多質(zhì)量特性綜合權(quán)衡設(shè)計方法研究

王春瑤，王曉峰

（北京航空航天大學(xué) 可靠性工程研究所，北京 100191）

多質(zhì)量特性綜合權(quán)衡設(shè)計方法研究

王春瑤，王曉峰

（北京航空航天大學(xué) 可靠性工程研究所，北京 100191）

隨著可靠性等通用質(zhì)量特性在現(xiàn)代設(shè)備中發(fā)揮的作用越來越大，傳統(tǒng)設(shè)備中的序貫式設(shè)計方法已不能很好地滿足多質(zhì)量特性設(shè)計要求，導(dǎo)致設(shè)計費用與設(shè)計時間大大增加。為使設(shè)備的多質(zhì)量特性設(shè)計得到優(yōu)化，以船用柴油機(jī)為對象提出了多質(zhì)量特性綜合權(quán)衡設(shè)計方法，闡述其必要性，并根據(jù)并行工程理論給出其設(shè)計流程；為了與傳統(tǒng)序貫式設(shè)計方法進(jìn)行對比，提出了綜合效能模型的概念，為設(shè)備多質(zhì)量特性綜合技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供思路。

多質(zhì)量特性；綜合效能；船用柴油機(jī)

0 引言

多質(zhì)量特性指的是設(shè)備的全面質(zhì)量特性，包括專用質(zhì)量特性和通用質(zhì)量特性。專用質(zhì)量特性反映的是不同設(shè)備自身的特點和個性特征，如柴油機(jī)的燃油消耗速率、額定功率、缸數(shù)等。通用質(zhì)量特性則表征不同裝備的共性特征，如可靠性、維修性、測試性、保障性、安全性等。隨著現(xiàn)代設(shè)備朝著綜合化、系統(tǒng)化、多樣化的方向發(fā)展，其復(fù)雜程度日益提高，只考慮專用質(zhì)量特性的傳統(tǒng)設(shè)計理念已無法滿足快速發(fā)展的現(xiàn)代設(shè)備對質(zhì)量的要求。要減少設(shè)備的故障發(fā)生率，提高其使用壽命，降低維修成本，就必須在其研制、設(shè)計及制造、使用等各個階段將包含可靠性在內(nèi)的通用質(zhì)量特性考慮進(jìn)去。本文以現(xiàn)代船用柴油機(jī)為對象說明開展多質(zhì)量特性綜合權(quán)衡與設(shè)計分析工作的必要性，并給出了一種提高其綜合效能的模型。

1 問題提出

船用柴油機(jī)作為船舶動力系統(tǒng)的核心設(shè)備，在船舶安全行駛中起著決定性作用，不僅保證了船舶的運輸安全，更是其高效快捷經(jīng)濟(jì)運行的基本保證。據(jù)統(tǒng)計，我國2 000 t以上的船舶中，以柴油機(jī)為動力的超過90%，預(yù)計船用柴油機(jī)的需求量將持續(xù)增長[1]。船用柴油機(jī)一旦發(fā)生故障，將會嚴(yán)重影響船舶的正常使用，使海上運營能力大打折扣。然而，柴油機(jī)的研制一直是我國設(shè)備研制過程中的薄弱環(huán)節(jié)，隨著現(xiàn)代海上力量的快速增強(qiáng)，現(xiàn)代船用柴油機(jī)的復(fù)雜程度更是有增無減，這直接導(dǎo)致故障機(jī)理復(fù)雜、故障模式多樣等諸多難題?？梢哉f，研發(fā)船用柴油機(jī)所涉及的問題已不僅僅是專用特性的問題，同時也涉及到通用質(zhì)量特性。倘若柴油機(jī)某一子系統(tǒng)的通用質(zhì)量特性水平不高，不僅會大大增加全壽命周期費用，而且還會影響到專用質(zhì)量特性的發(fā)揮，為此開展船用柴油機(jī)多質(zhì)量特性綜合設(shè)計工作是十分必要的。

