馬　亮，翟堅(jiān)帥，葉心領(lǐng)

（1. 海軍潛艇學(xué)院 導(dǎo)彈兵器系， 山東 青島， 266044； 2. 中國(guó)人民解放軍92196部隊(duì)， 山東 青島， 266042）

基于狀態(tài)的維修在魚(yú)雷技術(shù)保障中的應(yīng)用

馬亮1，翟堅(jiān)帥2，葉心領(lǐng)2

（1. 海軍潛艇學(xué)院 導(dǎo)彈兵器系， 山東 青島， 266044； 2. 中國(guó)人民解放軍92196部隊(duì)， 山東 青島， 266042）

為了更好地推動(dòng)基于狀態(tài)的維修（CBM）在魚(yú)雷等武器裝備技術(shù)保障中的應(yīng)用， 文中闡述了CBM基本思想， 并以魚(yú)雷推進(jìn)系統(tǒng)為例， 針對(duì)魚(yú)雷技術(shù)保障過(guò)程中存在的問(wèn)題， 分析魚(yú)雷推進(jìn)系統(tǒng)的故障特征， 論證對(duì)其實(shí)施CBM的可行性， 并提出對(duì)魚(yú)雷推進(jìn)系統(tǒng)實(shí)施CBM分析流程， 制定了預(yù)防性維修決策， 為將CBM思想引入到魚(yú)雷技術(shù)保障工作中提供參考。

魚(yú)雷技術(shù)保障； 推進(jìn)系統(tǒng)； 基于狀態(tài)的維修（CBM）

0　引言

隨著魚(yú)雷技術(shù)不斷發(fā)展， 魚(yú)雷的維修保障方法也在不斷改進(jìn)和革新。為了保持或恢復(fù)魚(yú)雷規(guī)定的技術(shù)狀態(tài)， 新型魚(yú)雷的可靠性、維修性、保障性設(shè)計(jì)水平不斷提高， 戰(zhàn)備完好率明顯提升。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展， 魚(yú)雷維修方法逐步由早期的以定期維修為主發(fā)展為定期維修、事后維修、視情維修等多種維修方式。但其主要維護(hù)建議或維修大綱， 仍以定期維修的方式規(guī)劃其維修工作，使魚(yú)雷的直接維修費(fèi)用在壽命周期費(fèi)用中仍然占有較高的比例。

基于狀態(tài)的維修（condition based maintenance，CBM）， 是在以可靠性為中心的維修理論基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種裝備維修思想， 通過(guò)在設(shè)備內(nèi)部植入傳感器或外部檢測(cè)設(shè)備中獲得系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)信息， 對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)或周期性評(píng)價(jià)， 最終制定裝備的維修需求。它能夠克服事后維修和定期維修帶來(lái)的弊端， 延長(zhǎng)裝備運(yùn)行周期， 降低維修費(fèi)用和故障發(fā)生概率。CBM通過(guò)對(duì)裝備迫近故障的有效預(yù)測(cè)， 能夠避免故障帶來(lái)的嚴(yán)重后果， 提高裝備的可用度和安全性， 降低使用和維修費(fèi)用。

根據(jù)魚(yú)雷技術(shù)保障規(guī)定， 服役階段， 魚(yú)雷到達(dá)規(guī)定的年限或使用次數(shù)后， 返廠進(jìn)行定期維修，或在執(zhí)行特殊任務(wù)后返廠維修， 偶然故障進(jìn)行臨時(shí)維修。此前， 由于缺乏對(duì)魚(yú)雷潛在故障模式的研究， 使部隊(duì)技術(shù)保障設(shè)備中缺乏必要的測(cè)試手段， 相關(guān)人員對(duì)CBM概念缺乏了解。為了更好地推動(dòng)CBM在魚(yú)雷等武器裝備技術(shù)保障中的應(yīng)用，文中以魚(yú)雷推進(jìn)系統(tǒng)為例， 給出了在魚(yú)雷技術(shù)保障工作中開(kāi)展CBM的分析方法及流程， 為將CBM引入到魚(yú)雷技術(shù)保障工作中提供參考。

