軍用設備剩余壽命預測與維護現(xiàn)狀分析

王凱 秦曉光 張小強

【摘 要】剩余壽命是衡量長貯存設備的重要性能指標，如何準確預測此類設備的剩余貯存壽命并據(jù)此制定合理的預測維護策略，設備運行狀態(tài)與外界環(huán)境的影響是必須要考慮的關鍵問題。本文主要對此類問題的研究現(xiàn)狀進行梳理，并總結了影響研究進展的關鍵問題。

【關鍵詞】軍用設備;剩余壽命;預測與維護

隨著現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展，許多工程設備、軍事裝備造價日益昂貴，組成與功能更加復雜。此類設備一旦發(fā)生失效將引發(fā)嚴重的安全事故。因此，在設備失效之前如果能夠準確預測設備的剩余壽命，并根據(jù)預測結果制定適當?shù)木S護策略，就可以最大限度的保證設備正常運行，盡可能避免因為失效引起的經(jīng)濟損失、人員傷亡、任務延誤和環(huán)境破壞。以下從剩余壽命預測概述、研究現(xiàn)狀和存在問題三個方面進行論述。

一、剩余壽命預測與維護研究概述

剩余壽命預測及預測維護問題的研究一般以設備處于連續(xù)工作狀態(tài)或者工作狀態(tài)占據(jù)全壽命周期的絕大部分時間為研究背景，但此類研究忽略了設備的貯存狀態(tài)和貯存時間。但是，很多軍事領域和航天領域的設備在使用之前長期處于貯存狀態(tài)，貯存期在設備的全壽命周期內居于主要地位。例如，導彈作為一種長期貯存、一次使用的武器裝備，其貯存時間遠遠大于工作時間。所以剩余壽命是衡量導彈戰(zhàn)術技術性能的重要指標。只有綜合考慮工作狀態(tài)和貯存狀態(tài)，準確的預測剩余貯存壽命才能夠為后續(xù)的預測維護策略提供更加合理的決策支持。對提高此類設備的任務可靠性以及減少后勤保障費用具有重要意義，也是裝備健康管理的迫切需求。

工程實際中，設備除了具有工作和貯存兩種狀態(tài)以外，在工作時還存在不同的運行狀態(tài)。此外，設備工作時還會受到外部環(huán)境如溫度、濕度、壓力、風力等的影響，不同的運行狀態(tài)所處的外部環(huán)境不盡相同。更重要的是運行狀態(tài)和外部環(huán)境狀態(tài)一般都具有隨機時變特性。其具有兩個鮮明特點：一是使用之前長期處于貯存狀態(tài);二是受作戰(zhàn)、訓練、演習以及戰(zhàn)略威懾等不同任務的驅動，運行狀態(tài)和所處環(huán)境呈現(xiàn)出隨機時變特征。

二、剩余壽命預測研究現(xiàn)狀

剩余壽命預測作為預測與健康管理技術的關鍵環(huán)節(jié)，對合理制定設備維護策略和備件訂購管理策略，降低全壽命周期維護保障費用以及延長設備服役壽命具有非常重要的作用。如前所述，剩余壽命預測包括剩余工作壽命預測和剩余壽命預測?，F(xiàn)有的剩余壽命預測方法大致可分為三類：失效數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析法、加速測試法和退化數(shù)據(jù)建模法。

（1）失效數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析法依賴于設備的歷史失效數(shù)據(jù)，通過統(tǒng)計分析確定設備的貯存壽命分布，統(tǒng)計結果反映了這一組設備的共有特性。 Mclain 和 Warren 利用同類設備的歷史失效數(shù)據(jù)，通過基于似然函數(shù)的統(tǒng)計推斷法擬合失效分布函數(shù)，得到了設備的貯存壽命分布。此類方法需要大量的歷史失效數(shù)據(jù)。但是，同一批次設備的運行環(huán)境、負載等因素不盡相同，單個設備之間也存在差異性。而且隨著現(xiàn)代設計方法和制造工藝的不斷改進，設備的可靠性越來越高，壽命越來越長，短期內無法獲得足夠多的失效數(shù)據(jù)。

（2）加速測試法包括加速壽命測試與加速退化測試。為了獲得足夠多的失效數(shù)據(jù)，通過設定不同的溫度應力水平進行加速壽命測試，然后根據(jù)不同應力水平下得到的失效數(shù)據(jù)，采用統(tǒng)計分析法擬合加速壽命模型，進而外推得到正常應力下的貯存壽命分布。加速壽命測試一般具有較高的試驗成本，可利用加速退化測試的方法研究剩余貯存壽命預測問題。加速退化測試法通過設定不同的應力水平得到設備的加速退化數(shù)據(jù)，然后構建包含應力參數(shù)的加速退化模型得到非正常應力下的貯存壽命分布，最后通過估計模型中的未知參數(shù)外推得到正常應力下的壽命分布。由于只需得到退化數(shù)據(jù)，加速退化測試法可以降低試驗成本。但加速測試法對加速試驗的樣本量、測試時間、測試項目、應力水平的選擇以及試驗參數(shù)的選定都有嚴格的規(guī)定。

（3）退化數(shù)據(jù)建模法不采用加速試驗，而是通過狀態(tài)監(jiān)測技術獲取設備工作時的退化數(shù)據(jù)，通過建模設備的性能退化過程進而預測剩余貯存壽命。近年來，研究人員開始考慮基于退化建模的剩余貯存壽命預測方法。如Feng等考慮高電壓脈沖電容器在貯存狀態(tài)與工作狀態(tài)之間相互切換，且退化過程依賴于電容器所處的狀態(tài)，通過構建多階段Wiener 過程建模貯存與工作狀態(tài)的退化過程，進而預測剩余貯存壽命。上述研究都假設在設備全壽命周期內貯存與工作狀態(tài)的切換時間是確定已知的，沒有體現(xiàn)狀態(tài)切換過程的隨機時變特性。

綜合上述分析可以看出，實際上，設備在工作時常處于不同的運行狀態(tài)，這些運行狀態(tài)之間是隨機切換的。此外，設備在工作時還會受到各種外部環(huán)境因素的影響。如前所述，運行狀態(tài)的切換以及外部環(huán)境因素的變化都可統(tǒng)稱為隨機時變環(huán)境，單純考慮貯存與工作狀態(tài)而忽略隨機時變環(huán)境狀態(tài)會導致預測的剩余壽命具有較大的不確定性。因此在預測剩余壽命時，必須要考慮隨機時變環(huán)境的影響。

三、剩余壽命預測研究存在問題

對于導彈等長期貯存設備而言，一方面，實踐表明導彈在長期貯存過程中也會發(fā)生緩慢的性能退化。如通過監(jiān)測不同工作階段的健康狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)其貯存之前和之后的退化數(shù)據(jù)的大小具有忽然增加的趨勢。這種變化在短期不明顯，但在長期貯存時的影響是不可忽視的。另一方面，此類設備的運行狀態(tài)和所處環(huán)境會依據(jù)任務的不同而隨機切換。此類設備的性能退化過程會不可避免地受到隨機時變環(huán)境的影響。環(huán)境狀態(tài)的隨機切換使得設備的退化規(guī)律表現(xiàn)出階段差異性特征。因此，考慮將設備貯存狀態(tài)視為一種特殊的“環(huán)境狀態(tài)”，在統(tǒng)一的退化模型框架下研究隨機時變環(huán)境影響下的剩余壽命預測，難點是如何在統(tǒng)一的模型框架下分別描述貯存狀態(tài)和環(huán)境狀態(tài)對退化過程的影響。