基于狀態的維修在魚雷技術保障中的應用

馬　亮，翟堅帥，葉心領

（1. 海軍潛艇學院 導彈兵器系， 山東 青島， 266044； 2. 中國人民解放軍92196部隊， 山東 青島， 266042）

基于狀態的維修在魚雷技術保障中的應用

馬亮1，翟堅帥2，葉心領2

（1. 海軍潛艇學院 導彈兵器系， 山東 青島， 266044； 2. 中國人民解放軍92196部隊， 山東 青島， 266042）

為了更好地推動基于狀態的維修（CBM）在魚雷等武器裝備技術保障中的應用， 文中闡述了CBM基本思想， 并以魚雷推進系統為例， 針對魚雷技術保障過程中存在的問題， 分析魚雷推進系統的故障特征， 論證對其實施CBM的可行性， 并提出對魚雷推進系統實施CBM分析流程， 制定了預防性維修決策， 為將CBM思想引入到魚雷技術保障工作中提供參考。

魚雷技術保障； 推進系統； 基于狀態的維修（CBM）

0　引言

隨著魚雷技術不斷發展， 魚雷的維修保障方法也在不斷改進和革新。為了保持或恢復魚雷規定的技術狀態， 新型魚雷的可靠性、維修性、保障性設計水平不斷提高， 戰備完好率明顯提升。經過幾十年的發展， 魚雷維修方法逐步由早期的以定期維修為主發展為定期維修、事后維修、視情維修等多種維修方式。但其主要維護建議或維修大綱， 仍以定期維修的方式規劃其維修工作，使魚雷的直接維修費用在壽命周期費用中仍然占有較高的比例。

基于狀態的維修（condition based maintenance，CBM）， 是在以可靠性為中心的維修理論基礎上發展起來的一種裝備維修思想， 通過在設備內部植入傳感器或外部檢測設備中獲得系統運行時的狀態信息， 對其進行實時或周期性評價， 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的弊端， 延長裝備運行周期， 降低維修費用和故障發生概率。CBM通過對裝備迫近故障的有效預測， 能夠避免故障帶來的嚴重后果， 提高裝備的可用度和安全性， 降低使用和維修費用。

根據魚雷技術保障規定， 服役階段， 魚雷到達規定的年限或使用次數后， 返廠進行定期維修，或在執行特殊任務后返廠維修， 偶然故障進行臨時維修。此前， 由于缺乏對魚雷潛在故障模式的研究， 使部隊技術保障設備中缺乏必要的測試手段， 相關人員對CBM概念缺乏了解。為了更好地推動CBM在魚雷等武器裝備技術保障中的應用，文中以魚雷推進系統為例， 給出了在魚雷技術保障工作中開展CBM的分析方法及流程， 為將CBM引入到魚雷技術保障工作中提供參考。

1　CBM與潛在故障

1.1CBM

CBM分析是指通過采用先進的測試技術、故障診斷技術以及修理技術等， 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， 提高裝備戰備完好性。CBM的宗旨是“只有在裝備確實有需要維修的明顯征兆時才進行維修”， 同時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的虛警率和不必要的維修， 降低使用和保障費用， 減少“過修”或“失修”現象。CBM注重監測單個部件的狀態， 并根據監測結果， 進行主動維修。

1.2潛在故障

現代維修理論的一個突出貢獻在于提出了“潛在故障”概念。潛在故障概念認為， 裝備退化有一個逐漸劣化的過程， 故障發生服從如圖1所示的P-F曲線［1］。

圖1　裝備使用狀態與時間的關系Fig. 1　Relationship between working condition and service time of equipment

該曲線顯示了故障開始并退化到可被探測點P， 在沒有采取維修措施的情況下， 通常會以更快的速度退化到功能故障點F。裝備處于P， F兩點之間的狀態， 即為潛在故障狀態。由圖1可以看出， P， F兩點之間是從發現潛在故障到演變為功能故障之間的時間間隔。當裝備出現故障征兆時， 能夠及時發現并處理， 將避免發生功能故障。因此， P-F間隔越大， 裝備發生功能故障的概率越小。