1　CBM與潛在故障

1.1CBM

CBM分析是指通過(guò)采用先進(jìn)的測(cè)試技術(shù)、故障診斷技術(shù)以及修理技術(shù)等， 以保持裝備固有可靠性為前提， 制定合理的維修策略， 減少維修工作量， 提高裝備戰(zhàn)備完好性。CBM的宗旨是“只有在裝備確實(shí)有需要維修的明顯征兆時(shí)才進(jìn)行維修”， 同時(shí)要保證裝備的可靠性和安全性， 以最大限度地減少事后維修或預(yù)防性維修工作量。采用CBM的最大好處在于減少裝備故障檢測(cè)的虛警率和不必要的維修， 降低使用和保障費(fèi)用， 減少“過(guò)修”或“失修”現(xiàn)象。CBM注重監(jiān)測(cè)單個(gè)部件的狀態(tài)， 并根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果， 進(jìn)行主動(dòng)維修。

1.2潛在故障

現(xiàn)代維修理論的一個(gè)突出貢獻(xiàn)在于提出了“潛在故障”概念。潛在故障概念認(rèn)為， 裝備退化有一個(gè)逐漸劣化的過(guò)程， 故障發(fā)生服從如圖1所示的P-F曲線［1］。

圖1　裝備使用狀態(tài)與時(shí)間的關(guān)系Fig. 1　Relationship between working condition and service time of equipment

該曲線顯示了故障開(kāi)始并退化到可被探測(cè)點(diǎn)P， 在沒(méi)有采取維修措施的情況下， 通常會(huì)以更快的速度退化到功能故障點(diǎn)F。裝備處于P， F兩點(diǎn)之間的狀態(tài)， 即為潛在故障狀態(tài)。由圖1可以看出， P， F兩點(diǎn)之間是從發(fā)現(xiàn)潛在故障到演變?yōu)楣δ芄收现g的時(shí)間間隔。當(dāng)裝備出現(xiàn)故障征兆時(shí)， 能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理， 將避免發(fā)生功能故障。因此， P-F間隔越大， 裝備發(fā)生功能故障的概率越小。

CBM的目的就是在P-F時(shí)間段內(nèi)， 監(jiān)測(cè)裝備狀態(tài)參數(shù)， 獲取裝備狀態(tài)信息， 預(yù)測(cè)裝備剩余壽命或功能故障發(fā)生的概率， 及時(shí)發(fā)現(xiàn)和糾正任何可能導(dǎo)致裝備故障的操作或運(yùn)行狀況， 制定合理的維修策略。

2　魚(yú)雷推進(jìn)系統(tǒng)故障特征與原因分析

2.1故障特征

推進(jìn)系統(tǒng)包括電機(jī)、尾軸、螺旋槳等裝置， 通過(guò)螺旋槳將電動(dòng)機(jī)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為魚(yú)雷航行所需的推力， 使魚(yú)雷按照預(yù)定的速度和航程航行。與作戰(zhàn)平臺(tái)推進(jìn)系統(tǒng)相比， 魚(yú)雷推進(jìn)系統(tǒng)雖服役時(shí)間較長(zhǎng)， 但長(zhǎng)期處于貯存狀態(tài)， 即使是訓(xùn)練用雷， 其壽命周期內(nèi)的航行時(shí)間也很短， 推進(jìn)系統(tǒng)不具備連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)特征， 難以實(shí)施連續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)， 在日常保障過(guò)程中， 檢查結(jié)果一般分為“正?！被颉安徽！?種狀態(tài)， 難以判斷其是否處于潛在故障狀態(tài)。

2.2故障原因

實(shí)踐表明， 電動(dòng)力魚(yú)雷故障多發(fā)生在后段和電機(jī)段， 而推進(jìn)系統(tǒng)是故障多發(fā)部位。這是因?yàn)椋?/p>