在傳統(tǒng)的柴油機(jī)研發(fā)過程中，設(shè)計任務(wù)主要是由性能設(shè)計工程師獨立完成，往往只注重功能設(shè)計與性能指標(biāo)的要求，而常常忽視了通用質(zhì)量特性，更缺少綜合權(quán)衡設(shè)計及全壽命周期費用的理念。另外，通用質(zhì)量特性工程師也無法參與到柴油機(jī)的性能設(shè)計中，兩者缺乏必要的協(xié)作，時常導(dǎo)致出現(xiàn)設(shè)計更改、時間和經(jīng)費浪費的現(xiàn)象，即所謂的“信息孤島”。這大大增加了柴油機(jī)的研發(fā)周期和全壽命周期費用，浪費許多人力物力。

例如，在MTU595系列柴油機(jī)研制過程中只考慮了性能和功能設(shè)計，而未開展相應(yīng)的測試性、可靠性和維修性等通用質(zhì)量特性工作，不僅使其研發(fā)周期長達(dá)九年，維修保障困難，同時全壽命周期費用也居高不下。反之，同類型的MTU8000系列機(jī)型采用“預(yù)測設(shè)計”技術(shù)，在研發(fā)過程中開展了大量通用質(zhì)量特性的設(shè)計工作。同時還采用了“動力單元”的設(shè)計技術(shù)，比如將氣缸套、氣缸蓋、冷卻水套、活塞及連桿等重要動力零部件組成一個模塊化整體，即“動力單元”，不僅提高了柴油機(jī)的剛性，還給維修帶來了方便；并將無冷卻水道、進(jìn)氣箱與機(jī)油道同時鑄在機(jī)體中，這種結(jié)構(gòu)形式具有較大的剛性，而且兩側(cè)還設(shè)有檢查門，給維修保養(yǎng)帶來方便等，從而使研制周期縮短為三年半，大大降低了全壽命周期費用[1-3]。

再比如美國通過對裝備壽命周期費用統(tǒng)計表明，傳統(tǒng)序貫?zāi)Ｊ较轮圃斓脑O(shè)備，由于在產(chǎn)品研發(fā)過程中，只注重性能和功能的設(shè)計，而沒有考慮通用質(zhì)量特性，從而導(dǎo)致其保障費用占據(jù)了較高比例。對船舶而言，前期采購費用約占25%~40%，后期使用保障費用占60%~75%[4]，表明在設(shè)備研發(fā)過程中必須將專用質(zhì)量特性與可靠性、維修性和測試性等通用質(zhì)量特性協(xié)同設(shè)計。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國內(nèi)對于柴油機(jī)諸多質(zhì)量特性研究中，除了性能指標(biāo)外，主要針對柴油機(jī)可靠性、維修性、測試性等單一質(zhì)量特性的研究較多，對多質(zhì)量特性綜合設(shè)計方法的研究較少。與此同時，國外對于多質(zhì)量特性綜合分析技術(shù)的研究一直大幅領(lǐng)先國內(nèi)，提出了很多理論和方法，如多學(xué)科優(yōu)化、并行工程理論、一體化設(shè)計方法等，并在一些產(chǎn)品的設(shè)計過程中得到了應(yīng)用。

2.1 船用柴油機(jī)可靠性分析技術(shù)研究現(xiàn)狀

可靠性技術(shù)最早是由美國科學(xué)家于20世紀(jì)40年代提出，50年代逐漸興起和形成的，至今已走過半個多世紀(jì)。研究范圍覆蓋了有限元計算、強(qiáng)度研究、零部件可靠性分析、整機(jī)可靠性預(yù)計、柴油機(jī)全壽命周期的可靠性等方面。如美國約翰迪爾公司于1964年底成立了可靠性研究部門，提出了發(fā)動機(jī)可靠性指標(biāo)的目標(biāo)值[5]。

船用柴油機(jī)作為復(fù)雜的大型系統(tǒng)，故障模式多種多樣，影響其可靠性的因素繁多，若要提高其可靠性，就必須對其故障機(jī)理、故障模式、故障嚴(yán)酷度進(jìn)行深入研究。導(dǎo)致柴油機(jī)故障的因素有許多，大致可分為機(jī)械故障與電氣故障，如熱應(yīng)力、熱疲勞、沖擊磨損、狀態(tài)監(jiān)測傳感器及相關(guān)電路故障等。在工作過程中，需要分別對各模塊進(jìn)行故障機(jī)理研究，得到各自模塊故障發(fā)生規(guī)律、故障模式及影響危害分析，從而建立模塊與故障模式、故障發(fā)生概率、影響危害分析的映射關(guān)系模型。

