六西格瑪設(shè)計在民機產(chǎn)品研發(fā)中的應(yīng)用研究

文 /胡雪明 程 雄 郝宗敏

一、民用機載產(chǎn)品研發(fā)現(xiàn)狀

開展民用飛機設(shè)計時，要求每個災(zāi)難性失效狀態(tài)的發(fā)生概率不超過1e-9/Fh[1]。對于實現(xiàn)這些關(guān)鍵飛機功能的設(shè)備，如舵機、泵和油箱等，都需定義其研制保證級別，分配設(shè)備失效概率（有時候需要達到或者小于1e-6/Fh，確保機載產(chǎn)品能安全地實現(xiàn)預(yù)期功能。目前，國內(nèi)的機載產(chǎn)品研發(fā)流程源于軍機模式，顧客需求收集不全面，需求分析不深入，確定設(shè)計參數(shù)時的輸入過程不清晰，導(dǎo)致設(shè)計質(zhì)量難以控制，產(chǎn)品使用中時有外場故障出現(xiàn)。在產(chǎn)品研發(fā)的前期，全面收集顧客要求，將關(guān)鍵重要特性落實到實際設(shè)計和工藝中去，對于產(chǎn)品質(zhì)量提升尤為關(guān)鍵。相比已有的設(shè)計流程，六西格瑪設(shè)計（DFSS）在產(chǎn)品前期投入了很多資源，實現(xiàn)現(xiàn)有產(chǎn)品/流程的更新設(shè)計或者新產(chǎn)品/流程的初始設(shè)計，達到六西格瑪質(zhì)量水平，即DMPO（百萬機會缺陷數(shù)）出現(xiàn)3.4個缺陷。

在DFSS模型的基礎(chǔ)上，參考喬杜里的IDDOV（即：識別、定義、開發(fā)、優(yōu)化、設(shè)計與驗證）模型，考慮民機機載產(chǎn)品的適航要求，建立了民機機載產(chǎn)品的研發(fā)流程，包括識別階段、定義階段、設(shè)計階段、優(yōu)化階段和驗證階段。最后，以液壓油箱的研發(fā)流程為例進行應(yīng)用研究，跟以前的研發(fā)流程相比，過程可追溯且流程顯性化，能夠主動控制液壓油箱的研制質(zhì)量，降低研發(fā)過程中設(shè)計錯誤的出現(xiàn)概率。

二、基于DFSS的民機機載產(chǎn)品研發(fā)過程

1. DFSS流程

DFSS流程在設(shè)計前期從顧客需求出發(fā)，采用系統(tǒng)化的工具和方法，實現(xiàn)突破性的六西格瑪質(zhì)量目標。DFSS的工作內(nèi)容：在識別階段尋找市場機會，識別顧客需求，擬定項目特許任務(wù)書；在定義階段確定并展開顧客需求，對產(chǎn)品總體設(shè)計方案進行論證；在設(shè)計階段進行初步設(shè)計，開展全尺寸樣機的設(shè)計，進行過程設(shè)計和樣機的試制；在優(yōu)化階段優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計和過程設(shè)計；在驗證階段驗證設(shè)計質(zhì)量、驗證過程質(zhì)量并且驗證產(chǎn)品。

2. 民機機載產(chǎn)品研發(fā)的要求

民機機載產(chǎn)品的設(shè)計、制造和使用過程有一套全壽命周期的適航審定要求[2]。對于研制保證級別為A級和B級的設(shè)備，RTCA/DO-254:2000《機載電子硬件設(shè)計保證指南》（以下簡稱“DO-254”）要求從需求獲取、概要設(shè)計、詳細設(shè)計、實現(xiàn)過程和產(chǎn)品轉(zhuǎn)化這五個階段證明其設(shè)備研發(fā)過程符合其認證要求 。

DFSS的目標是DPMO為3.4個缺陷，DO-254要求降低硬件設(shè)計錯誤發(fā)生的概率，兩者的目標是一致的。DO-254標準給出了大體的硬件設(shè)計五個步驟，未提出詳細的實現(xiàn)過程和工具方法；IDDOV流程給出了五個階段，其中需求獲取和識別階段工作內(nèi)容都是收集整理顧客需求，概要設(shè)計和定義階段主要內(nèi)容都是確定產(chǎn)品方案并整理產(chǎn)品功能，詳細設(shè)計和設(shè)計階段工作內(nèi)容都是落實功能要求，開展具體參數(shù)設(shè)計。DO-254中實現(xiàn)過程使用詳細設(shè)計數(shù)據(jù)來產(chǎn)生硬件項目，而IDDOV流程中的優(yōu)化階段則關(guān)注產(chǎn)品設(shè)計和過程設(shè)計的優(yōu)化，兩者存在差異。DO-254中產(chǎn)品轉(zhuǎn)化需檢查制造數(shù)據(jù)、測試設(shè)備和常規(guī)資源以確保生產(chǎn)準備，而驗證階段主要驗證設(shè)計質(zhì)量和過程質(zhì)量?？梢?，這兩個過程的工作內(nèi)容相當，本文將在IDDOV模型的基礎(chǔ)上建立民機機載產(chǎn)品研發(fā)流程。

