从F-35项目来看PHM的应用与效益

2019-09-14 版权声明 举报文章

摘要:本文以美国F-35战斗机项目为例,介绍了PHM在装备科研生产及维修保养方面的应用,分析了运用PHM的主要优势和经济、军事效益。

关键词:PHM;PoF;故障预测;健康管理

中图分类号:TJ630 文献标识码:A 文章编号:1006-4311(2012)06-0298-01

0 引言

F-35是美国为主多国参与研制的一种先进战斗机。为了实现高性能、低成本,在F-35的设计中体现并贯穿了许多先进的理念和技术方法。故障预测与健康管理技术(“Prognostics and Health Management”简称PHM)是最重要的技术方法之一。

1 PHM简介

PHM(故障预测与健康管理技术)是综合利用现代信息技术、人工智能技术的最新研究成果而提出的一种全新的管理健康状态的解决方案。PHM是一种可在单一产品(或系统)的实际应用条件下评估可靠性的方法,一般具备故障检测与隔离、故障诊断、故障预测、健康管理和部件寿命追踪等能力。

PHM技术的发展大致经历了由外部测试到机内测试(BIT),进而测试独立出来成为一门学科,然后便是综合诊断的提出与应用,最后便是发展到现在的预测与健康管理(PHM)技术。PHM系统主要有数据采集、信息归纳处理、状态监测、健康评估、故障预测决策、保障决策六个部分构成。PHM技术经历了故障诊断、故障预测、系统集成三个阶段。当前PHM技术的发展体现在以系统级集成应用为牵引,提高故障诊断与预测精度、扩展健康监控的应用对象范围。[1]

2 PHM的主要应用

从JSF项目一开始,美军就明确了应用PHM的主导思想,并将此作为降低费用,提高效率最重要的途径,并且PHM还是F-35首创的自主后勤全球保障系统(ALGS)等先进的装备管理系统中的重要组件和基础。所以美军将PHM思想贯穿于F-35设计的方方面面。

2.1 基于剩余寿命的总体设计:美军采用基于PoF(失效物理)的PHM来计算出系统的剩余寿命,并基于剩余寿命对系统的影响结果来确定系统的设计要求[1]。简单的说:相对于传统的设计,系统的可靠性取决于系统组成的各个部分的无故障运行情况,因此系统的设计必须在各个部分无故障的基础上,组成部分的设计要求必须超过系统的设计要求,以确保在系统的设计周期内分系统没有故障。而基于剩余寿命的设计要求必须在基于PoF的PHM基础上推算出分系统的故障对总系统的影响,在总系统具备完成功能的前提下对分系统的可靠性提出适当的要求。

2.2 前沿的健康监测设计:为了全面、及时地实现对飞机健康情况的了解,必须对飞机的结构、电路等进行全面监控。

2.3 先进的健康控制系统:处理机基于PoF的实效和故障外,很多的意外情况也是飞机健康损坏的重要原因,如飞机撞鸟等故障。F-35在设计中,充分考虑了这种突发故障的修复、控制等,在结构中采用了大量修复结构。在公开的技术资料中,应用最多,也最为重要的是记忆合金和基于空芯光纤的损伤控制技术。[1]

2.4 独特的预测算法开发工具:为了将PHM技术应用到大型复杂武器系统中,需要一种系统的预测算法开发方法和工具集。PHM Pro是洛克希德·马丁公司开发的一种基于Microsoft Access数据库的工具,适用于所有系统的预测算法的开发。[4]

PHM Pro分为3个阶段。第一阶段,现场可更换部件(LRC)初始评估,判断是否需要考虑将部件作为预测候选部件。该清单中的部件必须满足5个隐含需求中的至少一个需求。第二阶段,评估部件是否有寿命、维修或危险减弱需求,并评估预测的实现,根据技术和设计确定部件预测的实现种类。第三阶段,算法定义阶段,为已确定为适用或潜在适用的预测候选部件开发预测算法[2]。随着三个阶段的完成,系统就能够在健康监测的基础上自我实现故障的判定、分类和数据处理,并输出相关的分类数据,极大地提高维修、检查、保养的效率,减小对后方基地及承制单位的依赖。

3 PHM的主要优势

根据美国的研究和实践,PHM的优势主要在以下几个方面:①降低常规检查成本:利用PHM提供的告警周期,可以降低所需的检查频率,从而降低维护人员和检查设备成本。②避免因系统宕机而产生的成本:PHM可提高恢复系统全功能的能力,以便该系统为执行另一个运行任务作好准备(提高可用性)。PHM还能准确识别故障位置和发生故障组件,以便快速将其更换(更强的诊断能力)。③降低备件的成本:准确的预测使我们能够根据零件的实际健康状况来规划零件的更换,从而改进备件的后勤保障,切实简化备件的供应链。④节约直接和间接的维护人力成本:由于更换的零件减少了,现场检查、检测故障、隔离故障和进行修复的时间也相应缩短了,因此,维护人员设置和使用实时测试设备的需求也减少了,间接保障人员的数量也会随之减少。更少的维护人力同时还减少了训练成本。⑤提高系统安全性:PHM能够在组件或子系统发生最终的系统故障之前预知其早期故障。因此可以有效地避免颠覆性和灾难性的故障,避免损失,提高安全性。⑥提高系统的可维护性:PHM可促进预测维护的发展,最大限度的减少计划外维护,消除冗余检查、计划内维护、延长维护周期、提高维护效率,降低维护成本、难度和工作量。⑦协助后勤保障系统的设计:而基于PHM的ALGS能够以非常低的成本在全球范围内方便地实现全面、快速的维护和保障。⑧提高产品可靠性的预测准确度:PHM支持的实时监控能够通过传感器系统对实际应用条件下的产品环境和使用载荷进行收集,有助于更好的损伤评估和准确的剩余有用寿命(RUL)预测,降低虚警率。[3]

正是因为PHM在提高产品质量、降低产品成本上有如此多的优势,所以美军将PHM作为新式武器装备的重要标准和要求之一。对比国外的健康管理发展,可以肯定发展具有中国特色的PHM相关技术,制定相关的标准,将是发挥我国理论优势推动装备制造的技术进步,提高装备质量水平,避免质量事故的有效途径。

4 结束语

未来的先进武器装备结构复杂、科技含量高,必将带来维修、保养困难,成本高等问题,这就需要发展和推广PHM技术,开展装备质量主动管理。通过发挥PHM的优势提高质量、降低成本、减小后勤规模,保证新装备的先进、可靠、顶用。

参考文献:

[1]徐萍,康锐.故障预测与状态管理系统(PHM)技术研究.测控技术,2004,(12).

[2]张宝珍,曾天翔.PHM:实现F-35经济可承受性目标关键技术.航空维修与工程,2005,(6).

[3]派克·迈克尔,康锐.故障诊断、预测与系统健康管理.香港城市大学故障预测与系统健康管理研究中心,2010.

[4]张宝珍.F-35联合攻击机采用的一种PHM预测算法开发工具.中国航空工业发展研究中心,.

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