運(yùn)用產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量工程技術(shù)提升航空發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量

徐俊恩

（中航工業(yè)航空動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南 株洲 412002）

據(jù)統(tǒng)計(jì)，航空發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量問題中75%是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)階段產(chǎn)生的，通常情況下，80%的質(zhì)量問題的發(fā)現(xiàn)與糾正，是在制造和使用階段。同樣一個(gè)質(zhì)量問題在航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制各階段的影響是不同的，由此產(chǎn)生的質(zhì)量損失是成幾何級(jí)數(shù)增加的。假如某個(gè)質(zhì)量問題在設(shè)計(jì)階段被發(fā)現(xiàn)，采取糾正措施的代價(jià)是1元錢的話，那么在生產(chǎn)階段糾正的代價(jià)可能就是100元，在外場使用中（發(fā)生質(zhì)量事故）糾正該問題的代價(jià)可能就是100 000元甚至數(shù)百萬元，如果設(shè)計(jì)不完善，存在重大缺陷，造成方案顛覆，就會(huì)在經(jīng)濟(jì)上造成巨大損失。因此，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)開發(fā)質(zhì)量是產(chǎn)品質(zhì)量保證的基礎(chǔ)，必須應(yīng)用系統(tǒng)的技術(shù)和方法在設(shè)計(jì)階段將產(chǎn)品符合性和適用性的質(zhì)量特性設(shè)計(jì)出來，從而確保航空發(fā)動(dòng)機(jī)全壽命周期內(nèi)質(zhì)量的穩(wěn)定性和可靠性。

1 傳統(tǒng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)與質(zhì)量控制存在的問題

傳統(tǒng)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)過程的質(zhì)量管理活動(dòng)主要是為了確保設(shè)計(jì)過程按照確定的程序進(jìn)行，對于保證產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量是必要的，但很被動(dòng)，無法解決目前航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)開發(fā)中存在如下問題：

1.1 設(shè)計(jì)開發(fā)前期對發(fā)動(dòng)機(jī)的定義不完善

航空發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量不是表現(xiàn)在某一個(gè)局部或某幾個(gè)具體的技術(shù)指標(biāo)上，而是通過性能、功能、可靠性、維修性、保障性、安全性、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性、適應(yīng)性、時(shí)間性等一系列相互影響、相互制約的特性來體現(xiàn)。目前在發(fā)動(dòng)機(jī)研制過程中存在對用戶需求了解不準(zhǔn)確、不全面，對發(fā)動(dòng)機(jī)多維質(zhì)量特性認(rèn)識(shí)不夠，出現(xiàn)對發(fā)動(dòng)機(jī)定義不準(zhǔn)確或不完善，不能滿足用戶的需求，導(dǎo)致在研制過程各階段都會(huì)出現(xiàn)大量的反復(fù)修改和重新驗(yàn)證，既費(fèi)錢、又費(fèi)時(shí)間，還給組織帶來不良的社會(huì)影響。

1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)過程缺乏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)質(zhì)量工程技術(shù)支持

目前，航空發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)的研發(fā)組織都實(shí)現(xiàn)了“甩圖板”工作，對于發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性設(shè)計(jì)、健壯設(shè)計(jì)、產(chǎn)品質(zhì)量功能展開、試驗(yàn)設(shè)計(jì)等設(shè)計(jì)質(zhì)量工程技術(shù)的應(yīng)用卻很薄弱，在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，通常在已有零部件圖樣的基礎(chǔ)上進(jìn)行參考設(shè)計(jì)，這樣設(shè)計(jì)的產(chǎn)品其可靠性、安全性、適應(yīng)性等很難滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的使用要求，產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程缺乏系統(tǒng)的方法和技術(shù)支持。

1.3 設(shè)計(jì)工作對發(fā)動(dòng)機(jī)制造和使用環(huán)境下的質(zhì)量影響考慮不足

設(shè)計(jì)開發(fā)人員通常比較專注于設(shè)計(jì)開發(fā)階段本身技術(shù)層面的工作，沒有或很少考慮工藝、設(shè)備、材料、使用環(huán)境等對產(chǎn)品質(zhì)量特性的影響，在后續(xù)制造、使用過程中造成大量設(shè)計(jì)更改，影響研制周期和用戶使用。