船用柴油機(jī)常用的嚴(yán)酷度類別依據(jù)最終可能出現(xiàn)的人員傷亡、產(chǎn)品損壞和環(huán)境損壞等方面的影響程度分為四類：安全性后果、使用性后果、非使用性后果、隱患性后果。根據(jù)對船用柴油機(jī)功能模塊的劃分，在分析各功能模塊故障模式及其發(fā)生概率的基礎(chǔ)上，針對所有故障模式進(jìn)行嚴(yán)酷度分類，隨后選取故障嚴(yán)酷度高、發(fā)生概率大的故障模式，研究消除或減少此類故障的設(shè)計方法。

國內(nèi)柴油機(jī)可靠性的研究開始于20世紀(jì)80年代，因起步較晚，故研究工作開展得還不夠深入，與國外先進(jìn)水平還具有較大的差距，雖然近年來我國科技工作者對柴油機(jī)可靠性的研究傾注了很多心血，有了提高柴油機(jī)可靠性的措施，但總體來說收效甚微，其水平還難以滿足實際需求[6-8]。

2.2 船用柴油機(jī)維修性設(shè)計分析研究現(xiàn)狀

國外對于柴油機(jī)的維修性研究起步較早，目前已經(jīng)明確了維修性在柴油機(jī)系統(tǒng)諸多特性中的定位，并基于此形成了一套較為完整的柴油機(jī)研制工程中的維修性工作體系。例如美國船用柴油機(jī)的研制過程中，海面作戰(zhàn)部與船用柴油機(jī)承制商應(yīng)用裝備全系統(tǒng)、全壽命周期管理原則，堅持綜合保障和專業(yè)化修理，在設(shè)計中盡量最大化艦員級維修的作用，廣泛應(yīng)用計算機(jī)技術(shù)，保障了柴油機(jī)維修性參數(shù)，并形成了從美國本土、海外軍事基地到艦艇部隊的全方位、高效能的維修網(wǎng)絡(luò)[9]。德國MAN公司與丹麥B&M公司合并后成立的MAN B&M公司開發(fā)出了一套專門用于柴油機(jī)曲軸和缸套的工具，可以在現(xiàn)場加工修理曲柄銷和氣缸套，縮短了維修時間，提高了維修效率，節(jié)約了維修成本[10]。

現(xiàn)代船用柴油機(jī)維修性設(shè)計分析技術(shù)研究應(yīng)以維修性要求為基礎(chǔ)，以縮短基層級維修時間和提升船用柴油機(jī)可用度為目標(biāo)，對維修級別和維修策略進(jìn)行分析，同時根據(jù)故障模式影響及其發(fā)生概率分析、嚴(yán)酷度分析，選取柴油機(jī)系統(tǒng)中故障發(fā)生頻繁，故障危害大的功能模塊，研究需要進(jìn)行基層級維修的功能模塊的維修要求，為建立船用柴油機(jī)的故障診斷方案提供依據(jù)。

我國維修性工程直到上世紀(jì)80年代以后才開始起步，由于飛機(jī)及其他設(shè)備系統(tǒng)的復(fù)雜性迅速增加，維修工作量日益增加，人們愈發(fā)意識到提高維修性的重要性。于是對柴油機(jī)的可維修性和維修性建模應(yīng)用等方面都有研究成果。

第二代柴油機(jī)以MTU956柴油機(jī)為例，其維修計劃為預(yù)防性維修計劃，分為W1至W6的維修等級，其中W1維修等級——日常的運行監(jiān)控；W2、W3和W4維修等級——周期性的維修工作，不需對發(fā)動機(jī)解體，可在運行間歇進(jìn)行；W5維修等級——中修，部件修整，需對發(fā)動機(jī)部分解體；W6維修等級——大修，需對發(fā)動機(jī)全部拆開。

第三代柴油機(jī)維修要求規(guī)劃也是按照W1~W6級別，但維修間隔會極大提高。

2.3 船用柴油機(jī)測試性設(shè)計分析研究現(xiàn)狀

船舶柴油機(jī)由于自身結(jié)構(gòu)特點與故障影響關(guān)聯(lián)耦合等原因并不能如電子裝備那樣廣泛采用機(jī)內(nèi)測試（BIT），絕大部分測試需要通過外部測試設(shè)備或人工觀測的方式來完成，且絕大部分零部件無法脫離機(jī)器本身進(jìn)行獨立的功能測試，因此，船用柴油機(jī)在測試性設(shè)計時應(yīng)立足于原位，不解體檢測。

