畢延超，陶鳳和，賈長治，陳 帥，陳洪超

（1.中國人民解放軍32138 部隊(duì)，河北保定 072154；2.陸軍工程大學(xué)（石家莊校區(qū)），河北石家莊 050003；3.中國人民解放軍32562 部隊(duì)，貴州黔南 522730；4.陸軍裝備部駐廣元地區(qū)軍代室，四川廣元 628000）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，武器裝備的殺傷范圍、毀傷效能和精確打擊能力日益增強(qiáng)。因此，在提升防護(hù)能力的同時(shí)，提高武器裝備的快速搶修能力，對(duì)提高戰(zhàn)斗力起到“倍增器”的作用，對(duì)擁有戰(zhàn)場主動(dòng)權(quán)具有重要意義[1]。

換件修理是武器裝備戰(zhàn)場搶修中的重要方式方法，其對(duì)備件保障的時(shí)效性有著較高要求。然而攜帶備件的總量與部隊(duì)機(jī)動(dòng)性之間是一對(duì)矛盾體，攜帶備件的種類數(shù)量過多（特別是一些質(zhì)量較重的金屬備件）必然導(dǎo)致機(jī)動(dòng)性能的降低，同時(shí)攜帶備件的種類或數(shù)量偏少則可能會(huì)出現(xiàn)備件匱乏、保障不及時(shí)的情況。

因此，分析戰(zhàn)場搶修中的備件保障模式，探索最佳的備件保障方式方法有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 攜帶備件的保障模式

通過攜帶備件的方式進(jìn)行戰(zhàn)場搶修備件保障是一種傳統(tǒng)保障模式，目前應(yīng)用較為廣泛，相關(guān)的理論研究比較深入，內(nèi)容主要包括備件需求預(yù)測和備件配置優(yōu)化兩個(gè)方面。

為了精準(zhǔn)預(yù)測備件需求數(shù)量，王學(xué)偉等[2]根據(jù)備件的壽命分布特點(diǎn)，在分析歷史故障信息的基礎(chǔ)上，建立了基于歷史數(shù)據(jù)求解裝備備件需求數(shù)量的方法，并結(jié)合具體案例進(jìn)行了檢驗(yàn)，在一定程度上提高了備件需求數(shù)量預(yù)測的針對(duì)性；潘顯俊等[3]基于分?jǐn)?shù)階模型理論采用遺傳算法和矩陣擾動(dòng)理論等方法建立了應(yīng)用分?jǐn)?shù)階模型，并通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證，在一定程度上克服新概念裝備備件歷史需求數(shù)量少的問題；胡起偉[4]在分析備件故障模式以及不同維度預(yù)防性維修方案基礎(chǔ)上，研究了復(fù)雜條件下備件需求數(shù)量問題并建立了備件需求數(shù)量的解算模型；古平等[5]采用工程分析的方法建立了一種備件需求數(shù)量預(yù)測模型，在一定程度上提高了小樣本下裝備備件需求數(shù)量的預(yù)測精度；李院生[6]在考慮實(shí)際因素的基礎(chǔ)上，采用可靠性分析方法，提出基于更新過程的后續(xù)裝備備件需求數(shù)量模型，探索了解決裝備備件需求數(shù)量的動(dòng)態(tài)預(yù)測問題。

為了科學(xué)配置備件、提高備件有效利用率，劉臣宇等[7]人以裝備備件缺口數(shù)量最小為目標(biāo)函數(shù)，以裝備備件總價(jià)值小于等于總體保障經(jīng)費(fèi)為約束條件，建立了裝備備件二級(jí)庫存最佳的配置模型，并結(jié)合實(shí)例進(jìn)行了驗(yàn)證；劉任洋等[8]人依據(jù)生滅過程等理論，以裝備備件采購費(fèi)用最低為目標(biāo)函數(shù)，建立了基于橫向轉(zhuǎn)運(yùn)的備件三級(jí)庫存模型，并結(jié)合案例驗(yàn)證了模型的優(yōu)越性；羅祎等[9]人以METRIC 理論為依據(jù)，結(jié)合“重測完好率”和“占空比”等重要參數(shù)，完成了多級(jí)供應(yīng)體系下備件初始庫存模型，并通過仿真的方法對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證；王乃超等[10]人以保障概率作為目標(biāo)函數(shù)建立了備件多級(jí)庫存模型，通過模型預(yù)測了多級(jí)庫存裝備備件量，并通過商業(yè)軟件對(duì)結(jié)果進(jìn)行了分析，驗(yàn)證了模型的有效性。

攜帶備件進(jìn)行戰(zhàn)場搶修備件保障的優(yōu)點(diǎn)是備件的標(biāo)準(zhǔn)化程度高、質(zhì)量好，因?yàn)閭浼鰪S前均經(jīng)過復(fù)雜的工藝和工序，出廠時(shí)有著嚴(yán)格的質(zhì)量檢驗(yàn)。