1.4 符合性質(zhì)量控制下的發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量不能完全滿足用戶的需求

航空發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量是以適用性和符合性兩個(gè)層次構(gòu)成的多維質(zhì)量特性來體現(xiàn)。傳統(tǒng)的符合性的質(zhì)量控制是以發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)規(guī)范、設(shè)計(jì)圖樣、驗(yàn)收技術(shù)條件等設(shè)計(jì)階段的輸出作為質(zhì)量控制的依據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)，對設(shè)計(jì)工作本身的質(zhì)量無法控制，只能表征其“符合性”，也就是發(fā)動(dòng)機(jī)的固有質(zhì)量，而不能表征其“適用性”，也就是不能滿足用戶動(dòng)態(tài)的需求，如在各種環(huán)境下發(fā)動(dòng)機(jī)性能的穩(wěn)定性等。

如何改善航空發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)質(zhì)量，從而保持航空發(fā)動(dòng)機(jī)全壽命周期的質(zhì)量特性呢？在航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)過程中系統(tǒng)運(yùn)用產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量工程技術(shù)是從根本上有效提升航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)質(zhì)量的關(guān)鍵。

2 產(chǎn)品質(zhì)量工程

2.1 產(chǎn)品質(zhì)量工程的定義

日本質(zhì)量管理專家Taguchi（田口玄一）認(rèn)為，質(zhì)量工程（Quality Engineering簡稱QE）是用于改善產(chǎn)品性能、減小因各種干擾（包括內(nèi)部和外部環(huán)境干擾以及制造過程處于非理想狀態(tài)造成的干擾），而對產(chǎn)品性能發(fā)生變化的技術(shù)。美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所（NIST）及500多個(gè)工業(yè)界、學(xué)術(shù)界及政府部門參加的“下一代制造（Next Generation Manufacturing）”項(xiàng)目對質(zhì)量工程的界定是：質(zhì)量工程是將現(xiàn)代質(zhì)量管理的理論及其實(shí)踐，與現(xiàn)代科學(xué)和工程技術(shù)相結(jié)合，以控制、保證和改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量為目標(biāo)的一系列方法和技術(shù)的總稱。因此，質(zhì)量工程是一個(gè)融合管理與工程技術(shù)最新成果的交叉領(lǐng)域。

2.2 質(zhì)量工程的發(fā)展

質(zhì)量工程的發(fā)展經(jīng)歷了質(zhì)量檢驗(yàn)階段、統(tǒng)計(jì)質(zhì)量控制（SQC）階段和全面質(zhì)量管理（TQM）階段。在全面質(zhì)量管理的發(fā)展下，質(zhì)量工程的有關(guān)技術(shù)和方法得到迅速發(fā)展。如在20世紀(jì)80年代出現(xiàn)的以用戶需求為依據(jù)開發(fā)產(chǎn)品的系統(tǒng)方法——質(zhì)量功能展開（QFD）方法，在工業(yè)發(fā)達(dá)國家得到廣泛應(yīng)用，獲得巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益；健壯設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、故障模式和影響分析（FMEA）及失效樹分析（FTA）等產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量工程技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段的迅速發(fā)展和推廣應(yīng)用，從而使以預(yù)防為主的事先控制，由產(chǎn)品制造階段延伸到產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段；并行工程的應(yīng)用，使產(chǎn)品開發(fā)人員從一開始就考慮到從概念形成到產(chǎn)品報(bào)廢的產(chǎn)品全生命周期中的所有因素，包括質(zhì)量、成本、進(jìn)度和用戶需求等；進(jìn)入20世紀(jì)90年代以后，大批量定制（Mass Cus—tomization）、敏捷制造（Agile Manufacturing）、適時(shí)生產(chǎn)（Just in time）、精益制造（Lean Production）等技術(shù)不斷涌現(xiàn)，使質(zhì)量工程技術(shù)得到進(jìn)一步發(fā)展。

2.3 產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量工程

產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量工程所涉及的方法和工具可以分為3類：質(zhì)量規(guī)劃工具、質(zhì)量設(shè)計(jì)工具及質(zhì)量驗(yàn)證工具（見圖1）。