國內(nèi)開展測試性的研究與推廣應(yīng)用工作比國外晚得多，在我國原有船舶設(shè)備研制工程中，并未提及測試性要求的內(nèi)容，沒有開展測試性工作。雖然對船用柴油機(jī)配備了先進(jìn)的狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，但卻得不到相應(yīng)的回報。如某船主機(jī)運行不到300 h，即發(fā)生軸瓦嚴(yán)重磨損、曲軸裂紋等故障[11]。但監(jiān)控系統(tǒng)卻顯示正常，說明這些柴油機(jī)設(shè)計時測試性考慮不足，不能及時準(zhǔn)確反映故障隱患。因此只有全系統(tǒng)全壽命周期地考慮船舶柴油機(jī)的測試性問題，才能使其在全壽命周期內(nèi)發(fā)揮出最優(yōu)的性能。

總之，國內(nèi)對于船用柴油機(jī)質(zhì)量特性設(shè)計分析技術(shù)往往局限于單一質(zhì)量特性，而對多質(zhì)量特性綜合設(shè)計分析技術(shù)關(guān)注不足，實際應(yīng)用較少。

3 綜合效能模型建立

船用柴油機(jī)是較為復(fù)雜的大型系統(tǒng)，影響其實際工作的因素繁多，相關(guān)技術(shù)指標(biāo)多種多樣，若要建立船用柴油機(jī)綜合效能模型，應(yīng)當(dāng)對綜合效能模型的定義及影響因素進(jìn)行深入研究。

3.1 船用柴油機(jī)綜合效能研究

在人們沒有對綜合效能形成足夠的重視之前，總是更看重柴油機(jī)性能與功能的表現(xiàn)，甚至在設(shè)計中犧牲其他特性如可靠性、維修性，這在實際應(yīng)用中會產(chǎn)生很多問題。例如某船用柴油機(jī)在一段過程中能夠順利完成任務(wù)，但發(fā)生故障后的維修要長達(dá)數(shù)月甚至幾年的周期，這不僅耽誤時間，降低工作效率，毫無疑問還增加了費用，因此提高船用柴油機(jī)的綜合效能就變得至關(guān)重要。如圖1所示，在對船用柴油機(jī)進(jìn)行研制時，除了傳統(tǒng)的性能、功能之外，還應(yīng)當(dāng)考慮可靠性、測試性、維修性、保障性及經(jīng)濟(jì)性等指標(biāo)，這些都是影響綜合效能的主要質(zhì)量特性。

圖1　影響綜合效能的主要質(zhì)量特性

什么是綜合效能？為了表征綜合效能比傳統(tǒng)單一特性設(shè)計方法有所提升，需對兩者進(jìn)行量化比較。因此將單項特性的效能定義為其設(shè)計費用與設(shè)計時間的乘積。例如可靠性設(shè)計，用可靠性的設(shè)計費用與設(shè)計所需時間的乘積來表征其效能，顯而易見，其數(shù)值越小，說明效能越好。用公式表示如下：

式中，m為設(shè)計費用；t為設(shè)計時間；A為效能。

綜合效能則定義為所有影響綜合效能的質(zhì)量特性效能的總和。公式表示即為：

式中，H為每個特性對應(yīng)的指標(biāo)要求；V為綜合效能；b為影響綜合效能的主要質(zhì)量特性。

滿足綜合效能還有兩個約束條件：1）所有影響綜合效能的特性都必須考慮在內(nèi)；2）所有特性都必須滿足指標(biāo)要求。

傳統(tǒng)的柴油機(jī)設(shè)計方法采用的是序貫式設(shè)計方法，按照順序先設(shè)計好一個特性，再去考慮下一個特性，如圖2所示。

這樣在設(shè)計b2時便會與已設(shè)計好的b1產(chǎn)生沖突，同理，后面特性的設(shè)計也會受到前面已設(shè)計好特性的制約。這導(dǎo)致若要使每個特性都滿足指標(biāo)要求，則需花費大量的費用與時間。因此給出了一個綜合權(quán)衡模式設(shè)計方法，如圖3所示。

