裝備保障特性綜合研究

陳圣斌，丁 杰，郝宗敏，曾曼成

(中國直升機(jī)設(shè)計研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

裝備保障特性綜合研究

陳圣斌，丁 杰，郝宗敏，曾曼成

(中國直升機(jī)設(shè)計研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

保障特性；保障性；保障特性綜合；旋翼航空器；現(xiàn)代裝備

0 引言

眾所周知，裝備質(zhì)量特性包括專用質(zhì)量特性和通用質(zhì)量特性，其中通用質(zhì)量特性也稱之為裝備的保障特性，它是確保裝備戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能有效發(fā)揮的共有技術(shù)性能。如可靠性、維修性、保障性、測試性、耐久性等[1]。

在以往的型號設(shè)計中，例如直升機(jī)的研制中，通常利用與國內(nèi)外相似的直升機(jī)來確定新研直升機(jī)保障特性的可靠性、維修性、保障性參數(shù)指標(biāo)，這在一定程度上是可行的。或者做出幾個備選方案，通過包括專用質(zhì)量特性和保障特性的相互對比分析，選擇可行的保障特性技術(shù)參數(shù)指標(biāo)，這也是可行的，而且也是GJB1371、GJB450等國家軍用標(biāo)準(zhǔn)推薦的方法。在備選方案的對比分析中，人們往往注重可靠性、維修性指標(biāo)，這無疑也是對的，然而在這一過程中往往忽視了這些指標(biāo)之間的權(quán)衡或指標(biāo)之間的綜合優(yōu)化。例如某機(jī)在方案論證中，根據(jù)國外相似直升機(jī)的對比分析，將可靠性指標(biāo)由相似機(jī)型的MTBF值4小時提高到4.8小時；維修性指標(biāo)由相似機(jī)型的1.5小時降低為1小時，并要求使用可用度為0.8。如按：

(1)

那么ADT(后勤保障延誤時間)為0.2小時，即為12分鐘。這幾乎是維修與保障之間為無縫隙連接了，在目前的保障條件下是難以實現(xiàn)的。因此，如何來確保裝備保障特性相關(guān)參數(shù)的綜合優(yōu)化或者說參數(shù)先進(jìn)性和現(xiàn)實性的問題,一直糾纏著設(shè)計人員。

經(jīng)過多年的旋翼航空器的保障特性的研究得出上述A0的計算公式，它體現(xiàn)了裝備可靠性、維修性及綜合保障要求的相互關(guān)系，然而進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，這一公式即A0，雖稱為使用可用度，但并沒有體現(xiàn)使用的含義，或者說沒有與使用時間(或飛行時間)相聯(lián)系，在某種程度上，仍是裝備的固有特性。因此，它不是使用維修保障相關(guān)參數(shù)的計算、綜合權(quán)衡或優(yōu)化公式，通過許多文獻(xiàn)[2][8-10]的研究發(fā)現(xiàn)，旋翼航空器的使用可用度的下述公式(2)能體現(xiàn)旋翼航空器的保障特性相關(guān)參數(shù)(可靠性、維修性、綜合保障)和使用之間的關(guān)系，它是裝備保障特性的綜合參數(shù)。

(2)

正如文獻(xiàn)[2]所述，這是旋翼航空器效能評估的四個要素之一。

因此，本文以旋翼航空器為例，首先論述了裝備保障特性的相關(guān)參數(shù)，并對目前廣泛應(yīng)用的裝備保障綜合參數(shù)A0與本文推薦的A0′(為區(qū)別起見，用A0′表示推薦的使用可用度)進(jìn)行分析對比，然后，對A0′相關(guān)參數(shù)使用時間、MTBF、MTTR及ADT對A0′的影響進(jìn)行了分析，之后，對這些參數(shù)的使用時間(飛行日飛行時間)與A0′的綜合協(xié)調(diào)或綜合優(yōu)化作進(jìn)一步論述。最后，提出了裝備保障特性綜合或一體化的實施措施。