2.3.1 質(zhì)量規(guī)劃工具

質(zhì)量規(guī)劃工具主要包括以用戶需求為依據(jù)開發(fā)產(chǎn)品的系統(tǒng)方法——質(zhì)量功能展開（Quality Function Deployment 簡稱QFD）和以解決質(zhì)量問題為主的質(zhì)量改進(jìn)工具。

2.3.1.1 質(zhì)量功能展開（QFD）

質(zhì)量功能展開（QFD）是把用戶（用戶、使用方）對產(chǎn)品的需求進(jìn)行多層次的演繹分析，轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求、零部件特性、工藝要求、生產(chǎn)要求的質(zhì)量策劃、分析、評(píng)估的工具，可用來指導(dǎo)產(chǎn)品的穩(wěn)健設(shè)計(jì)和質(zhì)量保證。QFD是準(zhǔn)確定義產(chǎn)品的較好的技術(shù)和方法之一。其作用包括如下幾個(gè)方面：

針對這種情況，一位在市醫(yī)藥公司工作的有多年藥品銷售經(jīng)驗(yàn)的工作人員坦言，某一種西藥的市場占有率在很大程度上決定了它的價(jià)格，如果這種藥屬于大眾藥，也就是說很多公司都生產(chǎn)的話，它的價(jià)格定位相對就較低。如果這種藥屬于新特藥，而生產(chǎn)公司又少的話，相對價(jià)格就會(huì)定得很高，其次，盡管新藥上市前依照有關(guān)法規(guī)，經(jīng)過嚴(yán)格的毒性實(shí)驗(yàn)和臨床試驗(yàn)，但由于使用時(shí)間有限，不良反應(yīng)很難得到充分暴露，依舊可能帶來潛在的不良反應(yīng)。相比之下，“老藥”的藥性相對清楚多了?，F(xiàn)在銷售的“老藥”是被證明副作用較少、較輕、療效肯定的藥物，一旦發(fā)生不良反應(yīng)，很容易診斷和對癥治療。

● 在產(chǎn)品開發(fā)的全過程傳遞用戶的需求，有助于改進(jìn)企業(yè)不同部門之間的協(xié)作和聯(lián)系，打破部門之間的管理、技術(shù)與信息交流壁壘，促進(jìn)并行工程的開展，縮短產(chǎn)品研制與開發(fā)周期。

● 盡早明確開發(fā)設(shè)計(jì)目標(biāo)，有助于提前考慮產(chǎn)品的生產(chǎn)或制造方法，有效地減少后期的設(shè)計(jì)更改，提高產(chǎn)品的先天設(shè)計(jì)質(zhì)量與可靠性，降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，從而使新開發(fā)的產(chǎn)品（包括相應(yīng)的工藝及生產(chǎn)過程）乃至整個(gè)企業(yè)更具競爭優(yōu)勢。

● 在產(chǎn)品開發(fā)的早期進(jìn)行低成本設(shè)計(jì)，有助于降低企業(yè)的管理費(fèi)用。同時(shí)，通過突顯與產(chǎn)品設(shè)計(jì)有關(guān)的主要技術(shù)與管理問題，有助于優(yōu)化企業(yè)資源的展開效率，顯著提升企業(yè)的質(zhì)量競爭能力。

● QFD技術(shù)的深入應(yīng)用還能為企業(yè)開展諸如實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、故障模式與影響分析、故障樹分析以及統(tǒng)計(jì)過程控制（SPC）等其他方面的質(zhì)量管理與質(zhì)量改進(jìn)工作提供有益的質(zhì)量信息。此外， QFD技術(shù)還是進(jìn)行六西格瑪設(shè)計(jì)（DFSS）的重要支撐工具，能夠幫助企業(yè)顯著改善其產(chǎn)品與過程性能，從而實(shí)現(xiàn)其六西格瑪改進(jìn)計(jì)劃。

2.3.1.2 質(zhì)量改進(jìn)工具

在不同的過程或者過程的不同階段，借助一些必要的質(zhì)量改進(jìn)技術(shù)和工具，對產(chǎn)品研制過程中的問題、數(shù)據(jù)、信息等進(jìn)行收集、分析，以便作出正確的決策或制定針對性的措施進(jìn)行質(zhì)量保證、質(zhì)量控制和質(zhì)量改進(jìn)，會(huì)有效地提高產(chǎn)品質(zhì)量、增強(qiáng)顧客滿意。質(zhì)量管理工作中常用的技術(shù)和工具見表1。