圖2　傳統(tǒng)序貫?zāi)Ｊ皆O(shè)計流程

圖3　綜合權(quán)衡模式設(shè)計流程

該設(shè)計流程采用并行工程理論的思想[12]，將多個質(zhì)量特性同時進(jìn)行設(shè)計，例如，每個特性b設(shè)計都分為多個階段，在b1特性設(shè)計一個階段后（而不是全部完成）進(jìn)入到b2特性的設(shè)計，b2特性設(shè)計一個階段后，進(jìn)入b3特性的設(shè)計，或返回b1特性繼續(xù)設(shè)計，以此類推，每個特性在設(shè)計時都可以返回到任意一個特性模塊繼續(xù)設(shè)計。綜合權(quán)衡模式以整個系統(tǒng)的綜合效能最優(yōu)為出發(fā)點，綜合統(tǒng)籌考慮多質(zhì)量特性，既能縮短研制的周期，減少一些不必要的重復(fù)工作，還可以降低研制的費用。

3.2 船用柴油機(jī)綜合效能模型

為了進(jìn)一步反應(yīng)綜合效能比傳統(tǒng)方式效能有所提升，建立了綜合效能模型，如圖4所示。

圖4　綜合效能模型

式中，a1、a2、a3等為傳統(tǒng)模式下對應(yīng)的單項質(zhì)量特性的效能；c1、c2、c3等為綜合權(quán)衡下的單項質(zhì)量特性的效能，數(shù)值越大，效能越差；V1為傳統(tǒng)模式下的總效能；V2為綜合效能。

傳統(tǒng)序貫式設(shè)計方法的總效能等于每個單項質(zhì)量特性效能的和，即：

而在綜合權(quán)衡模式下，每個單項特性在滿足指標(biāo)的情況下并不能都達(dá)到最優(yōu)，其考慮的是整體綜合效能最優(yōu)，即：

很明顯，新型船用柴油機(jī)多質(zhì)量特性綜合建模方法滿足工程實際需求，其總體效果要優(yōu)于傳統(tǒng)序貫設(shè)計方法。傳統(tǒng)設(shè)計方法得到的效能為V1，綜合設(shè)計方法得到的效能為V2，因此(V1-V2)/V1的百分比即為應(yīng)用多質(zhì)量特性綜合設(shè)計方法得到的綜合效能提升率。

由該模型可知，只要船用柴油機(jī)從設(shè)計研制初期就從綜合效能的角度出發(fā)，在整個設(shè)計研制階段更好地考慮多質(zhì)量特性，既能提高船用柴油機(jī)的整體效能，縮短研制時間，又能降低全壽命周期費用。

4 結(jié)論

在對船用柴油機(jī)進(jìn)行綜合效能分析，得到綜合效能模型之后，還可以制定出一個多質(zhì)量特性綜合權(quán)衡設(shè)計方法的通用規(guī)范，為其他設(shè)備進(jìn)行多質(zhì)量特性綜合分析提供參考。

目前包括船用柴油機(jī)在內(nèi)的大多數(shù)設(shè)備的通用質(zhì)量特性研究還處在起步發(fā)展階段，多質(zhì)量特性綜合權(quán)衡與設(shè)計分析方法能夠有效解決傳統(tǒng)單一特性獨立設(shè)計時所達(dá)不到的優(yōu)化效果，從設(shè)計、研制、制造以及使用中全面提升設(shè)備的多質(zhì)量特性，降低全壽命周期成本，大大提高研究效率，增加設(shè)備的綜合效能，對設(shè)備的發(fā)展起到非常重要的作用。

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Study on Comprehensive Trade-off Design Method of Multiple Quality Characteristics

Wang Chun-yao,Wang Xiao-feng

(Institute of Reliability Engineering,Beihang University,Beijing 100191,China)

With general quality characteristics such as reliability playing a more and more important role in modern weapons,the traditional sequential design has not well fulfilled the multiple quality characteristics design requirement,which makes design fee and time largely increase.In order to optimize multiple quality characteristics design of equipment,the paper treats marine diesel engine as an object,comes up with trade-off design of multiple quality characteristics,states its necessity and gives design process according to concurrent engineering.To compare with traditional sequential design,the paper also puts forward the concept of comprehensive effectiveness model,which provides thread for the further development of multiple quality characteristics technique of equipment.

multiple quality characteristics; comprehensive effectiveness; marine diesel engine

F273.2

A DOI：10.14141/j.31-1981.2016.05.012

王春瑤（1992—），男，碩士研究生，研究方向：測試性與故障診斷。