S4000P規范下裝備預防性維修分析方法的研究

(上海精密計量測試研究所，上海 201109)

0 引言

隨著裝備系統研制多樣化和復雜化，以及作戰任務實戰化，裝備保障已成為影響部隊戰斗力的重要因素，采用定時維修保證裝備完好性的保障模式不夠經濟和科學，不但加重了用戶的保障負擔，而且造成了資源的浪費[1-2]。為此，歐洲航空航天防務工業協會(Aerospace and Defense Industries Association of Europe，ASD)聯合美國航空航天工業協會(Aerospace Industries Association，AIA)和美國航空運輸協會(Air Transport Association，AIA)提出了裝備綜合后勤保障(Integrated logistic Support，ILS)思想，并制定了相應的規范體系，包括：S1000D《使用公共源數據庫技術出版物國際規范》(International Specification for Technical Publications Utilizing a Common Source Database)、S2000M《物料管理國際規范》(International Specification for Materiel)、S3000L《保障性分析國際程序規范》(International Procedure Specification for Logistics Support Analysis LSA)、S4000P《預防性維修制定和持續改進國際規范》(International Specification for Developing and Continuously Improving Preventive Maintenance)等國際標準[3-8]，該標準體系覆蓋了裝備綜合保障的各個方面，它們不斷融合互為數據來源，形成了完整的綜合保障工作框架，如圖1所示。其中S4000P旨在提供實際可行的分析方法，以建立裝備的預防性維修任務需求(Preventive Maintenance Task Requirements，PMTR)及任務間隔[9-10]。

圖1 S系列標準工作框架

目前，國內各軍工行業開展了基于S1000D的交互式電子技術手冊設計與開發，還未對S4000P進行實質性研究，依據S4000P分析出的預防性維修數據是保障性分析和技術手冊的主要輸入，在綜合保障過程中發揮了承上啟下的關鍵作用。通過研究S4000P的PMTR分析方法，對國內開展裝備綜合保障工作有一定的指導意義。

1 S4000P簡介

2014年，由ASD、AIA及ATA共同制訂的S4000P是基于面向民用航空器的MSG-3《運營商/制造商計劃維修》關于預防性維修制定和持續改進的國際規范，其考慮了軍民用維修程序協調一致性，目的是提供一種通用維修分析方法，幫助工業方建立裝備的PMTR及任務間隔，作為裝備交付初期階段預防性維修計劃的基礎。通過該規范制定的PMTR內容是結構化、標準化并且考慮全面的。此外，對裝備的區域、結構等方面如何進行優化，給予了具體的分析方法，確保了PMTR覆蓋的完整性。S4000P規范應用范圍非常廣泛，涉及航空、艦船、裝甲、導彈武器系統等。因此針對不同的應用對象，需要合理選取S4000P分析方法和程序，建立有效分析模型，以準確定義裝備的維修任務。

2 預防性維修分析方法

裝備預防性維修是未雨綢繆，是通過各種有效監控方法，實時監控系統部件工作狀態，對部件性能下降或者系統冗余度下降到極限值之前，及時采用糾正措施，保證裝備的完好。裝備具有重復性和周期性間隔的預防性維修任務需求(PMTR with repetitive scheduled intervals, PMTRI)分析應按照以下過程展開：首先，應明確裝備哪些系統或分系統需要進行預防性維修分析；其次，對需要進行預防性維修分析的系統進行故障模式及影響分析；然后依據故障模式及影響分析結果進行功能故障分類；最后，對故障原因進行評估確定具體PMTRI。分析過程如圖2所示。

圖2 PMTRI主要分析過程

2.1 確定分析系統

依據S1000D規范對裝備的物理結構進行分解，分解至可更換單元為止，并逐一對以下4個問題進行分析。問題1：功能故障后是否對安全性有影響？問題2：功能故障后是否與相關法律、環境生態產生沖突？問題3：功能故障后對操作人員的任務完成有無影響？問題4：功能故障后對經濟是否有影響？對裝備系統而言問題1和2只要其中之一是“肯定”回答，則應確定為需要進行PMTRI的系統，若問題1和2均為“否定”回答，而3和4之一是“肯定”回答，則需要對該系統進行評估，確定其是否為PMTRI的系統，若問題1至4均為“否定”回答，則可以不對該系統進行PMTRI分析，通過分析形成清單如表1所示。