攜帶備件進(jìn)行戰(zhàn)場搶修備件保障的缺點(diǎn)主要包括兩個(gè)方面：①有效利用率比較低，盡管關(guān)于備件消耗預(yù)測和配置優(yōu)化等問題進(jìn)行了大量研究并取得了一系列成果，但備件保障需求的不確定性依然存在，特別是現(xiàn)代戰(zhàn)爭中新概念武器的使用，使得裝備損傷和備件保障需求的不可預(yù)知性更為突出，所攜帶的不同種類、型號(hào)的備件易出現(xiàn)冗余或短缺的現(xiàn)象，精確測算備件攜帶種類數(shù)量、靈活機(jī)動(dòng)的實(shí)施備件調(diào)配，仍然是一個(gè)難題，有待進(jìn)一步探索研究；②占用一定的運(yùn)力，戰(zhàn)場中有大量的物資器材、彈藥以及傷員等需要周轉(zhuǎn)運(yùn)送，而裝備備件大多為金屬材料質(zhì)量較重，攜帶較多冗余的裝備備件在一定程度上會(huì)造成運(yùn)力資源的浪費(fèi)。

2 應(yīng)急制造的保障模式

應(yīng)急制造的保障模式是一種相對(duì)較新的裝備備件保障模式，其實(shí)踐應(yīng)用仍有待進(jìn)一步的研究和完善。應(yīng)急制造的保障模式包括使用原材料通過減材或者增材制造的方法進(jìn)行裝備備件的制造。

2.1 減材方式制造備件

減材制造是一種較為成熟的加工方式，其應(yīng)用在裝備備件應(yīng)急制造方面的優(yōu)點(diǎn)是加工精度高、表面質(zhì)量好；缺點(diǎn)是需要的設(shè)備種類多（車、銑、刨、磨等設(shè)備）、加工工序繁雜、材料的有效利用率低，同時(shí)因?yàn)闇p材制造需要原始材料的整體尺寸大于被制造的裝備備件件外形尺寸，因此需要同種材料有不同的結(jié)構(gòu)類型，且易出現(xiàn)材料類型不符的短缺問題。

2.2 增材方式制造備件

增材制造是一種新型零部件成型方式，其在裝備備件應(yīng)急制造方面的優(yōu)點(diǎn)是需要的設(shè)備種類少、復(fù)雜結(jié)構(gòu)成型能力強(qiáng)、加工工藝參數(shù)設(shè)置簡單以及材料的有效利用率高（屬于近凈成型），缺點(diǎn)是相對(duì)減材制造成型件尺寸精度略低、表面質(zhì)量偏差[11-15]。

增材制造技術(shù)按照成型材料分為金屬材料、復(fù)合材料、高分子材料以及無機(jī)非金屬材料等技術(shù)[16]；按照成型原理分為光固化、三維粉末粘接、激光熔覆、選區(qū)激光熔化、電子束增材制造、層疊實(shí)體制造、熔絲制造、激光選擇性燒結(jié)、激光立體成型和電弧增材制造等技術(shù)[17-18]。

金屬增材制造主要包括激光立體成型、電弧增材、選擇性激光燒結(jié)、選區(qū)激光熔化、電子束增材制造和層疊法等技術(shù)，其中激光立體成型、電弧增材制造、選區(qū)激光熔化和電子束增材制造技術(shù)相對(duì)成熟，近年來發(fā)展迅猛，應(yīng)用范圍較廣，較為適合制造裝備備件。下面對(duì)以上4 種金屬增材制造裝備備件的方法進(jìn)行介紹：

（1）激光立體成型技術(shù)以激光束為能源，按照規(guī)劃的路徑將噴嘴噴出的金屬材料熔凝成型，其中激光束與噴出的金屬粉末同步運(yùn)動(dòng)（亦稱同軸送粉）。其優(yōu)點(diǎn)是成型效率高、作業(yè)環(huán)境要求低（通過噴嘴周圍噴出的惰性氣體保護(hù)成型區(qū)域）、成型尺寸大，缺點(diǎn)是成型件的尺寸精度較低[19-20]。

（2）電弧增材制造通過高能量源（電?。⒔饘俳z按照規(guī)劃路徑熔融堆焊成型實(shí)體，電弧增材的優(yōu)點(diǎn)是材料利用率和成型效率較高而制造成本低，缺點(diǎn)是成型精度偏低。

（3）選區(qū)激光熔化是在選擇性激光燒結(jié)技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的制造技術(shù)，通過鋪粉裝置將金屬粉末均勻的鋪在成型缸頂部的基板上，激光器產(chǎn)生的高能量激光束通過振鏡偏轉(zhuǎn)后按照規(guī)劃的路徑在金屬粉末鋪層上移動(dòng)，被激光束作用的金屬粉末經(jīng)熔凝成型實(shí)體。選區(qū)激光熔化技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是加工精度高、復(fù)雜結(jié)構(gòu)成型能力強(qiáng)、力學(xué)性能好，其成型件力學(xué)性能可超過鑄件并接近鍛件水平，缺點(diǎn)是成型件尺寸相對(duì)偏小。

