基于六西格瑪設(shè)計(jì)的直升機(jī)魚(yú)叉液壓系統(tǒng)改進(jìn)優(yōu)化設(shè)計(jì)

譚 倫，李艷艷

(中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

0 引言

六西格瑪是一套系統(tǒng)的、集成的業(yè)務(wù)改進(jìn)方法體系，是旨在持續(xù)改進(jìn)組織業(yè)務(wù)流程，實(shí)現(xiàn)顧客滿意的管理方法，通過(guò)系統(tǒng)地、集成地采用業(yè)務(wù)改進(jìn)流程，實(shí)現(xiàn)無(wú)缺陷的六西格瑪設(shè)計(jì)(Design for Six Sigma, DFSS)[1-2]。

直升機(jī)著艦裝置是供直升機(jī)快速安全著艦并系留在飛行甲板上的裝置，主要有兩種形式：拉降式和魚(yú)叉格柵式。拉降式著艦裝置：直升機(jī)準(zhǔn)備著艦時(shí)，機(jī)上放出主探管，從中用引索將艦上的拉降索引入直升機(jī)內(nèi)并卡定后，艦上拉降絞車收緊拉降索拉直升機(jī)下落；魚(yú)叉格柵式著艦裝置：由設(shè)在直升機(jī)底部的魚(yú)叉鎖緊機(jī)構(gòu)和艦艇飛行甲板上的一個(gè)直徑約2.5m的格柵構(gòu)成，直升機(jī)通過(guò)魚(yú)叉裝置著艦并快速系留。由于魚(yú)叉格柵式具有重量輕、體積小、安裝方便和易于維護(hù)等特點(diǎn)，目前小型直升機(jī)在艦船上的著艦裝置普遍采用魚(yú)叉格柵式。本文主要應(yīng)用六西格瑪方法對(duì)直升機(jī)魚(yú)叉液壓系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。

根據(jù)用戶使用情況，直升機(jī)魚(yú)叉液壓系統(tǒng)存在附件拆裝不便、維護(hù)性較差、可靠性低、重量大等問(wèn)題，因此借綜合改進(jìn)型號(hào)的研發(fā)機(jī)會(huì)，對(duì)直升機(jī)魚(yú)叉液壓系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用六西格瑪設(shè)計(jì)(design for six sigma,DFSS)中的科學(xué)邏輯，開(kāi)展精細(xì)化設(shè)計(jì)，減小重量，并提高產(chǎn)品的維護(hù)性和可靠性。

1 六西格瑪改進(jìn)優(yōu)化

六西格瑪設(shè)計(jì)一般以項(xiàng)目的形式開(kāi)展，并遵循一定的流程，最常見(jiàn)的流程是：I(識(shí)別)C(概念)D(設(shè)計(jì))O(優(yōu)化)V(驗(yàn)證)[3]。

1.1 識(shí)別階段

識(shí)別階段通過(guò)對(duì)客戶識(shí)別，需求識(shí)別，對(duì)顧客需求進(jìn)行整理并親和，得到了6類顧客需求(表1)，確定了本次改進(jìn)設(shè)計(jì)目標(biāo)：重量和可靠性。

表1顧客需求

通過(guò)QFDⅠ(Quality Function Depioyment 質(zhì)量功能展開(kāi))(圖1)打分，得到6個(gè)重要技術(shù)要求：魚(yú)叉液壓系統(tǒng)壓力、魚(yú)叉液壓系統(tǒng)流量、工作壓力上限、重量、MTBF、強(qiáng)度。

通過(guò)魚(yú)叉液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)質(zhì)量表(表2)，并結(jié)合QFDⅠ的打分結(jié)果，確定了重點(diǎn)改進(jìn)指標(biāo)，確定了本項(xiàng)目的工作目標(biāo)。

表2 設(shè)計(jì)質(zhì)量表

圖1 QFDⅠ

1.2 概念階段

概念階段首先對(duì)魚(yú)叉液壓系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)和主要構(gòu)件進(jìn)行梳理(圖2)，清理它們之間的映射關(guān)系。

通過(guò)對(duì)魚(yú)叉液壓系統(tǒng)系統(tǒng)邊界的分析(圖3)，明確魚(yú)叉液壓系統(tǒng)的輸入和輸出及內(nèi)外部交聯(lián)關(guān)系。