3. 基于DFSS的民機機載產(chǎn)品研發(fā)流程

DFSS流程需花費較多的時間和成本，因此將DFSS研發(fā)項目界定為影響飛行安全的關(guān)鍵機載產(chǎn)品。在識別階段主要應(yīng)用質(zhì)量功能展開（QFD）、卡諾分析等方法識別顧客需求并論證和確定要開展DFSS的項目，開展需求評審，將這些需求映射到相應(yīng)的技術(shù)要求上去；在定義階段，采用發(fā)明問題的解決理論（TRIZ）中的沖突矩陣，生成實現(xiàn)顧客需求初步可行的方案，使用QFD將技術(shù)要求映射到功能要求；在設(shè)計階段，根據(jù)以往產(chǎn)品設(shè)計時的相關(guān)設(shè)計參數(shù)，使用QFD將功能要求映射到設(shè)計參數(shù)，開展集成計算器輔助制造（IDEF）建模、故障樹分析（FTA）、故障模式影響和危害性分析（FMECA），為設(shè)計參數(shù)優(yōu)化做準備；在優(yōu)化階段，以IDEF建模中的目標變量、輸入變量和噪聲變量為基礎(chǔ)，開展實驗設(shè)計（DOE），采集實驗數(shù)據(jù)分析實驗結(jié)果，獲得最佳參數(shù)組合的設(shè)計方法；在驗證階段，檢查顧客需求、技術(shù)要求和功能要求在實際產(chǎn)品設(shè)計中的落實情況，也需給出適航條例的符合性驗證說明。

三、實踐應(yīng)用

以液壓油箱為例，介紹DFSS在液壓油箱設(shè)計改進過程中的應(yīng)用。

1. 液壓油箱的背景介紹

某型直升機的液壓油箱為自供式增壓液壓油箱，其主要作用是儲存供主、尾槳舵機的液壓油，并在整個飛行包線中向液壓泵提供具有恒定增壓壓力的液壓油。液壓油箱大泄漏后，不能為液壓系統(tǒng)提供符合要求的液壓油，這將極大降低直升機的飛行安全裕度，增大飛行員的工作負荷。某型機原裝機的自供式增壓液壓油箱內(nèi)漏量約為1滴/10次循環(huán)，滲漏的液壓油滴到機庫和直升機安裝平臺上，需要維護人員定期進行清洗維護。本項目對自供式增壓油箱進行設(shè)計改進，提高液壓油箱密封效果，減少液壓油箱內(nèi)漏量，改善液壓油箱使用維護工作量。

2. DFSS在液壓油箱設(shè)計改進中的應(yīng)用研究

① 識別階段。研制液壓油箱涉及到設(shè)計部門、制造部門、試驗單位和使用單位，通過顧客定義，共得到3類11個顧客。通過評審意見收集、用戶溝通和使用問題整理，收集并整理顧客需求，得到6類33個顧客要求。在此基礎(chǔ)上，開展第一次QFD團隊活動，將顧客需求轉(zhuǎn)換成可量化的技術(shù)要求，完成技術(shù)重要度排序后得到排序前5的重要技術(shù)要求為：液壓油箱增壓壓力、外部是否漏油、儲油量、內(nèi)部滲油量和摩擦力。

約定的設(shè)計目標：增壓壓力，（0.25±0.02）Mpa；標準試驗工況下，內(nèi)部泄露量≤1滴/400次循環(huán)；液壓油箱外部泄露量≤1滴/10 min；摩擦力≤500 N。

② 定義階段。通過咨詢液壓專業(yè)技術(shù)專家，查詢國內(nèi)外液壓油箱設(shè)計資料，將液壓油箱DFSS項目的關(guān)鍵技術(shù)設(shè)定為增壓壓力設(shè)計技術(shù)、摩擦力控制技術(shù)、密封結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)和排氣技術(shù)。然后，對這4個關(guān)鍵技術(shù)進行細分，得到11個概念碎片。選取原有的設(shè)計方案為基線方案，結(jié)合技術(shù)成熟度、進度和成本因素，對所有方案進行評分，完成PHUGH矩陣，篩選出3個方案。延續(xù)識別階段的技術(shù)要求，開展第二次QFD團隊活動，將技術(shù)要求轉(zhuǎn)化為功能要求，重要度排序后得到幾個重要功能要求：隔離液壓油、儲存液壓油、形成外觀和散熱。另外，通過功能FMECA和液壓油箱FHA，分析出儲存液壓油和隔離液壓油功能失效后會造成危險性的影響，設(shè)計時需給出設(shè)計保證措施。