1） 實(shí)航中， 海水可從螺旋槳處、線導(dǎo)段和后段連接處的穿線管處進(jìn)入推進(jìn)系統(tǒng)內(nèi)。訓(xùn)練結(jié)束回收后， 魚(yú)雷經(jīng)過(guò)維修， 重新進(jìn)入貯存狀態(tài)， 尾軸在維護(hù)保養(yǎng)不當(dāng)?shù)那闆r下容易出現(xiàn)銹蝕。同時(shí)，將魚(yú)雷從包裝箱中取出后， 貯存環(huán)境難以達(dá)到規(guī)定要求， 會(huì)加劇尾軸銹蝕；

2） 魚(yú)雷技術(shù)保障規(guī)程中， 缺乏定期開(kāi)展尾軸組件動(dòng)態(tài)特性測(cè)試或人工檢查的相關(guān)規(guī)定， 一般是在確定使用該雷前進(jìn)行技術(shù)準(zhǔn)備過(guò)程中， 通過(guò)試轉(zhuǎn)電機(jī)檢查尾軸工作是否正常， 缺乏尾軸專項(xiàng)檢查；

3） 試轉(zhuǎn)電機(jī)時(shí)， 現(xiàn)有檢測(cè)手段主要依靠人員經(jīng)驗(yàn)（包括看、聽(tīng)、摸等）來(lái)判斷， 難以精確判斷潛在故障。

基于以上分析， 選擇魚(yú)雷推進(jìn)系統(tǒng)尾軸作為重要功能項(xiàng)目， 探討將CBM應(yīng)用于魚(yú)雷技術(shù)保障中的可行性及分析方法。

3　實(shí)施CBM可行性分析

CBM并不適用于魚(yú)雷所有部件， 對(duì)魚(yú)雷推進(jìn)系統(tǒng)實(shí)施CBM， 必須“技術(shù)可行”， 且“價(jià)值可行”。

3.1技術(shù)可行性分析

魚(yú)雷推進(jìn)系統(tǒng)潛在故障， 主要表現(xiàn)為機(jī)械振動(dòng)異常， 可利用現(xiàn)有的振動(dòng)測(cè)試技術(shù)實(shí)施狀態(tài)監(jiān)測(cè)。由于推進(jìn)系統(tǒng)工作為短時(shí)工作制， 對(duì)其實(shí)施狀態(tài)監(jiān)測(cè)應(yīng)以貯存期間的振動(dòng)參數(shù)定期測(cè)試為宜。魚(yú)雷推進(jìn)系統(tǒng)并非所有裝置都適于采用CBM，對(duì)于螺旋槳而言， 仍應(yīng)該堅(jiān)持現(xiàn)有的計(jì)劃維修方案及故障后修理方案， 用戶日常檢測(cè)難以進(jìn)行高精度測(cè)量及修復(fù)， 基于此， 從技術(shù)可行性分析的角度可知， 選擇魚(yú)雷尾軸進(jìn)行狀態(tài)維修是技術(shù)可行的。

3.2價(jià)值可行性分析

魚(yú)雷推進(jìn)系統(tǒng)屬于貴重組件， 不宜采用整體換件修理， 技術(shù)保障部門(mén)應(yīng)具備原件修復(fù)能力。部隊(duì)在技術(shù)保障過(guò)程中， 采取計(jì)劃維修模式， 可以降低故障率， 但也可能導(dǎo)致“失修”或“過(guò)修”；同時(shí)， 受維修設(shè)備、備品備件、人員水平、資料等因素限制， 尾軸出現(xiàn)斷裂故障后必須組織返廠維修。這種故障后維修的管理模式， 帶來(lái)維修成本高、周期長(zhǎng)、裝備完好率低的問(wèn)題。實(shí)施基于狀態(tài)的維修， 可預(yù)先發(fā)現(xiàn)推進(jìn)系統(tǒng)潛在故障模式，采取預(yù)防措施， 預(yù)防功能故障的出現(xiàn)。

4　維修分析方法

4.1故障模式影響

采用故障模式影響分析（failure mode effects analysis， FMEA）［2］， 判斷魚(yú)雷推進(jìn)系統(tǒng)尾軸斷裂故障的影響程度， 確定嚴(yán)酷度類(lèi)別， 提出故障檢測(cè)方法及日常補(bǔ)償措施， 如表1所示。分析結(jié)果表明，尾軸斷裂潛在故障模式持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、影響后果嚴(yán)重， 嚴(yán)酷度類(lèi)別定為Ⅰ類(lèi)， 因此， 應(yīng)對(duì)尾軸組件實(shí)施定期檢測(cè)， 加強(qiáng)維護(hù)手段。