表1 系統分析清單

2.2 系統故障模式及影響分析

確定分析系統后，開展系統的故障模式及影響分析(FMEA)，包括了系統功能分析、功能故障分析、功能故障影響分析、故障原因、故障模式及影響分析清單。

對系統的功能分析不僅僅是分析該系統設計定義功能還應包括：

1)用戶對異常情況的警告注意事項提醒；

2)在功能失效時如何關閉當前系統；

3)在功能失效時如何啟動備用功能；

4)還應考慮防護裝置，應急設備和誤操作；

系統每一個功能會存在一個或多個故障。功能故障是指系統在規定的范圍內不能執行預期的功能。對于冗余系統，即使對系統的正常運行沒有直接影響，也必須對冗余系統的功能故障進行分析。在正常的操作任務中，應急系統的功能故障應歸為與安全相關的(例如：直升機的救援升降機電纜的緊急情況、緊急燃油切斷閥、緊急電源等)。

發生系統功能故障的原因主要分為以下幾方面：

1)在指定的系統操作或任務中，系統或設備的固有設計缺陷。

2)在指定的系統操作或任務中，由于意外損壞而導致系統故障；

3)在指定的系統操作或任務中，由于預期環境影響導致的系統故障；

4)系統遇到意外事件，例如：飛機受到鳥擊；

一個故障原因可能會引發一個或多個功能故障，同時多個故障原因對一個功能故障產生影響。因此，有可能將與多個功能故障關聯的單個故障原因分配到相同或不同的功能故障層級中。

2.3 故障層級分析

依據系統FMEA結果，對每個功能故障原因(Functional Cause, FC)進行分類，并通過以下邏輯層級方法對FC進行分析，形成功能故障影響層級(Functional Failure Effect Categorization, FEC)。

1)故障層級邏輯是評估每個功能故障對產品的總體影響，以確定功能故障的影響編碼(例如：與安全有關的為FFEC1&5、與相關法律和環境有關FFEC2&6、使用任務有關的為FFEC3&7、與經濟費用有關FFEC4&8)；

2)通過邏輯決斷，決定是否進行PMTRI；

利用圖3所示的邏輯決策對每個識別出的故障進行分析。邏輯流的設計方式是自頂開始，對分析流程方向上的每個問題回答“是”或“否”，在回答邏輯問題之后將最終的FFFC分配給該FC。

圖3 功能故障影響級別分析邏輯流程

2.4 PMTRI分析

PMTRI分析須遵循以下邏輯流程：

1)確定該部件的故障概率是否低于該部件的門限值，若回答“是”則不需要進行PMTRI分析；若回答“否”則進入邏輯判斷2)；

2)依據該故障的層級分析該故障是否完全可以由機內測試(Built-In-Test, BIT)解決，若回答“是”則進行周期性維護；若回答“否”則進入邏輯判斷3)；

3)對該部件進行保養任務是否有效，針對不同類型部件，保養任務包括潤滑、調整、清潔、補給；若回答“是”則進行相應的預防性維護保養任務；若回答“否”則進入邏輯判斷4)；

4)操作人員對該部件進行檢查是否有效，操作人員檢查包括：BIT、目視檢查、詳細檢查；若回答“是”則進行相應的預防性維護檢查；若回答“否”則進入邏輯判斷5)；

5)操作人員對該部件進行測試是否有效，測試手段包括：特殊的詳細檢查、無損探測；若回答“是”則進行相應的預防性維護檢查；若回答“否”則進入邏輯判斷6)；

6)對該部件進行維修是否有效；若回答“是”則進行相應的維修任務；若回答“否”則進入邏輯判斷7)；

7)對該部件進行定時更換是否有效，定時更換適用于有明確的壽命或者部件維修該不經濟高效；若回答“是”則進行定時更換；若回答“否”則進入邏輯判斷8)；

8)通過對該部件執行單一PMTRI或者組合PMTRI是否有效適用；若回答“是”則需要依據表2對其進行PMTRI分析；若回答“否”則需要對該部件進行重新設計，重新設計原則見表3；

表2 PMTRI分析原則

表3 重新設計需求評估

9)是否進行狀態監控進行評估，由于通過BIT是不能對故障完全解決，因此若回答“是”則需要對PMTRI進行量化，并分析其對產品壽命周期內的費用影響；若回答“否”則說明當前不需要進行狀態監控；

