基于状态监测的组合式舰船装备维修探讨论文

SCI论文（www.lunwensci.com）　　

　　摘要：舰船装备一般采用以预防为主的定期维修方式，以降低装备故障率和提高舰船在航率。舰船航行任务一般参考定期维修计划统筹安排，由于舰船任务的特殊性，航行任务与定期维修计划存在时间重叠的情况难以避免，导致舰船装备故障率增大、航行风险提升。为此，根据某舰主机维修实践，充分考虑航行任务计划的需求，融合事后维修、定期维修的相关优点，提出以状态监测为核心的组合式舰船装备维修方式。该方式以装备运行技术状态参数为依据，合理调整定期维修计划，制定更具针对性的维修方案，能够有效缩短维修时间、延长维修间隔，为解决重叠区舰船装备故障概率增大、风险提升的问题提供一种新思路，对保证舰船圆满完成任务具有重要意义。

　　关键词：舰船装备；维修方式；状态监测

　　Abstract:Ship equipment generally adopts a prevention-oriented regular maintenance method to reduce the equipment failure rate and improve the ship navigation rate.Due to the particularity of ship tasks,it is difficult to avoid overlapping time between navigation tasks and regular maintenance plans,resulting in increased failure rate and increased navigation risks.Therefor,according to the maintenance practice of a ship's main engine,fully considering the needs of navigation mission planning,integrating the relevant advantages of post-event maintenance and regular maintenance,a combined ship equipment maintenance method with condition monitoring as the core is proposed.This method based on the technical status parameters of equipment operation,so the regular maintenance plan can be reasonably adjusted and a more targeted maintenance plan is formulated,by which the maintenance time can be effectively shorten,and the maintenance interval can be extended.This study provides a new idea for solving the problem of increasing failure probability and risk.This study provides a new idea for solving the problem of increasing the probability of ship equipment failure and increasing the risk in the overlapping area,which is of great significance to ensure the successful completion of the task of the ship.

　　Key words:ship equipment;maintenance method;condition monitoring

　　0引言

　　近年来，随着海上斗争形势日益严峻，舰船使用强度不断增大，对舰船各系统可靠性的要求越来越高。在舰船使用管理过程中，必须重视舰船装备维修工作，使装备处于最佳状态，保证舰船各系统的可靠性，提高装备完好率和舰船在航率。目前主要做法：一是通过日检拭、周检修、月检修、航行检修等方式，对舰船主机进行定期检查和保养，以减少主机的腐蚀和磨损，并及时发现和排除故障，保证装备处于良好的状态；二是通过以预防为主的定期维修方式，有效防止装备故障的发生，延长装备使用寿命。

　　随着科技的发展，通过舰船监控系统可获取大量的装备运行状态数据，通过便携监测装置或岸基实验中心获得舰船装备运行状态数据，基于状态监测的装备故障诊断技术得到质的飞跃。比如，可采取基于小波神经网络的故障监测方法[1]、大数据处理的数据驱动监测方法[2]、多PCA模型的过程监测方法[3]、基于数据挖掘的状态监测方法[4]，获取装备在各种状态环境下的运行参数。在航空领域，由于预防性维修对飞机装备针对性不强，存在漏修、过修等问题，基于可靠性维护的状态监控技术开始推广[5]；在船舶领域，提出将定期维修与视情维修结合起来[6]或者大力推进多种修理方式的结合[7]，全面提高舰船装备的维修水平。

　　舰船航行任务与计划修理时间重叠的情况时有发生，任务与修理计划优先权的问题困扰着各级指挥员，难以决策，其本质是如何准确判断舰船装备状态的问题。通过组合式舰船装备维修工作分析流程，能够准确判断舰船装备运行状况，采取以定期维修为主辅以状态维修的方式具有更强的针对性，能有效缩短维修时间、延长维修间隔，保证装备完好率和舰船在航率，为解决此类问题提供一种新思路。

　　1维修方式的变迁

　　维修方式，实施装备维修的方法及形式，具体指确定维修对象在何时、进行何种维修工作。随着科技的发展，舰船维修经历了事后维修、定期维修、状态维修3种模式。

　　1.1事后维修

　　20世纪50年代前，对装备损坏和故障规律的认识不足，一般在故障之后组织修理，即坏了才修，不坏不修，这种方式称为事后维修(Breakdown Maintenance，BM)。事后维修方式目标明确、易于操作，但有时故障会导致更为严重的损害，适用于故障后果轻微且有备件的装备。

　　1.2定期维修

　　20世纪80年代，随着对装备损坏和故障规律的系统研究，发现多数机械装备的故障率是时间的函数，浴盆曲线(Bathtub Curve)是应用较广的一种(图1)，表明从早期故障开始的理想的故障率分布。

