運用產品設計質量工程技術提升航空發動機質量

徐俊恩

（中航工業航空動力機械研究所，湖南 株洲 412002）

據統計，航空發動機質量問題中75%是在產品設計開發階段產生的，通常情況下，80%的質量問題的發現與糾正，是在制造和使用階段。同樣一個質量問題在航空發動機研制各階段的影響是不同的，由此產生的質量損失是成幾何級數增加的。假如某個質量問題在設計階段被發現，采取糾正措施的代價是1元錢的話，那么在生產階段糾正的代價可能就是100元，在外場使用中（發生質量事故）糾正該問題的代價可能就是100 000元甚至數百萬元，如果設計不完善，存在重大缺陷，造成方案顛覆，就會在經濟上造成巨大損失。因此，航空發動機的設計開發質量是產品質量保證的基礎，必須應用系統的技術和方法在設計階段將產品符合性和適用性的質量特性設計出來，從而確保航空發動機全壽命周期內質量的穩定性和可靠性。

1 傳統航空發動機設計與質量控制存在的問題

傳統的航空發動機設計過程的質量管理活動主要是為了確保設計過程按照確定的程序進行，對于保證產品設計質量是必要的，但很被動，無法解決目前航空發動機設計開發中存在如下問題：

1.1 設計開發前期對發動機的定義不完善

航空發動機的質量不是表現在某一個局部或某幾個具體的技術指標上，而是通過性能、功能、可靠性、維修性、保障性、安全性、經濟性、環保性、適應性、時間性等一系列相互影響、相互制約的特性來體現。目前在發動機研制過程中存在對用戶需求了解不準確、不全面，對發動機多維質量特性認識不夠，出現對發動機定義不準確或不完善，不能滿足用戶的需求，導致在研制過程各階段都會出現大量的反復修改和重新驗證，既費錢、又費時間，還給組織帶來不良的社會影響。

1.2 發動機設計過程缺乏系統的設計質量工程技術支持

目前，航空發動機行業的研發組織都實現了“甩圖板”工作，對于發動機可靠性設計、健壯設計、產品質量功能展開、試驗設計等設計質量工程技術的應用卻很薄弱，在進行產品設計時，通常在已有零部件圖樣的基礎上進行參考設計，這樣設計的產品其可靠性、安全性、適應性等很難滿足發動機的使用要求，產品設計過程缺乏系統的方法和技術支持。

1.3 設計工作對發動機制造和使用環境下的質量影響考慮不足

設計開發人員通常比較專注于設計開發階段本身技術層面的工作，沒有或很少考慮工藝、設備、材料、使用環境等對產品質量特性的影響，在后續制造、使用過程中造成大量設計更改，影響研制周期和用戶使用。

1.4 符合性質量控制下的發動機質量不能完全滿足用戶的需求

航空發動機的質量是以適用性和符合性兩個層次構成的多維質量特性來體現。傳統的符合性的質量控制是以發動機技術規范、設計圖樣、驗收技術條件等設計階段的輸出作為質量控制的依據和標準，對設計工作本身的質量無法控制，只能表征其“符合性”，也就是發動機的固有質量，而不能表征其“適用性”，也就是不能滿足用戶動態的需求，如在各種環境下發動機性能的穩定性等。

如何改善航空發動機的設計質量，從而保持航空發動機全壽命周期的質量特性呢？在航空發動機設計過程中系統運用產品設計質量工程技術是從根本上有效提升航空發動機設計質量的關鍵。

2 產品質量工程

2.1 產品質量工程的定義

日本質量管理專家Taguchi（田口玄一）認為，質量工程（Quality Engineering簡稱QE）是用于改善產品性能、減小因各種干擾（包括內部和外部環境干擾以及制造過程處于非理想狀態造成的干擾），而對產品性能發生變化的技術。美國國家標準與技術研究所（NIST）及500多個工業界、學術界及政府部門參加的“下一代制造（Next Generation Manufacturing）”項目對質量工程的界定是：質量工程是將現代質量管理的理論及其實踐，與現代科學和工程技術相結合，以控制、保證和改進產品質量為目標的一系列方法和技術的總稱。因此，質量工程是一個融合管理與工程技術最新成果的交叉領域。

2.2 質量工程的發展

質量工程的發展經歷了質量檢驗階段、統計質量控制（SQC）階段和全面質量管理（TQM）階段。在全面質量管理的發展下，質量工程的有關技術和方法得到迅速發展。如在20世紀80年代出現的以用戶需求為依據開發產品的系統方法——質量功能展開（QFD）方法，在工業發達國家得到廣泛應用，獲得巨大的經濟效益和社會效益；健壯設計、可靠性設計、實驗設計、故障模式和影響分析（FMEA）及失效樹分析（FTA）等產品設計質量工程技術在產品設計階段的迅速發展和推廣應用，從而使以預防為主的事先控制，由產品制造階段延伸到產品設計階段；并行工程的應用，使產品開發人員從一開始就考慮到從概念形成到產品報廢的產品全生命周期中的所有因素，包括質量、成本、進度和用戶需求等；進入20世紀90年代以后，大批量定制（Mass Cus—tomization）、敏捷制造（Agile Manufacturing）、適時生產（Just in time）、精益制造（Lean Production）等技術不斷涌現，使質量工程技術得到進一步發展。

