靠性为中心的维修思想

以可靠性为中心的维修思想（RCM）充分利用机械系统本身的固有可靠性，以可靠性理论为基础，通过对影响机械系统的可靠性因素进行具体分析和试验，确定合理的机械系统维修周期，定量最低的机械系统全寿命费用，并充分利用机械系统的使用可靠性。

可靠度指机械系统及其零部件在规定的条件和时间内能正常发挥功能的概率，即机械系统及其零部件的寿命T不低于时间t的概率，即

与可靠度对立的是不可靠度，它表示机械系统及其零部件的不可靠程度，即

则F（t）为部件的故障分布函数，其故障概率密度函数f（t）为

瞬时故障率λ（t）为

1.2 威布尔分布模型

威布尔分布在机械强度的可靠性分析计算中是除正态分布外常用于表达强度及寿命的一种分布形式。

威布尔分布的瞬时故障率函数λ（t）定义如下：

由此可得威布尔分布的可靠度函数为

及威布尔分布的概率密度函数为

其中，β为形状参数；θ为尺度参数，也称为特征寿命，它与故障时间的单位相同。

1.3 建立预防性更换周期模型

1.3.1 定龄维修策略

预防性维修是指当机械系统运行到规定的时间后进行维修，使其恢复到规定的使用功能状态。但在定期预防性维修之前，机械系统的零部件不可避免地会发生故障，出现维修更换的情况。零部件发生故障进行更换后再根据其预防性维修周期的不同，将定期预防性维修分为定龄维修策略与成批维修策略。

定龄维修策略是指当零部件的工作时间达到预定的维修周期T，即使没有发生故障也要进行预防性维修；如果零部件在未达到预定的维修周期T时就发生了故障，则对发生故障的零部件进行故障后维修。无论是进行预防性维修还是故障后维修，零部件的功能都恢复到了规定的使用功能状态，所以故障前工作的时间不应计算在更新后的实际工作时间内，需对零部件的工作时间重新进行计算，重新工作到一个维修周期T时，再进行一次新的预防性维修。

由于航空部件价值昂贵，因此选用更经济的定龄维修策略。

1.3.2 基于经济性要求的定龄维修策略预防性维修周期

设某零部件1 次故障后维修和预防性维修的平均维修费用分别为Cf与Cp。根据定龄维修策略，该零部件在单位时间内最小平均维修费用Cn（T）为

若求单位时间内最小平均维修费用Cn（T）的最小值，只需令即可，通过求导计算可得

该计算公式无数值解，但可以通过迭代法求得比较精确的数值解。

2 模型应用

2.1 建立零部件寿命模型

以S 航空公司ACM 为例进行阐释。从系统中选择ACM 的送修记录共计190 条。通过对其TSR（新件或修复后部件的装机时间）进行参数估计并进行检验，发现该数据服从威布尔分布，其β估计值为1.3396，θ估计值为11215.89，即其可靠度函数为

2.2 建立零部件预防性维修周期模型

该部件价格较高，目前新件的市场价格约60 万美元。若对其进行预防性维修更换轴承、叶片等，可以有效延长使用寿命，避免造成壳体损坏等后果更严重的损伤。通过对送修费用进行分析，1次故障后的平均维修费用Cf=50万元，预防性维修的平均维修费用Cp=12万元，即

通过R 语言迭代计算其解，即在ACM 工作20685h 后进行预防性维修最经济。

2.3 模型验证

结合历史送修数据，按照20685h对ACM 进行预防性更换维修，年均可避免5 次故障后维修（改为预防性更换维修），可为航空公司节约支出190 万元；同时年均额外增加3 次预防性维修（增加支出36 万元），综合测算可为航空公司年节约154 万元的维修费用。

3 总结

本文从经济性角度建立了较好的预防性维修周期模型，为部件建立预防性更换策略提供定量分析和决策支持，为航空公司节约维修成本。