　　第1阶段为早期故障期，主要是由制造、安装、调试不当造成的。第2阶段为随机故障期，装备进入平稳运行阶段，故障率低且较稳定，故障主要因维护使用不当、工作条件(负荷、温度、环境等)恶化，或材料缺陷、控制失灵、结构不合理等设计制造存在的问题所致[8]。第3阶段为磨损故障期，随运行时间增加故障率急速上升，主要原因是磨损、疲劳、耗损等，这个阶段开始前装备应进行必要的大修。

　　将装备维修时机与装备使用时间直接联系，即不管坏与不坏，先进行维修，这种维修方式称为定期维修(Time Based Maintenance，TBM)。定期维修能减少非计划停机损失，但会造成过度维修或维修不足，适用于装备寿命周期确定或故障率显著增加的阶段。

　　1.3状态维修

　　1965年美国航空和宇航协会首先提出了以可靠性为中心的维修(Reliability Centered Maintenance，RCM)。RCM在世界范围内的工业企业维修领域发挥着非常重要的作用，通过RCM技术分析与成果应用能够提高设备可靠性和可用率，降低运行和维修成本[9]。维修过程从使用阶段转入全寿命维修，一是通过冗余度、损伤容限等设计，减少装备偶然性、随机性故障造成的损害；二是通过振动、油液、红外、超声波等一系列监测手段，获取装备状态数据，分析预测装备潜在故障以指导维修，这种维修方式称为状态维修(Condition Based Maintenance，CBM)。

　　状态维修的理论基础是P-F曲线(图2)，常用于描述随机故障发展过程。点P即为潜在故障点，点F为功能故障点，P-F间隔是装备状态降级过程中从点P到点F的间隔。状态监测的目的就是在P-F间隔内探测到装备的潜在故障，进而采取相应的预防性维修活动[10]。通过采用适当的状态监测技术，科学分析和判断故障的性质、原因、位置、发展趋势等，以采取有效的、针对性的维修手段，对问题零部件进行修理或更换，预防严重事故的发生，起到预防性作用[11]。

　　2某舰主机维修案例分析

　　某舰主机的维修保养分为6级，W1是日常的运行监测；W2、W3和W4级维修是周期性的维修工作，进行这些工作不需要对发动机解体，可在运行间断中进行；W5级维修对发动机部分解体；W6级维修需将发动机全部拆开，进行全面维修。各级维修主机运行时间及维修项目分别如表1~2所示。

　　该舰被赋予远海航行任务，根据维修计划，任务期间主机需进行W6级维修，是整体性拆检修理，需将发动机全部拆开、全面维修，所需时间较长。任务前时间较短，提前进行W6修理难以完成。针对任务过程中主机可能故障的现实困难，拟利用任务前这段时间开展一次W5级维修，延缓W6级维修，以保证圆满完成任务。

　　2.1延缓W6级维修的可行性分析

　　2.1.1历史修理情况分析

　　根据该舰主机上次W6级维修后，又经历的2次W5级维修情况分析：W6与W5最显著的不同在于对运动部件、控制机构和机体结构的检查项目更多，换件数量更大；相同点是都会检查缸头、缸套、活塞连杆组件、进排气阀导管及主要的机体外部构件。再从2次W5级维修情况分析：须换件的项目和数量有减少趋势，大部分主机部件运行情况良好。W5能够完成W6中除机体内运动、控制部件外的绝大部分内容，增加一次W5级维修，延缓W6级维修是可行的。

　　2.1.2运行技术状态分析

　　通过分析2台柴油机的振动监测结果，两机振动相较以往未有大的变化，高速带轴时整机振动烈度基本在优良范围。对滑油油样原子发射光谱和红外光谱的部分监测数据如表3~表4所示。由表可看出2台柴油机滑油总碱值呈下降趋势，铁、铜金属元素含量有上升趋势，但都未超过标准值，说明主机内部各运动部件、控制部件磨损情况正常。

　　2.2 W5级维修保养的组织实施

　　2.2.1前期准备

　　根据W5维修级工程范围，提前做好备品备件的申领工作；根据主机运行参数(如排温)确定抽检左机A1缸、B10缸和右机A10缸、B10缸的活塞连杆组件，并对连杆螺栓进行探伤检查和伸长量测试；拆解2台柴油机调速器，更换运动部件及弹簧，并进行校验；测量气缸套凸肩椭圆度；拆检2台柴油机气阀旋转器。针对以往易出现问题的活塞连杆组件、气缸盖、气缸套、喷油器开启压力、波纹管裂纹、进排气阀磨损、废弃涡轮增压器以及海、淡水泵腐蚀情况进行着重检查，避免因延迟大修造成的高风险点。

　　2.2.2拆卸及修理

　　舰员与厂方人员密切协同，开辟部件出舱通道，拆卸空冷器气管、滑油和燃油油管、机外海水管等附属管路；6天基本完成废气涡轮增压器、气缸头、冷却水泵、海水泵、冷却器等重要部件的拆卸返厂工作。

