基于RCMA的運(yùn)載火箭活動發(fā)射平臺大修方法設(shè)計研究

任曉偉，王華吉，樊曉晨，韓 琪，高敏忠

（1. 北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京，100076；2. 中國酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心，酒泉，732750）

0 引 言

活動發(fā)射平臺是指可以攜帶火箭及有效載荷在技術(shù)區(qū)和發(fā)射區(qū)之間進(jìn)行垂直運(yùn)輸，配合火箭實(shí)現(xiàn)總裝、測試、發(fā)射功能的發(fā)射臺。目前，中國共有3型活動發(fā)射平臺，分別在酒泉和海南發(fā)射場執(zhí)行相關(guān)型號發(fā)射任務(wù)。作為發(fā)射支持系統(tǒng)的重要地面設(shè)備，發(fā)射平臺按規(guī)定需定期進(jìn)行小修、中修、大修等檢修工作，其中大修是對發(fā)射平臺進(jìn)行全面、徹底的檢修維護(hù)，對多次發(fā)射環(huán)境和長期存放環(huán)境造成的損傷進(jìn)行修復(fù)，對到期的元器件、易損件、非金屬材料等進(jìn)行更新，消除故障隱患和潛在安全風(fēng)險。

以往發(fā)射平臺的大修屬于經(jīng)驗(yàn)式，即總結(jié)多年使用經(jīng)驗(yàn)和歷史故障，提出檢修檢測項目。隨著航天工程的發(fā)展和發(fā)射任務(wù)的高密度，發(fā)射平臺的功能集成化、結(jié)構(gòu)復(fù)雜化程度不斷提高，傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)式大修方法存在理論性不強(qiáng)、缺乏科學(xué)有效的分析方法等缺點(diǎn)，因此有必要引入更加科學(xué)的理論指導(dǎo)，制定更加合理的檢修方法。

在此背景下，借鑒以可靠性為中心的維修分析（Reliability Centered Maintenance Analysis，RCMA）對活動發(fā)射平臺大修方法進(jìn)行研究。

RCMA是按照以最少的資源消耗保持裝備固有可靠性和安全性的原則，應(yīng)用邏輯決斷的方法確定裝備預(yù)防性維修要求的過程或方法。利用RCMA制定維修策略，避免了“多維修、多保養(yǎng)、多多益善”的“過度維修”和“故障后再維修”的“欠維修”傳統(tǒng)維修思想的影響，使維修工作更具科學(xué)性。近年來，研究人員將RCMA理論在裝備維修上進(jìn)行了大量應(yīng)用研究。文獻(xiàn)[2]以航天發(fā)射塔的故障診斷處理為案例進(jìn)行分析，提出預(yù)防性維修大綱；文獻(xiàn)[3]、文獻(xiàn)[4]針對系統(tǒng)級產(chǎn)品，用RCMA分析方法，對裝備產(chǎn)品的維修提出研究方法；文獻(xiàn)[5]按照RCMA的分析流程，提出發(fā)射車的維修方法制定策略。

1 RCMA簡介

RCMA包括以下4個方面：

a）系統(tǒng)和設(shè)備以可靠性為中心的維修分析。適用于裝備、功能系統(tǒng)、非系統(tǒng)和各類設(shè)備及其他相似產(chǎn)品，基本分析流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)和設(shè)備RCMA流程Fig.1 System and Equipment RCMA Process

b）結(jié)構(gòu)以可靠性為中心的維修分析。適用于大型裝備的承載結(jié)構(gòu)項目，基本分析流程如圖2所示。

圖2 結(jié)構(gòu)RCMA流程Fig.2 Structural RCMA Process

c）區(qū)域檢查分析。區(qū)域檢查一般為目視檢查，適用于需劃分區(qū)域的大型裝備，主要包括檢查非重要產(chǎn)品（項目）的損傷、由鄰近產(chǎn)品（項目）故障引起的損傷。

d）分析結(jié)果的組合。把分析確定的各項預(yù)防性維修工作按間隔時間進(jìn)行組合，形成以可靠性為中心的維修分析的最終輸出，如裝備的預(yù)防性維修大綱或其他所需的形式等。

2 RCMA在活動發(fā)射平臺大修中的應(yīng)用

2.1 結(jié)構(gòu)組成及功能

發(fā)射平臺的結(jié)構(gòu)組成如圖3所示。其中傳動類機(jī)構(gòu)產(chǎn)品，適合進(jìn)行系統(tǒng)級的RCMA，承載結(jié)構(gòu)類產(chǎn)品適合進(jìn)行結(jié)構(gòu)的RCMA。