1 裝備保障特性參數(shù)及參數(shù)綜合或一體化分析

GJB1909對各種裝備都提出了其保障特性相關(guān)的可靠性、維修性及綜合保障等參數(shù)，對于航空裝備如旋翼航空器的保障特性相關(guān)參數(shù)如表1所示[9-11]。

由上面旋翼航空器保障特性相關(guān)參數(shù)研究發(fā)現(xiàn)，A0與A0′都受可靠性、維修性、綜合保障相關(guān)參數(shù)和要求的影響。盡管A0也稱為使用可用度，但是在一定的程度上仍反應(yīng)的是旋翼航空器的固有可用度。而A0′除了是有與A0相同的參數(shù)(MTBF、MTTR、ADT)之外，它還引入了使用時間，即每天或每個飛行日的飛行時間。正如后面所述，它作為A0′的一個參數(shù)或變量，旋翼航空器隨FH/day 的增加A0′是減少的，它影響使用。然而A0并沒有反映這種狀態(tài)，因此A0′比A0更實用，關(guān)于A0′與A0的差別，后面將作進(jìn)一步的說明。

在綜合參數(shù)中還有一個出動架次率，它也反映了旋翼航空器的使用可用度。

(3)

式中：TFL—旋翼航空器每天能飛行的小時數(shù)；TDU—直升機(jī)平均持續(xù)時間；TGR—直升機(jī)地面滑行時間；TTA—直升機(jī)再次出動準(zhǔn)備時間；TUM—每次出動的非計劃維修時間；TAB—每出動架次戰(zhàn)傷修理時間；TAT—每出動架次的保障延誤時間。

其中，TFL反映了旋翼航空器的使用時間，TDU一定程度反映了旋翼航空器的可靠性水平，而TTA和TUM、TAB反映維修性水平，TAT反映了旋翼航空器的保障要求。

基于上面的分析，本文未作進(jìn)一步研究。

2 A0與A0′的對比分析

表1所示為兩種典型直升機(jī)的保障性要求。

表1 AH-64和LHX保障性要求

對表1的參數(shù)作進(jìn)一步的分析，可以看出：

美國AH-64“阿帕奇”直升機(jī)在其方案論證及設(shè)計評審的確認(rèn)/驗證中都使用這一公式來表示其可用度[2]。

下面通過美國的AH-64“阿帕奇”直升機(jī)和南非的“茶隼”武裝直升機(jī)兩個實例進(jìn)一步說明A0′比A0表述使用可用度更合理。

1)AH-64“阿帕奇”直升機(jī)

已知數(shù)據(jù)[3]：MTBF=3.5(MFHBF=2.8，按運行比1.2)；MTTR=0.9；FH/ day=3.75[4]。

可得ADT=4.7小時；

可得ADT=0.15小時=9分鐘。

顯然，按(1)式算得的ADT=0.15小時=9分鐘。即后勤保障延誤時間僅9分鐘，這就是說維修和保障之間幾乎為無縫連接。這在目前的維修保障的技術(shù)條件下是無法滿足這要求的。

目前的維修保障過程是：首先通過故障檢測診斷，將故障隔離下來，之后告訴地面保障人員提取備件，并運到現(xiàn)場，有時現(xiàn)場的保障庫房中未必一定有需更換備件，無疑要等待……。顯然，即便正常情況，9分鐘也不能實現(xiàn)備件及時到位，況且還有沒有備件情況的出現(xiàn)。

而按A0′的公式(2)算得的ADT及后勤保障延誤時間，應(yīng)該是在缺件情況都考慮的情況下的。比A0算得的9分鐘更合情理。

AH-64在方案論證和評審[2]中，也是按MTBF=4，MTTR=1，ADT=4小時來評估其可用度A0′=0.8。

2)南非“茶隼”武裝直升機(jī)