　　换新气缸套3个(测量发现3个气缸套的椭圆度不符合标准)；磨削处理所有进、排气阀工作面；更换气缸头20个(测量发现20个气缸头厚度值及气阀阀座深度值不符合标准)；添补修复腐蚀严重的冷却器铝合金端板；更换严重腐蚀的右机海水泵1台；拆卸分解滑油滤器安全阀，研磨阀头与阀座，调整安全阀弹簧预紧力；拆检废气涡轮增压器，更换滚动轴承和有裂纹的喷嘴环；换新14只因外观和数值偏差不合格的热电偶；更换左机预热水泵加热器接线端子3个。

　　2.2.3后期使用

　　两台主机组装完毕后，进行了系泊试验和航行试验，运行状态良好，总体顺利。由于W5级维修只是对部分机体、系统的拆检保养，尽管针对性地进行了扩大化维修，但相比W6级维修仍有欠缺，在任务期间加强对主机日常的运行状态检查，并通过油液和振动等监测手段，时刻关注主机工作状态，最终圆满完成了远航任务。

　　3维修方式分析

　　3.1定期维修的局限性

　　该舰主机修理遵循的是定期维修方式。装备设计者通过大量模拟仿真和试验，获取自然损耗和磨损规律，绘制浴盆曲线；根据使用年限或使用小时，确定修理类别、维修间隔、维修周期。按照修理计划，不论装备是否损坏，都要组织相应维修。同一艘舰船不同的设备使用年限和使用小时是不同的，不同设备的故障规律曲线也不同，一刀切式的修理计划，势必造成修理范围过大、修理间隔不尽合理，影响舰船使用，制约任务的执行。

　　3.2基于状态监测的主机维修

　　上述案例中主机的修理没有严格按照修理计划进行。参考以往主机运行参数，结合振动测试、红外测温、油液分析等手段，掌握舰艇技术状况，形成装备状态监测报告；对主机历次修理情况进行分析，充分考虑航行任务计划的需求和定期维修计划相关要求，制定针对性、可行性较好的维修方案并组织实施，进而圆满完成航行任务。

　　3.3组合式舰船装备维修工作分析流程

　　针对舰船维修计划与航行任务可能产生冲突的实际困难，结合维修实践，提出如图3所示的组合式舰船装备维修工作分析流程。该流程融合事后维修、定时维修的相关优点，以状态监测为核心，充分考虑航行任务计划的需求和定期维修计划相关要求，制定维修方案。这种以定期维修为主辅以状态维修的方式，能有效缩短维修时间、延长维修间隔，一定程度上解决维修计划与航行任务相冲突的问题，保证装备完好率，提高舰船在航率，为圆满完成各项任务打下坚实基础。

　　3.4基于状态监测的舰船装备维修方式

　　以状态监测为核心的组合式舰船装备维修工作分析流程，本质是基于状态监测的舰船装备维修方式。在具体实施过程中，须解决以下问题。

　　3.4.1状态监测标准问题

　　装备运行状态除正常工作、故障状态外，还包括一种潜在故障状态，指故障即将发生的可鉴别状态，强调的是被鉴别出来且没有发生功能故障的阶段[12]。基于状态的维修要求在设备处于潜在故障状态时进行维修，因此要在潜在故障状态中设立阈值。即确定应该使用什么参数来评判装备的状况，采用何种监测手段获得这些参数，参数变化达到什么条件必须进行修理等。

　　3.4.2状态监测水平问题

　　随着科技的飞速发展，舰船装备复杂程度日益提高，传统的监测手段和监测能力难以满足要求，提高状态监测水平刻不容缓。除了进行油液、振动、电气、热工参数、压力参数、电学参数、腐蚀等外部监测之外[13]，应充分考虑将传感器或监测仪器安装在装备内部，以实现实时、快速、全方位地监测，避免信息漏检，准确判断装备运行状态。

　　3.4.3状态监测成本问题

　　状态维修建立在对故障监测和诊断技术的基础上，比传统的维修计划更符合实际。连续周期性的状态监测，需为舰船大量配置便携式监测仪器和监控设备，并对舰员开展相关业务培训，以及时迅速地确定机器的状态，有效防止故障发生，形成规模前需要投入大量资金[14]。4结束语

　　以状态监测为核心的组合式舰船装备维修工作分析流程，在舰船装备状态监测的基础上，制定针对性和操作性较强的维修方案，而不是单纯按照规定的时间间隔

　　进行维修，是舰船维修方式的一种创新，后续还有大量的工作要完成，如实现装备运行参数动态监测，预测装备可能发生的功能性故障，研发装备参数自动判读和监控系统[15]，对潜在功能性故障预警等。随着维修制度的变革和各项工作的落实，舰船修理计划与任务冲突的问题必将得到妥善解决。

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