表1 不同階段質(zhì)量改進(jìn)工具和技術(shù)一覽表

2.3.2 質(zhì)量設(shè)計(jì)工具

質(zhì)量設(shè)計(jì)工具主要包括可靠性設(shè)計(jì)、健壯性設(shè)計(jì)、質(zhì)量設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（Design Of Experiment，DOE）等。

2.3.2.1 可靠性設(shè)計(jì)

可靠性設(shè)計(jì)是指在遵循系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范的基礎(chǔ)上，采用專門的技術(shù)和方法，運(yùn)用可靠性原理將可靠性設(shè)計(jì)到系統(tǒng)中去。目的就是在綜合考慮產(chǎn)品的性能、可靠性、費(fèi)用和時(shí)間等因素的基礎(chǔ)上，通過采用相應(yīng)的設(shè)計(jì)技術(shù)，使產(chǎn)品符合所規(guī)定的可靠性要求。

可靠性定性設(shè)計(jì)要求包括：制定和貫徹型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則；開展簡化設(shè)計(jì)和單元體設(shè)計(jì)，余度設(shè)計(jì)，降額設(shè)計(jì)，防錯(cuò)設(shè)計(jì)，確定關(guān)鍵件和重要件，環(huán)境防護(hù)設(shè)計(jì)，包裝、裝卸、運(yùn)輸、儲(chǔ)存等設(shè)計(jì)，采用工程保證、生產(chǎn)質(zhì)量保證等措施。可靠性定性分析要求包括：故障模式和影響分析（FMEA）；故障模式、影響及危害性分析（FMECA）；故障樹分析（FTA）；區(qū)域安全性分析等。

可靠性定量設(shè)計(jì)要求是指選擇和確定產(chǎn)品的可靠性參數(shù)、指標(biāo)以及驗(yàn)證時(shí)機(jī)和驗(yàn)證方法，以便在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、試驗(yàn)驗(yàn)證、使用過程中用量化方法來評(píng)價(jià)或驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性水平。可靠性指標(biāo)是可靠性參數(shù)要求的量值。

2.3.2.2 健壯性設(shè)計(jì)

所謂健壯性是指產(chǎn)品抵抗由于制造和使用過程中環(huán)境因素，或由于在規(guī)定壽命內(nèi)材料或結(jié)構(gòu)發(fā)生老化和變質(zhì)而引起質(zhì)量特性波動(dòng)的能力。健壯性設(shè)計(jì)是一種把質(zhì)量與可靠性設(shè)計(jì)到產(chǎn)品中去的先進(jìn)設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)方法，它的目的就是使產(chǎn)品具有健壯性，對于內(nèi)外各種干擾因素的影響不敏感，具有很強(qiáng)的抵抗能力，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)和規(guī)定的條件下均能正常工作。

2.3.2.3 產(chǎn)品設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)

產(chǎn)品質(zhì)量設(shè)計(jì)是一個(gè)系統(tǒng)的多變量、多目標(biāo)優(yōu)化過程，即從提出設(shè)計(jì)要求（輸入）開始，經(jīng)過一系列設(shè)計(jì)工作（轉(zhuǎn)換），且到產(chǎn)品定型鑒定形成成套技術(shù)文件（輸出）的系統(tǒng)過程。按照系統(tǒng)工程原理，運(yùn)用質(zhì)量設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)的線性規(guī)劃和目標(biāo)規(guī)劃模型、隨機(jī)模型法等方法，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量特征的優(yōu)化，對設(shè)計(jì)要求、邊界條件、時(shí)間、空間和資源的限制進(jìn)行綜合和權(quán)衡。

2.3.2.4 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是以概率論、數(shù)理統(tǒng)計(jì)和線性代數(shù)為基礎(chǔ)，科學(xué)地安排實(shí)驗(yàn)方案，正確地分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果的一種多因素選優(yōu)方法。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法很多，其中正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是一種簡便易行、行之有效的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，它利用一種規(guī)格化的表——“正交表”，科學(xué)的選擇試驗(yàn)條件、分析試驗(yàn)結(jié)果。特點(diǎn)是可以考慮多因素、多指標(biāo)的選優(yōu)問題；試驗(yàn)周期短，效率高；方法簡易、規(guī)范。