4.2CBM流程分析

4.2.1流程分析基本內(nèi)容

維修流程分析包括制定狀態(tài)監(jiān)測(cè)方案、利用推理算法預(yù)測(cè)推進(jìn)系統(tǒng)健康狀態(tài)和維修決策分析3方面內(nèi)容［3-4］。

表1　魚(yú)雷推進(jìn)系統(tǒng)尾軸FMEA分析表Table 1　Failure modes and effects analysis（FMEA） for tail shaft of torpedo propulsion system

4.2.2狀態(tài)監(jiān)測(cè)方案

1） 狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)： 采用振動(dòng)分析法， 檢測(cè)推進(jìn)系統(tǒng)出現(xiàn)振動(dòng)異常， 如圖2所示。此時(shí)， 雖然推進(jìn)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)基本功能， 但振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)值不符， 表明已進(jìn)入潛在故障狀態(tài)。

2） 測(cè)量參數(shù)選擇： 選取振動(dòng)速度作為狀態(tài)測(cè)量參數(shù)， 對(duì)魚(yú)雷推進(jìn)系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)前端軸承A點(diǎn)、電動(dòng)機(jī)輸出端軸承B點(diǎn)、尾軸前端軸承C點(diǎn)、尾軸末端軸承D點(diǎn)振動(dòng)速度進(jìn)行測(cè)量。

3） 監(jiān)測(cè)點(diǎn)選擇： 根據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)選擇原則， 在輸入端軸承C點(diǎn)上選擇3個(gè)方向的測(cè)量值， 分別為橫向、縱向和軸向的振動(dòng)速度。1表示垂直方向，

圖2　魚(yú)雷推進(jìn)系統(tǒng)示意圖Fig. 2　Schematic of torpedo propulsion system

2表示水平方向， 3表示軸向。

4） 測(cè)量周期確定： 根據(jù)定期檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)， 每周對(duì)該魚(yú)雷推進(jìn)系統(tǒng)檢測(cè)一次。

5） 試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲?。?抽取魚(yú)雷推進(jìn)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)C點(diǎn)共14組數(shù)據(jù)， 以水平振動(dòng)為例， 見(jiàn)表2。

表2　水平振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)值及預(yù)測(cè)結(jié)果Table 2　Motoring and predicting values of vibration in horizontal direction

4.2.3剩余壽命預(yù)測(cè)

由于數(shù)據(jù)量測(cè)量樣本少， 該方案應(yīng)用灰色預(yù)測(cè)模型GM（1，1）進(jìn)行尾軸組件的剩余壽命預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)值見(jiàn)表2， 其中第15～18組數(shù)據(jù)為預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)。

根據(jù)振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)及經(jīng)驗(yàn)可知， 魚(yú)雷推進(jìn)軸承水平方向振動(dòng)報(bào)警期望值取為5.0 mm/s， 由GM（1，1）模型可以預(yù)測(cè)到達(dá)功能故障的時(shí)間為水平振動(dòng)方向在第15個(gè)采樣點(diǎn)超過(guò)振動(dòng)閾值， 見(jiàn)圖3。按照相同的測(cè)量及預(yù)測(cè)方法， 可知軸向、垂直2個(gè)方向的振動(dòng)速度預(yù)測(cè)結(jié)果為垂直方向振動(dòng)在第16個(gè)采樣點(diǎn)超過(guò)振動(dòng)閾值， 軸向方向振動(dòng)在第12個(gè)采樣點(diǎn)超過(guò)振動(dòng)閾值， 取其最小值， 作為尾軸組件的剩余壽命， 因此應(yīng)該在第12個(gè)采樣點(diǎn)前對(duì)軸承進(jìn)行維修。