CBM的目的就是在P-F時間段內， 監測裝備狀態參數， 獲取裝備狀態信息， 預測裝備剩余壽命或功能故障發生的概率， 及時發現和糾正任何可能導致裝備故障的操作或運行狀況， 制定合理的維修策略。

2　魚雷推進系統故障特征與原因分析

2.1故障特征

推進系統包括電機、尾軸、螺旋槳等裝置， 通過螺旋槳將電動機的動能轉化為魚雷航行所需的推力， 使魚雷按照預定的速度和航程航行。與作戰平臺推進系統相比， 魚雷推進系統雖服役時間較長， 但長期處于貯存狀態， 即使是訓練用雷， 其壽命周期內的航行時間也很短， 推進系統不具備連續運轉特征， 難以實施連續動態監測， 在日常保障過程中， 檢查結果一般分為“正常”或“不正常”2種狀態， 難以判斷其是否處于潛在故障狀態。

2.2故障原因

實踐表明， 電動力魚雷故障多發生在后段和電機段， 而推進系統是故障多發部位。這是因為：

1） 實航中， 海水可從螺旋槳處、線導段和后段連接處的穿線管處進入推進系統內。訓練結束回收后， 魚雷經過維修， 重新進入貯存狀態， 尾軸在維護保養不當的情況下容易出現銹蝕。同時，將魚雷從包裝箱中取出后， 貯存環境難以達到規定要求， 會加劇尾軸銹蝕；

2） 魚雷技術保障規程中， 缺乏定期開展尾軸組件動態特性測試或人工檢查的相關規定， 一般是在確定使用該雷前進行技術準備過程中， 通過試轉電機檢查尾軸工作是否正常， 缺乏尾軸專項檢查；

3） 試轉電機時， 現有檢測手段主要依靠人員經驗（包括看、聽、摸等）來判斷， 難以精確判斷潛在故障。

基于以上分析， 選擇魚雷推進系統尾軸作為重要功能項目， 探討將CBM應用于魚雷技術保障中的可行性及分析方法。

3　實施CBM可行性分析

CBM并不適用于魚雷所有部件， 對魚雷推進系統實施CBM， 必須“技術可行”， 且“價值可行”。

3.1技術可行性分析

魚雷推進系統潛在故障， 主要表現為機械振動異常， 可利用現有的振動測試技術實施狀態監測。由于推進系統工作為短時工作制， 對其實施狀態監測應以貯存期間的振動參數定期測試為宜。魚雷推進系統并非所有裝置都適于采用CBM，對于螺旋槳而言， 仍應該堅持現有的計劃維修方案及故障后修理方案， 用戶日常檢測難以進行高精度測量及修復， 基于此， 從技術可行性分析的角度可知， 選擇魚雷尾軸進行狀態維修是技術可行的。

3.2價值可行性分析

魚雷推進系統屬于貴重組件， 不宜采用整體換件修理， 技術保障部門應具備原件修復能力。部隊在技術保障過程中， 采取計劃維修模式， 可以降低故障率， 但也可能導致“失修”或“過修”；同時， 受維修設備、備品備件、人員水平、資料等因素限制， 尾軸出現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， 帶來維修成本高、周期長、裝備完好率低的問題。實施基于狀態的維修， 可預先發現推進系統潛在故障模式，采取預防措施， 預防功能故障的出現。

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］， 判斷魚雷推進系統尾軸斷裂故障的影響程度， 確定嚴酷度類別， 提出故障檢測方法及日常補償措施， 如表1所示。分析結果表明，尾軸斷裂潛在故障模式持續時間長、影響后果嚴重， 嚴酷度類別定為Ⅰ類， 因此， 應對尾軸組件實施定期檢測， 加強維護手段。

4.2CBM流程分析

4.2.1流程分析基本內容

維修流程分析包括制定狀態監測方案、利用推理算法預測推進系統健康狀態和維修決策分析3方面內容［3-4］。

表1　魚雷推進系統尾軸FMEA分析表Table 1　Failure modes and effects analysis（FMEA） for tail shaft of torpedo propulsion system