③ 設(shè)計階段。液壓油箱DFSS項目是在已大量裝備直升機的液壓油箱基礎(chǔ)上做的改進設(shè)計。因此，像內(nèi)筒、彈簧、芯桿、低油面開關(guān)、油箱端蓋等結(jié)構(gòu)設(shè)計借用原液壓油箱，只需要對活塞、外筒和組合密封圈進行重新設(shè)計。確定關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)后，進行3次QFD轉(zhuǎn)化，得出3個重要設(shè)計參數(shù)（活塞密封槽槽寬、活塞密封槽槽內(nèi)徑、活塞密封槽表面粗糙度）影響活塞設(shè)計質(zhì)量，2個重要設(shè)計參數(shù)（密封圈表面粗糙度和密封圈截面厚度）影響組合密封圈設(shè)計質(zhì)量，外筒表面粗糙度影響外筒設(shè)計質(zhì)量。將FHA中的“液壓油快速流失且不能探測”設(shè)為頂事件，開展故障樹分析FTA，得到26個底事件。同時，針對液壓油箱的零部件開展故障模式和影響分析FMEA，分析了34個故障模式，給出了設(shè)計保證措施，涵蓋26個底事件。

④ 優(yōu)化階段。液壓油箱實驗設(shè)計的目標是減少液壓油箱滲油量，具體可量化的響應(yīng)變量為Y1增壓壓力和Y2摩擦力，兩個約束條件為Y3內(nèi)部滲漏量和Y4外部滲漏量。影響目標實現(xiàn)的輸入變量為X1活塞密封槽槽寬、X2活塞密封槽槽內(nèi)徑、X3活塞密封槽表面粗糙度、X4密封圈表面粗糙度、X5密封圈截面厚度和X6外筒內(nèi)表面粗糙度。在這個試驗計劃的基礎(chǔ)上，按照因子和水平的選擇進行實驗，采集實驗數(shù)據(jù)，篩選因子，最后得出活塞、密封槽和外筒設(shè)計參數(shù)的最佳組合。

⑤ 驗證階段。在液壓油箱轉(zhuǎn)入批量生產(chǎn)之前，需要對識別階段提出的要求給出符合性說明。通過開展液壓油箱的原理性試驗和液壓系統(tǒng)地面全模擬試驗，發(fā)現(xiàn)問題并優(yōu)化設(shè)計，分別檢查功能要求、性能要求、重量要求、接口要求、壽命要求和研制保證級別的符合性。經(jīng)過地面驗證試驗結(jié)果分析，確認滿足所有這些設(shè)計要求，液壓油箱轉(zhuǎn)入后續(xù)制造過程。截至2017年4月底，該型直升機共完成飛行試驗2 151 Fh，識別階段的設(shè)計目標（增壓壓力、內(nèi)部泄漏量、外部泄漏量和摩擦力）符合要求，與液壓油箱相關(guān)的故障1項——地面開車時報“左液壓油箱增壓故障”，經(jīng)檢查確認為壓力開關(guān)內(nèi)的內(nèi)部電路設(shè)計不合理，經(jīng)設(shè)計改進已完成故障歸零。基于現(xiàn)有液壓油箱試飛數(shù)據(jù)的點估計，其可靠性指標MTBF預(yù)計2151 Fh，比改進前的1 785 Fh有大幅度提升。

四、結(jié) 論

本文以液壓油箱的研發(fā)為例，闡述了DFSS在民機機載產(chǎn)品研發(fā)過程中的應(yīng)用。跟以前的液壓油箱研發(fā)流程相比，基于DFSS的機載產(chǎn)品研發(fā)流程建立了從顧客需求到設(shè)計參數(shù)的詳細轉(zhuǎn)化過程，通過實驗設(shè)計優(yōu)化設(shè)計參數(shù)，過程顯性化可追溯。論文建立的流程可主動控制設(shè)計質(zhì)量，將硬件設(shè)計錯誤降低到可接受的水平。在民機機載產(chǎn)品研發(fā)時，需著重考慮研制保證級別要求的輸入，適航條款的符合性要求，產(chǎn)品的質(zhì)量保證計劃以及驗證階段的各項事宜。論文只是列舉了機械產(chǎn)品的一個例子，后續(xù)應(yīng)以民用飛機電子硬件設(shè)計為例進行分析，在實際的工程實踐中，不斷完善民機DFSS機載產(chǎn)品研發(fā)流程。