圖3 發(fā)射平臺結(jié)構(gòu)樹Fig.3 Launch Platform Structure Tree

分析過程中瞄準(zhǔn)大修項目，對RCMA分析方法和內(nèi)容進(jìn)行適應(yīng)性的剪裁，以分析檢修項目、檢測手段為重點(diǎn)。

2.2 系統(tǒng)和設(shè)備以可靠性為中心的維修分析 2.2.1 確定重要功能產(chǎn)品

組成發(fā)射平臺的零部件數(shù)量龐大，RCMA主要分析對發(fā)射平臺功能實(shí)現(xiàn)、安全性等影響重大的產(chǎn)品。

發(fā)射平臺的主要功能有承載、配合箭體進(jìn)行垂直度調(diào)整、方位回轉(zhuǎn)、行走轉(zhuǎn)運(yùn)等，下面以承載和垂直度調(diào)整功能為例，分析功能實(shí)現(xiàn)框圖，見圖4、圖5。

圖4 承載功能框圖Fig.4 Bearing Function Block Diagram

圖5 垂直度調(diào)整功能框圖Fig.5 Function Block Diagram of Verticality Adjustment

按以下原則確定重要功能產(chǎn)品：

a）該產(chǎn)品的故障是否影響主要功能實(shí)現(xiàn)，對發(fā)射任務(wù)造成重大影響；

b）該產(chǎn)品的故障是否影響產(chǎn)品安全，造成人員、設(shè)備的安全事故；

c）該產(chǎn)品的隱蔽功能故障是否會與另一有關(guān)或備用產(chǎn)品故障的綜合導(dǎo)致上述一項或多項影響。

結(jié)合產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹和發(fā)射平臺的主要功能實(shí)現(xiàn)框圖，按以上原則識別并確定重要功能產(chǎn)品，見表1。

表1 重要功能產(chǎn)品識別Tab.1 Identification of Important Functional Products

經(jīng)分析，將支承臂、方向機(jī)、止動器、轉(zhuǎn)換裝置、行走機(jī)構(gòu)、活動工作臺、滾道結(jié)構(gòu)確定為重要功能產(chǎn)品。受篇幅所限，下文以支承臂為例進(jìn)行分析。

2.2.2 故障模式及影響分析

通過FMEA分析法以重要功能產(chǎn)品為對象進(jìn)行故障模式分析，并對故障模式進(jìn)行編碼。故障模式的識別主要依據(jù)2個方面：a）歷史故障庫；b）長期使用后的潛在故障。根據(jù)使用特點(diǎn)，主要失效形式為磨損、老化、性能下降等。支承臂FMEA分析見表2。

表2 支承臂FMEA分析Tab.2 FMEA Analysis of Support Arm

續(xù)表2

2.2.3 維修工作類型分析

參考發(fā)射臺歷次檢修經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合相關(guān)行業(yè)機(jī)械產(chǎn)品的大修做法（尤其是飛機(jī)的大修），提出7種典型的檢修方式，按級別從低到高依次為：

a）外觀檢查：對產(chǎn)品外觀進(jìn)行檢查，檢查方式以目視為主，主要檢查產(chǎn)品外觀上較為明顯的變形、開裂、銹蝕等缺陷。

b）功能檢測：包括在線功能檢測和離線功能檢測，通過對產(chǎn)品的功能、性能的測試，檢查產(chǎn)品是否存在功能退化或受損現(xiàn)象。

c）常規(guī)保養(yǎng)：按照通用規(guī)范和要求，對產(chǎn)品進(jìn)行常規(guī)維護(hù)保養(yǎng)，包括潤滑、噴漆、除銹、校正、更換易損件等日常維護(hù)工作。

d）專用設(shè)備檢測：對于常規(guī)檢查手段難以發(fā)現(xiàn)的損傷，借助專用設(shè)備進(jìn)行檢測，比如無損探傷、涂層測厚等。

e）拆卸分解檢查：將產(chǎn)品拆解，采用有效的檢測手段和工具，檢查內(nèi)部零件狀態(tài)和損傷情況，視情況采取維修措施。

f）報廢更新：有明確使用壽命的產(chǎn)品，或參考同類型裝備產(chǎn)品達(dá)到報廢條件的，對其進(jìn)行更新。

g）設(shè)計改進(jìn)：故障模式無法通過檢修措施有效排除，并確認(rèn)對總體功能、性能有較大隱患和風(fēng)險的產(chǎn)品，進(jìn)行局部或整體改進(jìn)設(shè)計，并重新生產(chǎn)、更換。

此7種檢修方式中，高等級覆蓋低等級，例如采取e方式，則不需再進(jìn)行a、b、c、d。在下文的分析中，以適用的最高等級檢修方式為準(zhǔn)。

2.2.4 制定邏輯決斷

參照GJB1378A-2007的相關(guān)內(nèi)容，并根據(jù)活動發(fā)射平臺大修的特點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，制定邏輯決斷圖（見圖6）。