通過(guò)多功能團(tuán)隊(duì)頭腦風(fēng)暴及技術(shù)檢索，得到了對(duì)魚(yú)叉液壓系統(tǒng)減重的三種方法：集成化技術(shù)、新型材料的應(yīng)用、高壓系統(tǒng)的應(yīng)用，并分析了各自的優(yōu)缺點(diǎn)，得出了采用集成化技術(shù)對(duì)魚(yú)叉液壓系統(tǒng)進(jìn)行減重的措施。利用PUGH矩陣(表3)，篩選得到魚(yú)叉附件板上附件集成的減重方案。

1.3 設(shè)計(jì)階段

設(shè)計(jì)階段首先對(duì)目前的魚(yú)叉液壓系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)梳理和重量梳理(表4)。

通過(guò)概念階段確定的魚(yú)叉附件板集成減重方案，魚(yú)叉附件板組件結(jié)構(gòu)如圖4所示，魚(yú)叉附件板集成為魚(yú)叉組合閥。

圖2 功能架構(gòu)圖

圖3 系統(tǒng)邊界圖

表4 結(jié)構(gòu)重量梳理

通過(guò)QFDⅢ(圖5)，魚(yú)叉組合閥中的傳感器、減壓閥、電磁閥Ⅰ、電磁閥Ⅱ及蓄壓器為重要的零組件。通過(guò)QFDⅢ-1，額定壓力、耐壓壓力、額定流量是必須重點(diǎn)控制的參數(shù)，重量、MTBF是設(shè)計(jì)改進(jìn)的重要參數(shù)。

如圖6所示，對(duì)設(shè)計(jì)要求分解至成品廠家，其中QFD III-1識(shí)別出的重要設(shè)計(jì)要求通過(guò)技術(shù)指標(biāo)論證—設(shè)計(jì)輸入可達(dá)性分析—機(jī)載產(chǎn)品協(xié)議書(shū)的形式確認(rèn)。

圖5 QFDⅢ

圖6 設(shè)計(jì)要求分解傳遞

圖7所示為魚(yú)叉附件板組件與魚(yú)叉組合閥的對(duì)比，其中魚(yú)叉附件板組件重量為10.724 Kg，集成后的魚(yú)叉組合閥設(shè)計(jì)重量為7.4 Kg，魚(yú)叉組合閥較原魚(yú)叉附件板組件設(shè)計(jì)減重3.324Kg。

對(duì)魚(yú)叉附件板組件與魚(yú)叉組合閥分別進(jìn)行建模仿真，通過(guò)結(jié)果對(duì)比可以看出，集成之后的魚(yú)叉組合閥的壓力流量較之前基本一致，能夠滿足魚(yú)叉收放功能要求(圖8-圖10)。

圖7 魚(yú)叉附件板組件與魚(yú)叉組合閥

圖8 方案模型對(duì)比

圖9 方案壓力性能對(duì)比

圖10 方案流量性能對(duì)比

通過(guò)對(duì)魚(yú)叉組合閥做可靠性預(yù)計(jì)分配，滿足系統(tǒng)MTBF要求，并對(duì)魚(yú)叉組合閥進(jìn)行硬件FMECA，確認(rèn)合理有效的糾正措施并落實(shí)到產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，對(duì)產(chǎn)品維修和保障工作提供相應(yīng)的依據(jù)。

通過(guò)QFDⅢ(圖11)可見(jiàn)，結(jié)構(gòu)尺寸、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是附件板設(shè)計(jì)改進(jìn)的重要結(jié)構(gòu)要求。通過(guò)QFDⅣ可得：總長(zhǎng)度、總寬度、厚度是附件板設(shè)計(jì)改進(jìn)的重要參數(shù)。

如圖12所示，新魚(yú)叉附件板與原魚(yú)叉附件板相比，保持總長(zhǎng)度不變，總寬度由440mm減小到250mm,厚度由1.5mm減小到1.2mm,材料為 2A12 保持不變,局部增加加強(qiáng)槽。原魚(yú)叉附件板重量為0.88 Kg，新魚(yú)叉附件板設(shè)計(jì)重量為0.38 Kg，新魚(yú)叉附件板較原魚(yú)叉附件板設(shè)計(jì)減重0.5Kg。