已知數(shù)據(jù)[5]：Ai=0.97 ；FH/Per day=3.75小時；A0=0.9； MTBF=4.66。

可得MTTR=0.14小時=8分鐘。

求得ADT=0.35小時=21分鐘；

求得ADT=2.56小時。

按前面分析，由A0′求得的ADT比由A0求得的ADT更為合理。

由上分析，用A0′表述旋翼航空器的使用可用度比用A0更為合理。

3 保障特性對裝備效能的影響

前面詳細(xì)地說明了裝備保障特性的各種相關(guān)參數(shù)(以旋翼航空器為例)，并論述了能全面反映裝備使用維修保障水平的綜合參數(shù)A0′(A0)，這里進(jìn)一步討論使用可用度對裝備效能的影響，即使用可用度的作用。

在裝備的總體方案論證及設(shè)計評審的確認(rèn)/驗證中，常常要研究裝備的效能及各種要素對效能的影響。例如，美國在研究旋翼航空器(RAH-66)的論證中，應(yīng)用下式：

效能=性能×取勝率×使用可用度×庫存因素

(4)

來評估其效能以及各個要素改變對效能的影響，評估時，使用可用度的權(quán)值為18%，性能為11%，它遠(yuǎn)高于性能的權(quán)值。

顯然，評估時保障特性和性能等其他要素都處于相同的地位。

通過效能及各種特性參數(shù)對效能的影響分析，以便在強(qiáng)調(diào)某一要求時(如RAH-66為滿足全球使用要求和作戰(zhàn)效能，它特別強(qiáng)調(diào)保障特性)降低其他某些要求，從而達(dá)到降低費用、減少風(fēng)險且不影響整個裝備的效能的目的[6]。

4 保障特性相關(guān)參數(shù)對A0′的影響

其次，標(biāo)準(zhǔn)化豬舍是規(guī)?；B(yǎng)豬的必備條件。選擇與飼養(yǎng)規(guī)模相適應(yīng)的設(shè)備設(shè)施，是提高生豬生產(chǎn)水平和養(yǎng)豬效益的關(guān)鍵。一定要根據(jù)種公豬、繁殖母豬、仔豬、育肥豬的生理特點，建造科學(xué)合理的豬舍。在施工過程中可根據(jù)不同地形、地質(zhì)情況、建筑材料等適當(dāng)調(diào)整，做到科學(xué)合理、經(jīng)濟(jì)適用。

顯然A0′作為(4)式效能評估的一個特性，為旋翼航空器的效能指標(biāo)評估提供量化值。A0′是概率值，不能超過100%。

下面討論各個參數(shù)對A0′的影響。

4.1 MTBF對A0′的影響

MTBF對A0′的影響如圖1所示。圖1給出了旋翼航空器FH/day、MTTR、ADT典型值的情況下，MTBF與A0′的關(guān)系。

由圖1可以看出，MTBF>5小時，不斷增加MTBF后，對A0′的影響就很平緩了。

使用可用度A0′對MTBF影響的敏感性可用使用可用度A0′對MTBF的偏微分來表示：

圖1 MTBF對A0′的影響隨MTBF值的增長而趨緩

圖2 A0′的相對變化率進(jìn)一步地驗證了A0′的變化隨 MTBF值的增大而趨緩

4.2 MTBF和ADT對A0′的影響

MTTR對A0′的影響如圖3所示，它對A0′的影響沒有MTBF對A0′的影響強(qiáng)烈，但不能忽略。ADT對A0′的影響與MTTR的影響是相同的。

由圖3可以看出，MTTR和ADT對A0′的影響是兩根平行向右下傾的直線，他們之間的截距取決于MTTR與ADT的差值，差值越大，這兩根向右下傾的平行線之間的截距越大，對A0′的影響差別越大。

圖3 MTTR和ADT分別對A0′的影響

從理論上講，希望這兩個值(MTTR、ADT)盡可能小，但這兩個值的減小無疑要提高可靠性、測試性，增加相應(yīng)費用，這兩個參數(shù)值選擇，將在后面的討論中進(jìn)行綜合優(yōu)化。