4.2.2狀態監測方案

1） 狀態監測技術： 采用振動分析法， 檢測推進系統出現振動異常， 如圖2所示。此時， 雖然推進系統能夠實現基本功能， 但振動測試數據與標準值不符， 表明已進入潛在故障狀態。

2） 測量參數選擇： 選取振動速度作為狀態測量參數， 對魚雷推進系統的電動機前端軸承A點、電動機輸出端軸承B點、尾軸前端軸承C點、尾軸末端軸承D點振動速度進行測量。

3） 監測點選擇： 根據監測點選擇原則， 在輸入端軸承C點上選擇3個方向的測量值， 分別為橫向、縱向和軸向的振動速度。1表示垂直方向，

圖2　魚雷推進系統示意圖Fig. 2　Schematic of torpedo propulsion system

2表示水平方向， 3表示軸向。

4） 測量周期確定： 根據定期檢測的標準， 每周對該魚雷推進系統檢測一次。

5） 試驗數據獲取： 抽取魚雷推進系統監測點C點共14組數據， 以水平振動為例， 見表2。

表2　水平振動監測數據值及預測結果Table 2　Motoring and predicting values of vibration in horizontal direction

4.2.3剩余壽命預測

由于數據量測量樣本少， 該方案應用灰色預測模型GM（1，1）進行尾軸組件的剩余壽命預測，預測值見表2， 其中第15～18組數據為預測數據。

根據振動標準及經驗可知， 魚雷推進軸承水平方向振動報警期望值取為5.0 mm/s， 由GM（1，1）模型可以預測到達功能故障的時間為水平振動方向在第15個采樣點超過振動閾值， 見圖3。按照相同的測量及預測方法， 可知軸向、垂直2個方向的振動速度預測結果為垂直方向振動在第16個采樣點超過振動閾值， 軸向方向振動在第12個采樣點超過振動閾值， 取其最小值， 作為尾軸組件的剩余壽命， 因此應該在第12個采樣點前對軸承進行維修。

圖3　水平方向振動預測曲線Fig. 3　Predicting curves of vibration in horizontal direction

當然， 隨著監測時間的繼續， 可以采用最近的監測數據對GM（1，1）模型進行及時修正， 使預測剩余壽命更趨精確。

4.2.4維修決策分析

CBM分析的目的在于為制定預防性維修決策提供依據。為此， 需應用邏輯決斷圖， 采取邏輯決斷方法進行維修決策分析， 確定預防性維修工作類型及維修間隔， 提出維修級別建議。邏輯決斷分析結果如表3所示。

根據邏輯決斷分析表可以看出， 魚雷推進系統尾軸斷裂的故障影響為1類影響， 即嚴重影響。其中， 任務性影響和經濟性影響嚴重， 沒有安全性影響。

基于以上分析， 制定CBM決策， 確保在尾軸組件發生故障之前， 確定合理的維修間隔， 采取對策措施， 形成預防性維修計劃。制定魚雷尾軸組件的預防性維修計劃見表4。

5　結束語

文中以魚雷推進系統為例， 論證了對魚雷實施CBM的可行性， 按照CBM分析流程， 對魚雷推進系統實施了CBM分析， 制定了預防性維修決策， 為開展CBM在魚雷技術保障中的應用研究提供了具體的方法， 研究結果對于提高魚雷在貯存或執行任務期間的戰備完好率具有重要現實意義。需要強調的是， CBM并不適用于所有的魚雷故障模式， 應根據不同的故障規律分別選擇定時維修、修復性維修或CBM， 只有對那些確實存在潛在故障模式， 且實施CBM既“技術可行”又“價值可行”時， 才能夠根據CBM分析結果制定預防性維修計劃。

表3　魚雷推進系統尾軸邏輯決斷分析表Table 3　Logical decision analysis results of tail shaft of torpedo propulsion system

表4　魚雷推進系統尾軸基于狀態的預防性維修計劃Table 4　Preventive maintenance plan based on condition of tail shaft of torpedo propulsion system

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（責任編輯： 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， 研究方向是魚雷武器發射技術.