如圖13所示，集成后的新魚(yú)叉組合閥組件比原魚(yú)叉附件板組件共計(jì)設(shè)計(jì)減重3.824Kg。

圖11 QFDⅢ

圖12 原魚(yú)叉附件板與新魚(yú)叉附件板

圖13 魚(yú)叉附件板組件與魚(yú)叉組合閥組件

為了在設(shè)計(jì)階段就充分考慮制造、裝配、成本等的約束和困難，提高產(chǎn)品的可制造性、可裝配性，把制造、裝配、成本等要素的有關(guān)知識(shí)和標(biāo)準(zhǔn)整理成具體的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，用設(shè)計(jì)準(zhǔn)則指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，對(duì)設(shè)計(jì)要素進(jìn)行分析、優(yōu)化和評(píng)價(jià)，以確定合適的材料、公差要求和工藝方案，對(duì)魚(yú)叉組合閥和附件板進(jìn)行DFMA(Design for Manufacture and Assembly)，見(jiàn)表5、表6，魚(yú)叉組合閥DFMA一共列出了24項(xiàng)，主要涉及零組件裝配檢查12項(xiàng)，檢驗(yàn)核查3項(xiàng)，材料和加工工藝檢查7項(xiàng)，防錯(cuò)設(shè)計(jì)檢查2項(xiàng)。附件板DFMA一共列出了17項(xiàng)，主要涉及零組件裝配檢查6項(xiàng)，檢驗(yàn)核查3項(xiàng)，材料和加工工藝檢查5項(xiàng)，防錯(cuò)設(shè)計(jì)檢查2項(xiàng)。

表5 DFMA-魚(yú)叉組合閥

1.4 優(yōu)化階段

優(yōu)化階段采用部分因子試驗(yàn)，確定響應(yīng)變量Y1附件板重量、Y2附件板強(qiáng)度儲(chǔ)備系數(shù)，自變量X1總寬度，2水平，X2厚度，2水平，通過(guò)DOE分析，用MINITAB軟件自動(dòng)生成標(biāo)準(zhǔn)順序進(jìn)行因子試驗(yàn)計(jì)劃表(表7)，取X1、 X1低水平，達(dá)到最大減重，并檢驗(yàn)Y2是否滿足要求。

如圖14，由計(jì)算工況得最大應(yīng)力為330MPa(工況1)，最大變形13.7mm(工況4)，滿足設(shè)計(jì)要求，優(yōu)化結(jié)果：X1：總寬度250mm，X2：厚度1.2mm。

表7 因子試驗(yàn)計(jì)劃表

圖14 魚(yú)叉組合閥組件計(jì)算結(jié)果

1.5 驗(yàn)證階段

驗(yàn)證階段通過(guò)魚(yú)叉組合閥功能、性能試驗(yàn)及環(huán)境性試驗(yàn)，魚(yú)叉液壓系統(tǒng)試驗(yàn)以及直升機(jī)機(jī)上試驗(yàn)，魚(yú)叉組合閥集成方案滿足設(shè)計(jì)要求，魚(yú)叉收放試驗(yàn)結(jié)果如表8所示。

2 總結(jié)

項(xiàng)目目標(biāo)達(dá)成情況：

表8 魚(yú)叉收放試驗(yàn)結(jié)果

1) 重量減少4.35Kg；

2) 可靠性滿足要求。

本項(xiàng)目成功優(yōu)化了直升機(jī)魚(yú)叉液壓系統(tǒng)，同時(shí)滿足了可靠性與性能指標(biāo)。DFSS方法改變了以往設(shè)計(jì)人員單靠個(gè)人經(jīng)驗(yàn)的慣性設(shè)計(jì)思維，使之轉(zhuǎn)變?yōu)樗伎夹偷膱F(tuán)隊(duì)專業(yè)設(shè)計(jì)思維。DFSS從I、C、D、O階段一直到項(xiàng)目的驗(yàn)證階段，都規(guī)定了需要思考并需定性和定量表達(dá)的內(nèi)容。DFSS過(guò)程中，通過(guò)一系列工具和方法，量化各階段的參數(shù)的重要性，然后對(duì)重要參數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化和驗(yàn)證。