4.3 FH/day對A0′的影響

FH/day對A0′的影響如圖4所示。

圖4 FH/day對A0′的影響

由圖4可以看出FH/day對A0′的影響也是一條向右下傾的直線，就是說，隨著每日或每個飛行日飛行時間的增大，A0′是逐漸下降的。

5 參數(shù)的綜合優(yōu)化

前面詳細(xì)地分析了各個參數(shù)變化對A0′的影響，但是按系統(tǒng)工程的要求應(yīng)對相關(guān)參數(shù)的同時變化對A0′的影響進(jìn)行分析，從而找到在各個參數(shù)和使用可用度匹配、費用適中的兼容協(xié)調(diào)或綜合優(yōu)化的一組參數(shù)或系統(tǒng)方案。

由(2)式可以看出A0′是與MTBF、MTTR、ADT及FH/day相關(guān)的多變量參數(shù)，它可以表達(dá)為：

F(A0)=F(MTBF、MTTR、ADT、FH/day)=

(5)

由前面的分析可知，MTBF的增大可以提高A0′，MTTR和/或ADT的降低也能提高。但是這些參數(shù)的單獨變化有可能大大增加相應(yīng)費用，如果在增大MTBF的同時又減少MTTR、ADT的值，并選擇合適的FH/day，那么便有可能在費用增大不多的情況下獲得相同的一組合適的綜合參數(shù)。

因此，必須對這些參數(shù)進(jìn)行綜合分析。然而正如(5)式所示，這是一多變量復(fù)變函數(shù)，復(fù)變函數(shù)偏導(dǎo)求解比較麻煩和復(fù)雜。這里試圖在二維平行坐標(biāo)上，通過不同組合的兩個參數(shù)的變化來分析對A0′的影響，通過多組(這里為3組)的綜合分析便能獲得相應(yīng)A0′的各種參數(shù)綜合優(yōu)化。

在下面的分析中，選擇如下特定的使用維修及后勤保障參數(shù)進(jìn)行綜合分析：

MTBF=4小時，MTTR=1小時，ADT=4小時，F(xiàn)H/day=4小時。

5.1 MTBF和MTTR變化與A0′的關(guān)系

在下列給定的條件下，即當(dāng)：ADT=4小時，F(xiàn)H/day=4小時，MTBF和MTTR變化對A0′的影響如表2及圖5 的數(shù)據(jù)所示。

如果設(shè)定A0′=0.8，那么，可以得到三組不同的MTBF和MTTR值，即：

MTBF=3.8 MTTR=0.5

MTBF=4.5 MTTR=1.5

MTBF=5.5 MTTR=2.5

亦即如下三組不同的狀態(tài)組合：

A0′=0.8時，

采用相同的分析方法可以得到A0′=0.7，A0′=0.85等各種不同A0′時的其他相應(yīng)狀態(tài)組合的數(shù)組。

表2 MTBF和MTTR變化與A0′的關(guān)系

圖5 在FH/day=4小時，ADT=4小時，MTBF和

由圖5及表2的數(shù)據(jù)可以看出：

1) 在相同MTBF的情況下，A0′隨著MTTR的增大而減小，反之亦然；

2) 在相同MTTR的情況下，A0′隨著MTBF的增大而增大；

3) 在相同A0′的情況下，MTTR隨著MTBF的增大而增大；

4) 同時，也可以看出在MTBF>4小時之后，無論MTTR值如何增大，它對A0′的影響便趨于平緩。

MTTR的變化對A0′的影響，在MTBF<4小時時，它沒有MTBF對A0′的影響那么強(qiáng)烈?；蛘哒f在MTBF<4小時時，MTTR對A0′的影響沒有MTBF明顯。