圖3　水平方向振動(dòng)預(yù)測(cè)曲線Fig. 3　Predicting curves of vibration in horizontal direction

當(dāng)然， 隨著監(jiān)測(cè)時(shí)間的繼續(xù)， 可以采用最近的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)GM（1，1）模型進(jìn)行及時(shí)修正， 使預(yù)測(cè)剩余壽命更趨精確。

4.2.4維修決策分析

CBM分析的目的在于為制定預(yù)防性維修決策提供依據(jù)。為此， 需應(yīng)用邏輯決斷圖， 采取邏輯決斷方法進(jìn)行維修決策分析， 確定預(yù)防性維修工作類(lèi)型及維修間隔， 提出維修級(jí)別建議。邏輯決斷分析結(jié)果如表3所示。

根據(jù)邏輯決斷分析表可以看出， 魚(yú)雷推進(jìn)系統(tǒng)尾軸斷裂的故障影響為1類(lèi)影響， 即嚴(yán)重影響。其中， 任務(wù)性影響和經(jīng)濟(jì)性影響嚴(yán)重， 沒(méi)有安全性影響。

基于以上分析， 制定CBM決策， 確保在尾軸組件發(fā)生故障之前， 確定合理的維修間隔， 采取對(duì)策措施， 形成預(yù)防性維修計(jì)劃。制定魚(yú)雷尾軸組件的預(yù)防性維修計(jì)劃見(jiàn)表4。

5　結(jié)束語(yǔ)

文中以魚(yú)雷推進(jìn)系統(tǒng)為例， 論證了對(duì)魚(yú)雷實(shí)施CBM的可行性， 按照CBM分析流程， 對(duì)魚(yú)雷推進(jìn)系統(tǒng)實(shí)施了CBM分析， 制定了預(yù)防性維修決策， 為開(kāi)展CBM在魚(yú)雷技術(shù)保障中的應(yīng)用研究提供了具體的方法， 研究結(jié)果對(duì)于提高魚(yú)雷在貯存或執(zhí)行任務(wù)期間的戰(zhàn)備完好率具有重要現(xiàn)實(shí)意義。需要強(qiáng)調(diào)的是， CBM并不適用于所有的魚(yú)雷故障模式， 應(yīng)根據(jù)不同的故障規(guī)律分別選擇定時(shí)維修、修復(fù)性維修或CBM， 只有對(duì)那些確實(shí)存在潛在故障模式， 且實(shí)施CBM既“技術(shù)可行”又“價(jià)值可行”時(shí)， 才能夠根據(jù)CBM分析結(jié)果制定預(yù)防性維修計(jì)劃。

表3　魚(yú)雷推進(jìn)系統(tǒng)尾軸邏輯決斷分析表Table 3　Logical decision analysis results of tail shaft of torpedo propulsion system

表4　魚(yú)雷推進(jìn)系統(tǒng)尾軸基于狀態(tài)的預(yù)防性維修計(jì)劃Table 4　Preventive maintenance plan based on condition of tail shaft of torpedo propulsion system

［1］張海林， 周林， 鄧鐵柱. 武器裝備狀態(tài)維修決策問(wèn)題研究［J］. 現(xiàn)代防御技術(shù)， 2010， 38（2）： 9-12.

Zhang Hai-lin， Zhou Lin， Deng Tie-zhu. CBM Decisions of Military Equipment［J］. Moden Defence Technology， 2010， 38（2）： 9-12.

［2］徐宗昌. 保障性工程［M］. 北京： 兵器工業(yè)出版社， 2002.

［3］李小波， 王宏偉， 李良鋒， 等. 基于PHM的發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)部件狀態(tài)維修決策研究［J］. 科學(xué)技術(shù)與工程， 2011，11（36）： 9113-9115.

［4］趙春宇， 馬倫， 呂艷軍， 等. 基于狀態(tài)維修過(guò)程中的故障預(yù)測(cè)問(wèn)題分析［J］. 計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程， 2012， 40（1）： 129-131.

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（責(zé)任編輯： 許妍）

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.

馬亮（1973-）， 女， 教授， 研究方向是魚(yú)雷武器發(fā)射技術(shù).