（4）電子束增材制造技術(shù)以電子束為能源與金屬粉材或絲材作用，金屬材料吸收能量后快速熔凝而成型實(shí)體，電子束增材技術(shù)包括兩種，一種是電子束選區(qū)熔化技術(shù)，另一種是電子束熔絲沉積技術(shù)。電子束選區(qū)熔化與選區(qū)激光熔化原理相似，最大的不同是粉末熔化的能量來源不同。電子束熔絲沉積技術(shù)的成型材料為金屬絲材，高能電子束按規(guī)劃的路徑作用在鋪設(shè)的金屬絲上使其熔凝成型實(shí)體。電子束增材技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是掃描速度快和能量利用率高，缺點(diǎn)是作業(yè)環(huán)境要求高（需為真空）、成型件內(nèi)殘余應(yīng)力較大[21-22]。

綜合比較上述4 種金屬增材制造裝備備件的方法，選區(qū)激光熔化制造技術(shù)具備精度高、復(fù)雜結(jié)構(gòu)成型能力強(qiáng)和成型件力學(xué)性能優(yōu)的特點(diǎn)，其成型件經(jīng)簡單后處理即可裝配使用，特別是近年來技術(shù)不斷的創(chuàng)新發(fā)展，目前選區(qū)激光熔化成型設(shè)備的最大成型尺寸不斷提高，該技術(shù)在制造裝備備件方面表現(xiàn)出較大潛力。

國內(nèi)外針對(duì)增材制造技術(shù)在裝備備件應(yīng)急制造方面的應(yīng)用進(jìn)行了一系列探索和研究。美國陸軍曾在阿富汗戰(zhàn)爭中依托“移動(dòng)遠(yuǎn)征實(shí)驗(yàn)室”投入多臺(tái)3D 打印機(jī)，通過技術(shù)人員完成裝備備件的應(yīng)急制造[23-24]；以色列空軍在2016 年采用增材制造的方式完成F-15 戰(zhàn)機(jī)損傷零部件的應(yīng)急制造，有效恢復(fù)了戰(zhàn)機(jī)戰(zhàn)斗力[25]；美國普惠公司通過選區(qū)激光熔化技術(shù)成功制備了新型運(yùn)載火箭的重要部件，且在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)中得到檢驗(yàn)；英國采用激光沉積技術(shù)（LDMD）制作的無人機(jī)框架已經(jīng)得到了實(shí)際應(yīng)用；我軍曾在“補(bǔ)給行動(dòng)（2015）”中首次探索了增材制造技術(shù)在裝備維修中的應(yīng)用，近年來西安交通大學(xué)等科研機(jī)構(gòu)也在積極探索研制可用于戰(zhàn)場條件下的3D 打印應(yīng)急制造系統(tǒng)[26]。

2.3 攜帶與應(yīng)急制造相結(jié)合的保障模式

基于攜帶備件和應(yīng)急制造進(jìn)行備件保障的特點(diǎn)分析，提出攜帶備件與應(yīng)急制造相結(jié)合的裝備備件保障模式（圖1），即攜帶種類齊全、單項(xiàng)數(shù)量較少的裝備備件，根據(jù)備件實(shí)際消耗情況，采取應(yīng)急制造的方式進(jìn)行備件補(bǔ)充。

圖1 攜帶備件與應(yīng)急制造結(jié)合的保障模式

攜帶備件與應(yīng)急制造相結(jié)合的保障模式，可在減小備件攜帶總量和提高機(jī)動(dòng)性能的同時(shí)，充分發(fā)揮應(yīng)急制造保障模式的優(yōu)勢，有效保證裝備備件應(yīng)急保障的時(shí)效性。

實(shí)行攜帶備件與應(yīng)急制造相結(jié)合的保障模式，其前提是增材制造成型件滿足備件結(jié)構(gòu)特征、力學(xué)性能和制造時(shí)間等指標(biāo)要求，其中力學(xué)性能又涉及硬度、抗拉強(qiáng)度、沖擊韌性和磨損率等諸多指標(biāo)。因此必須積極研究和探索以下兩個(gè)方面的問題：①確定增材制造設(shè)備工藝參數(shù)與成型備件力學(xué)性能之間定量的關(guān)系；②建立評(píng)價(jià)裝備備件是否適合增材制造的評(píng)價(jià)模型。

3 結(jié)束語

戰(zhàn)場搶修中的備件保障是一個(gè)系統(tǒng)問題，涉及制造、存儲(chǔ)、運(yùn)輸?shù)榷喾矫嬉蛩?，綜合分析裝備備件種類特點(diǎn)、新形勢下戰(zhàn)場搶修的新變化、新趨勢以及裝備備件應(yīng)急制造技術(shù)現(xiàn)實(shí)狀況，探索最佳的裝備備件保障方式方法是一項(xiàng)緊迫而長期的工程。在分析攜帶備件和應(yīng)急制造備件兩種保障模式特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出攜帶備件與應(yīng)急制造相結(jié)合的備件保障模式，旨在為探索戰(zhàn)場搶修備件保障的方法以及思路提供借鑒。