2.2.5 邏輯決斷分析

對每種故障模式按邏輯決斷圖進(jìn)行分析，見表3。

表3 邏輯決斷分析結(jié)果Tab 3 Logical Decision Analysis Results

2.2.6 確定檢修方式

按以上分析方法，分別對方向機(jī)、止動器、轉(zhuǎn)換裝置、行走機(jī)構(gòu)、活動工作臺、滾道結(jié)構(gòu)等重要功能產(chǎn)品進(jìn)行分析，各部件的檢修方式見表4。

表4 各部件的適用檢修方式Tab.4 Applicable Maintenance Mode of Each Component

2.3 結(jié)構(gòu)以可靠性為中心的維修分析

2.3.1 確定重要結(jié)構(gòu)項目

確定重要結(jié)構(gòu)項目的原則：損傷后會使發(fā)射平臺承載能力消弱或?qū)Π踩浴⑷蝿?wù)性產(chǎn)生影響的結(jié)構(gòu)組件。根據(jù)以上原則，結(jié)合圖1，確定重要結(jié)構(gòu)項目為上框架、基座、過渡框、主框架。結(jié)構(gòu)件主要為盒型梁焊接結(jié)構(gòu)，梁之間通過法蘭連接螺栓進(jìn)行連接。

2.3.2 故障模式及影響分析

采用FMEA分析法對重要結(jié)構(gòu)項目進(jìn)行故障模式分析，見表5。故障模式的識別主要依據(jù)歷史故障庫和發(fā)射平臺長期使用后的潛在故障。根據(jù)使用特點(diǎn)，主要失效形式為疲勞損傷、環(huán)境損傷和偶然損傷等。

表5 重要結(jié)構(gòu)FMEA分析Tab.5 FMEA Analysis of Important Structures

2.3.3 結(jié)構(gòu)損傷等級評定

承載結(jié)構(gòu)從疲勞損傷、環(huán)境損傷、偶然損傷3方面進(jìn)行等級評定。

a）疲勞損傷等級。按裂紋形成壽命與發(fā)射平臺使用壽命之比評定，確定疲勞損傷等級。

b）環(huán)境損傷等級。環(huán)境損傷分為一般環(huán)境損傷和應(yīng)力腐蝕損傷。一般環(huán)境損傷等級為一般環(huán)境損傷敏感性等級和一般環(huán)境損傷探測及時性等級之和；應(yīng)力腐蝕損傷等級為應(yīng)力腐蝕敏感性等級與探測及時性等級之和。

c）偶然損傷等級。偶然損傷等級為偶然損傷敏感性等級與探測及時性等級之和。

參考GJB1378A-2007中附錄D，對發(fā)射平臺承載結(jié)構(gòu)的損傷等級評分見表6。

表6 結(jié)構(gòu)項目損傷等級評分Tab.6 Damage Grade Score of Structural Items

2.3.4 確定檢修方法

根據(jù)結(jié)構(gòu)損傷評定等級，確定檢修方法為：

a）承載結(jié)構(gòu)全面進(jìn)行詳細(xì)目視檢查；

b）重要承力部位采用無損探傷檢查；

c）法蘭連接螺栓進(jìn)行無損探傷檢查，按比例抽檢。

2.4 活動發(fā)射平臺大修項目的制定

根據(jù)以上的分析過程，得出發(fā)射平臺大修過程中，各檢修對象的適用檢修方法，見表7。

表7 檢修對象及檢修方法Tab.7 Maintenance Object and Method

3 結(jié) 論

本文采用RCMA方法，分析活動發(fā)射平臺的大修項目和方法，為發(fā)射平臺的大修方法設(shè)計提供理論依據(jù)。目前某型號活動發(fā)射平臺已按此方法完成大修，并圓滿完成大修后的兩次發(fā)射任務(wù)。該研究方法可為其他大型發(fā)射平臺及同類大型復(fù)雜設(shè)備的大修提供參考和借鑒，同時也提出以下建議：

a）根據(jù)產(chǎn)品和設(shè)備的具體特點(diǎn)和檢修需求，對RCMA方法和內(nèi)容進(jìn)行剪裁和補(bǔ)充，使之針對性更強(qiáng)。

b）大修項目制定后，可深入進(jìn)行零件、元器件級別的FMEA分析，根據(jù)檢修目的制定更加具體詳細(xì)的檢修細(xì)則。

c）對檢修檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，結(jié)合壽命分析方法，對大修周期進(jìn)行摸索研究。