這與前面圖1- 圖3的分析是相同的。

5.2 MTBF和ADT變化與A0′的關(guān)系

在下列給定的條件下，即當(dāng)：MTTR=1.5小時，F(xiàn)H/day=4小時，MTBF和ADT變化對A0′的影響如表3及圖6所示。

如果設(shè)定A0′=0.8，那么可以得到四組不同的MTBF和ADT值：

MTBF=2.2 ADT=1

MTBF=2.8 ADT=2

MTBF=4.0 ADT=3

MTBF=4.8 ADT=4

四種不同狀態(tài)組合。

A0′=0.8時，

同樣，可以得到A0′=0.7，A0′=0.85等各種不同A0′時的其他相應(yīng)狀態(tài)組合的數(shù)值。

由于在(2)中MTTR與ADT是相加的關(guān)系，它們的變化對A0′的影響及與MTBF的關(guān)系是相同的，因此由圖6及表3數(shù)據(jù)得出的分析結(jié)果與5.1節(jié)是相同的，這里便不多述了。

表3 MTBF和ADT變化對A0′的影響

圖6 FH/day=4、MTTR=1.5情況下MTBF

5.3 MTBF和FH/day變化與A0′的關(guān)系

在下列給定的條件下，即當(dāng)：MTTR=1.5小時，ADT=4小時，MTBF和FH/day變化對A0′的影響如表4和圖7所示。

如果設(shè)定A0′=0.8，那么可以得到5組不同的MTBF和ADT值，即：

MTBF=1.1小時 FH/day=1小時/每天

MTBF=2.2小時 FH/day=2小時/每天

MTBF=3.4小時 FH/day=3小時/每天

MTBF=4.7小時 FH/day=4小時/每天

MTBF=5.8小時 FH/day=5小時/每天

亦即5種不同的狀態(tài)組合,A0′=0.8時，

表4 MTBF和FH/day的變化對A0′的影響

MTBFFH/day=1FH/day=2FH/day=3FH/day=4FH/day=5A01'A02'A03'A04'A05'10.770.540.310.0820.880.770.660.540.4330.920.850.770.690.6240.940.880.830.770.7150.950.910.860.810.7760.960.920.890.830.8170.970.930.900.870.8480.970.940.910.890.86

圖7 MTTR=1.5 ADT=4情況下，MTBF和

由圖7和表4的數(shù)據(jù)可以得出：

1) 在相同的MTBF的情況下，A0′隨著FH/day的增大而減小。

2) 在相同F(xiàn)H/day情況下，A0′隨著MTBF的增大而增大。

3) 在相同A0′的情況下，F(xiàn)H/day隨著MTBF增大而增大。

4) 同樣，也可以得出，在MTBF>4小時或5小時之后，無論FH/day如何增大，它對A0′的影響也趨平緩。

FH/day的變化對A0′的影響也如同MTTR一樣，在MTBF<4小時時，也沒有MTBF對A0′的影響那么強(qiáng)烈，或者說，MTBF<4時，F(xiàn)H/day對A0′的影響沒有MTBF大。

通過上面的分析可以得出：

1) 無論是MTBF、MTTR、ADT、FH/day它們本身還是它們不同組合對A0′影響的分析，隨著MTBF的增大，A0′是增大的，在MTBF>4小時之后，它對A0′的影響便趨平緩了，或者對A0′的增大不明顯了。

2) 無論是MTBF、MTTR、ADT、FH/day它們本身還是它們不同組合對A0′影響的分析，MTTR、ADT、 FH/day對A0′的影響不如MTBF那么強(qiáng)烈，它們對A0′的影響是隨著它們的增大而緩慢下降的。

就是說上面各個參數(shù)中，MTBF對A0′的影響大，而其余3個相對小。

3) 上面以A0′=0.8作為分析的基礎(chǔ)，這是目前旋翼航空器技術(shù)水平的典型狀態(tài)。隨著技術(shù)水平的發(fā)展，尤其是維修保障的空地一體化，A0′可得到提升，此時可以對A0′>0.8所要求的值進(jìn)行相似分析，找到各個參數(shù)綜合優(yōu)化。

4) 在這一綜合分析中，不難發(fā)現(xiàn)，A0′在=0.8，MTBF在4～5小時、MTTR在1～2.5小時、FH/day、為3～5小時，ADT為3～5小時，其中ADT這一時間偏大，即后勤保障時間有很大的改進(jìn)空間。美國陸軍航空定司令部在2010年提出要割斷這一后勤保障的尾巴，通過維修保障之間的空地一體化，減少ADT時間[7]。