10)對產品壽命周期內費用影響分析后評估是否需要進行狀態監控，若回答“是”則在相應的產品中設計狀態監控系統；若回答“否”則說明當前不需要進行狀態監控；

11)評估狀態監控數據置信度，功能是否實現，若回答“是”則進行BIT設計；若回答“否”則說明當前不需要進行狀態監控；

圖4 PMTRI分析邏輯流程

2.5 PMTRI間隔分析

PMTRI定義完成后，需要對其間隔形式進行分析，分析邏輯如下：

1)是否確定故障部件的性能衰退過程；若回答“是”則進入邏輯判斷2)；若回答“否”則分析并定義部件故障的衰退過程；

2)是否針對分析中的部件指定并設計了導致該故障原因的項目；若回答“是”則進入邏輯判斷3)；若回答“否”則執行測試/計算/分析，以便將最初的設計與產品的使用場景匹配；

3)是否確定部件故障率和故障率分布；若回答“是”則進入邏輯判斷4)；若回答“否”則執行測試/計算/分析，以便將最初的設計與產品的使用場景匹配；

4)部件衰退過程是否僅與時間參數有關；若回答“是”則選擇時間參數作為該PMTRI的間隔形式；若回答“否”則進入邏輯判斷5)；

5)衰退過程是否由一個或多個參數觸發；若回答是則進入邏輯判斷6)；若回答否則進入邏輯判斷7)；

6)是否將單個參數標識為PMTRI間隔形式；若回答是則選擇使用參數作為該PMTRI的間隔形式；若回答否則選擇所有參數作為該PMTRI的間隔形式；

7)衰退過程是否由時間和使用參數組合觸發；若回答是則進入邏輯判斷8)；若回答否則分析并定義部件的惡化過程；

8)是否以時間參數為主，作為PMTRI間隔形式；若回答是則選擇時間參數作為該PMTRI的間隔形式；若回答否則進入邏輯判斷9)；

9)是否以使用參數為主，作為PMTRI間隔形式；若回答是則選擇使用參數為該PMTRI的間隔形式，若回答否則選擇所有參數作為該PMTRI的間隔形式。

PMTRI間隔值的定義需要從以下幾方面進行考慮：

1)PMTRI任務形式；

2)PMTRI任務對應的FFEC;

3)在未來產品使用階段，分析該故障類型的預期平均故障率；

4)偏離預期故障分布的風險。

3 實驗應用及結果分析

以某地面裝備剎車系統為例，對預防性維修分析方法進行實例應用，驗證方法的適用性。剎車系統主要用于對裝備的制動，是該裝備執行各項日常任務中反復使用的系統之一，因此該實例具備一定的典型性。

首先，確定剎車系統是否需要進行預防性維修的系統，依據分析方法確定是需要進行PMRTI分析的系統，分析清單如表4所示。其次，對剎車系統進行FMEA，分析清單如表5所示。

表4 系統分析清單

表5 剎車系統FMEA

然后，進行故障層級分析，分析過程明確了該功能故障對操作人員是明顯的，同時該功能故障對操作人員有直接的安全影響，從而明確了該功能故障的層級為FFEC1，分析的過程如圖6所示。

圖5 PMTRI間隔形式分析

圖6 剎車系統故障層級分析過程

圖7 剎車系統PMTRI分析過程

最后，以故障原因為制動液壓油泄漏進行PMTRI評估，評估得出3個PMTRI，分別為操作檢查、檢查制動油液、制動裝置拆卸大檢可有效降低該故障的發生概率，分析過程如圖7所示。

依據圖7的分析過程對3個PMTRI進行間隔形式定義，PMTRI1&2為每次行駛前進行，PMTRI3為每5年進行一次。經過4個過程的分析得出結論，結論見表8。

4 結束語

本文闡述了S系列規范在裝備綜合保障體系中的工作框架，介紹了S4000P規范主要內容，重點研究了PMTRI的分析方法。該分析方法適應性強，可對各型裝備進行科學的預防性維修規劃，規劃結果可作為裝備保障性分析以及用戶技術手冊的輸入數據，可有效指導用戶開展維修保障，有利于裝備保障性的提升。最后，以某裝備剎車系統作為示例進行了實驗，實驗結果表明，分析方法的合理性和有效性，對國內開展裝備維修保障工作具有一定的指導意義。

表8 PMTRI分析結果