2.3.3 質(zhì)量驗(yàn)證工具

質(zhì)量驗(yàn)證工具主要包括故障模式及影響分析、故障模式、影響及危害性分析、故障樹分析法。

故障模式、影響分析（FMEA）是一項(xiàng)基本的可靠性設(shè)計(jì)分析方法，也是其他故障分析技術(shù)的基礎(chǔ)。通過故障模式及影響分析，可以迅速暴露比較明顯的故障模式并確定單點(diǎn)故障，其中有些故障可以用少量的設(shè)計(jì)更改予以消除。能夠幫助研究人員準(zhǔn)確地分析產(chǎn)品故障對系統(tǒng)工作所產(chǎn)生的后果，并按照嚴(yán)酷度指標(biāo)對每一潛在故障模式進(jìn)行歸類，從而獲得制定設(shè)計(jì)、工藝改進(jìn)和使用補(bǔ)償措施的依據(jù)。故障模式、影響及危害性分析（FMECA），是在FMEA的基礎(chǔ)上再增加一層任務(wù)，即判斷這種故障模式影響的致命程度有多大，使分析量化。因此，F(xiàn)MECA可以看作是FMEA的一種擴(kuò)展與深化。

故障樹分析法（FTA）是通過對可能造成產(chǎn)品（或過程）故障的硬件、軟件、環(huán)境或人為因素等進(jìn)行分析，畫出故障樹，從而確定產(chǎn)品（或過程）故障原因的各種可能組合方式和／或其發(fā)生概率的一種分析技術(shù)。故障樹分析能夠幫助研究人員發(fā)現(xiàn)潛在的故障，揭露設(shè)計(jì)（或使用與維修中）的薄弱環(huán)節(jié)以便改進(jìn)設(shè)計(jì)（或改進(jìn)使用與維修方案）。

3 設(shè)計(jì)質(zhì)量工程支持的航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)流程

航空發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)過程一般分為戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)論證、方案論證、初步設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)4個(gè)階段，為了控制航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)質(zhì)量，必須在設(shè)計(jì)過程中按照一定的設(shè)計(jì)質(zhì)量工程方法和程序，最大限度地使用戶需求和質(zhì)量特征在各個(gè)設(shè)計(jì)階段的合理實(shí)現(xiàn)。圖2為航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)過程各階段質(zhì)量工程技術(shù)和方法對應(yīng)流程。

圖2 航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)過程各階段質(zhì)量工程技術(shù)和方法

通過在航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)過程的不同階段綜合運(yùn)用設(shè)計(jì)質(zhì)量工程技術(shù)和方法，第一可以全面準(zhǔn)確的確認(rèn)用戶的要求，做好發(fā)動(dòng)機(jī)的定義；第二可以將質(zhì)量真正“設(shè)計(jì)”到發(fā)動(dòng)機(jī)中，使發(fā)動(dòng)機(jī)在環(huán)境因素的影響下依然能具有最佳的質(zhì)量特征，提高產(chǎn)品質(zhì)量的“穩(wěn)定性”和“適用性”；第三可以縮短研制周期，節(jié)約費(fèi)用，減少或避免發(fā)動(dòng)機(jī)在制造和使用維護(hù)階段的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)；第四可以將設(shè)計(jì)質(zhì)量工程技術(shù)和方法的應(yīng)用作為提高和改進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量的長效機(jī)制，規(guī)范到發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)流程和設(shè)計(jì)規(guī)范中，真正轉(zhuǎn)變由事后質(zhì)量控制到事前質(zhì)量預(yù)防，徹底避免在后續(xù)制造、使用過程中造成大量設(shè)計(jì)更改，影響研制周期和用戶使用等問題。

[1] 健壯設(shè)計(jì)手冊編委會(huì)編著.健壯設(shè)計(jì)手冊.國防工業(yè)出版社，2002，9.

[2] 林志航主編.產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造質(zhì)量工程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005，3.

[3] 曾聲奎等編著.系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)分析教程[M].北京：航空航天大學(xué)出版社，2001，1.

[4] 韓之俊，許前編著.質(zhì)量管理[M].北京：科學(xué)出版社，2003，3.