由表2可以看出，如果MTBF=5小時、MTTR=1.5小時、FH/day=4小時，那么當(dāng)ADT=1小時，A0′=0.92； ADT=2小時，A0′=0.85。

顯然，使用可用度A0′獲得了較大的提高。

6 保障特性綜合優(yōu)化的實施措施

為了做好保障特性綜合優(yōu)化，建議采取如下措施：

1)明確保障特性相關(guān)參數(shù)綜合優(yōu)化的作用和意義。

正如前文所述，保障特性(使用可用度A0′)是裝備效能評估的一個重要要素，因此，通過權(quán)衡分析確保裝備所要求的使用可用度，對確保整個裝備效能是很有意義的。

另外，通過保障特性相關(guān)參數(shù)的綜合優(yōu)化，便能掌握或控制MTBF對A0′的貢獻(xiàn)，正如分析所見，MTBF增大到一定程度之后，它對A0′的貢獻(xiàn)便不明顯了，選擇一個合適的MTBF值，在不太增加相應(yīng)費用的情況，滿足裝備相應(yīng)A0′的要求。

2)將保障特性相關(guān)參數(shù)的綜合分析視為論證保障特性參數(shù)的一種重要方法。

在以往型號的論證中，通常使用相似產(chǎn)品法和/或多個備選方案的對比分析法來確定新裝備保障特性或相關(guān)參數(shù)，這是可行的。但是這些指標(biāo)之間是否兼容或者綜合優(yōu)化往往不得而知，否則就不會出現(xiàn)前面所說的ADT(后勤保障延誤時間)在同樣技術(shù)條件下為0.2小時(12分鐘)這樣一種幾乎維修保障無縫鏈接的窘境。

因此，在裝備保障特性相關(guān)參數(shù)初步確立之后，應(yīng)按(2)式或者其他方法[8]對這些參數(shù)進(jìn)行綜合優(yōu)化，使這些參數(shù)之間協(xié)調(diào)兼容。

3)將保障設(shè)備特性綜合到整個裝備的研制管理之中，以便將保障特性的相關(guān)參數(shù)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的設(shè)計措施。

人們說，裝備的保障特性相關(guān)參數(shù)(可靠性、維修性、保障性)是設(shè)計出來的，但更是管理出來的[8]，正因為如此，現(xiàn)在西方的許多國家，在型號研制中，他們是真正地將裝備保障特性與裝備性能費用和進(jìn)度以同等的重要性置于型號管理之下。例如，美國在研發(fā)LHX直升機(jī)時，就將保障性置于型號管理模式下，見參考文獻(xiàn)[11]。

4)保障特性的論證和綜合優(yōu)化中實現(xiàn)“三結(jié)合”。

為了確保裝備保障特性和綜合優(yōu)化的合理性和可行性，必須實現(xiàn)上級機(jī)關(guān)(頂層)、研制方(設(shè)計和制造以及使用部門)、基層使用維修人員之間的“三結(jié)合”。由上級機(jī)關(guān)根據(jù)需要提出相應(yīng)要求之后，“三方”進(jìn)行共同研究，以確保指標(biāo)的前瞻性、先進(jìn)性、可行性，且實現(xiàn)各參數(shù)指標(biāo)的綜合優(yōu)化。最終，在確保裝備效能的情況下，以最小費用代價實現(xiàn)保障特性的綜合優(yōu)化。

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Analysis and Research of the Supportability Integration for the Modern Materials

CHEN Shengbin，DING Jie，HAOZongmin，ZENG Mancheng

(China Helicopter Research and Development Institute，Jingdezhen 333001，China)

supportability attributes; supportability integration; rotorcraft; modern materials

2015-07-17 作者簡介：陳圣斌(1944-)，男，江西永新人，研究員，主要研究方向：直升機(jī)可靠性維修性保障性。

1673-1220(2016)01-028-09

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