2.3 產品設計質量工程

產品設計質量工程所涉及的方法和工具可以分為3類：質量規劃工具、質量設計工具及質量驗證工具（見圖1）。

2.3.1 質量規劃工具

質量規劃工具主要包括以用戶需求為依據開發產品的系統方法——質量功能展開（Quality Function Deployment 簡稱QFD）和以解決質量問題為主的質量改進工具。

2.3.1.1 質量功能展開（QFD）

質量功能展開（QFD）是把用戶（用戶、使用方）對產品的需求進行多層次的演繹分析，轉化為產品的設計要求、零部件特性、工藝要求、生產要求的質量策劃、分析、評估的工具，可用來指導產品的穩健設計和質量保證。QFD是準確定義產品的較好的技術和方法之一。其作用包括如下幾個方面：

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

● 在產品開發的全過程傳遞用戶的需求，有助于改進企業不同部門之間的協作和聯系，打破部門之間的管理、技術與信息交流壁壘，促進并行工程的開展，縮短產品研制與開發周期。

● 盡早明確開發設計目標，有助于提前考慮產品的生產或制造方法，有效地減少后期的設計更改，提高產品的先天設計質量與可靠性，降低設計風險，從而使新開發的產品（包括相應的工藝及生產過程）乃至整個企業更具競爭優勢。

● 在產品開發的早期進行低成本設計，有助于降低企業的管理費用。同時，通過突顯與產品設計有關的主要技術與管理問題，有助于優化企業資源的展開效率，顯著提升企業的質量競爭能力。

● QFD技術的深入應用還能為企業開展諸如實驗設計、故障模式與影響分析、故障樹分析以及統計過程控制（SPC）等其他方面的質量管理與質量改進工作提供有益的質量信息。此外， QFD技術還是進行六西格瑪設計（DFSS）的重要支撐工具，能夠幫助企業顯著改善其產品與過程性能，從而實現其六西格瑪改進計劃。

2.3.1.2 質量改進工具

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

表1 不同階段質量改進工具和技術一覽表

2.3.2 質量設計工具

質量設計工具主要包括可靠性設計、健壯性設計、質量設計優化技術及實驗設計（Design Of Experiment，DOE）等。

2.3.2.1 可靠性設計

可靠性設計是指在遵循系統設計規范的基礎上，采用專門的技術和方法，運用可靠性原理將可靠性設計到系統中去。目的就是在綜合考慮產品的性能、可靠性、費用和時間等因素的基礎上，通過采用相應的設計技術，使產品符合所規定的可靠性要求。

可靠性定性設計要求包括：制定和貫徹型號發動機可靠性設計準則；開展簡化設計和單元體設計，余度設計，降額設計，防錯設計，確定關鍵件和重要件，環境防護設計，包裝、裝卸、運輸、儲存等設計，采用工程保證、生產質量保證等措施?？煽啃远ㄐ苑治鲆蟀ǎ汗收夏Ｊ胶陀绊懛治觯‵MEA）；故障模式、影響及危害性分析（FMECA）；故障樹分析（FTA）；區域安全性分析等。

可靠性定量設計要求是指選擇和確定產品的可靠性參數、指標以及驗證時機和驗證方法，以便在設計、生產、試驗驗證、使用過程中用量化方法來評價或驗證發動機的可靠性水平。可靠性指標是可靠性參數要求的量值。

2.3.2.2 健壯性設計

所謂健壯性是指產品抵抗由于制造和使用過程中環境因素，或由于在規定壽命內材料或結構發生老化和變質而引起質量特性波動的能力。健壯性設計是一種把質量與可靠性設計到產品中去的先進設計思想和設計方法，它的目的就是使產品具有健壯性，對于內外各種干擾因素的影響不敏感，具有很強的抵抗能力，在規定的時間內和規定的條件下均能正常工作。

2.3.2.3 產品設計優化技術

產品質量設計是一個系統的多變量、多目標優化過程，即從提出設計要求（輸入）開始，經過一系列設計工作（轉換），且到產品定型鑒定形成成套技術文件（輸出）的系統過程。按照系統工程原理，運用質量設計優化技術的線性規劃和目標規劃模型、隨機模型法等方法，實現質量特征的優化，對設計要求、邊界條件、時間、空間和資源的限制進行綜合和權衡。

2.3.2.4 實驗設計

實驗設計是以概率論、數理統計和線性代數為基礎，科學地安排實驗方案，正確地分析實驗結果的一種多因素選優方法。實驗設計的方法很多，其中正交實驗設計是一種簡便易行、行之有效的實驗設計方法，它利用一種規格化的表——“正交表”，科學的選擇試驗條件、分析試驗結果。特點是可以考慮多因素、多指標的選優問題；試驗周期短，效率高；方法簡易、規范。

2.3.3 質量驗證工具

質量驗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）是一項基本的可靠性設計分析方法，也是其他故障分析技術的基礎。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故障，其中有些故障可以用少量的設計更改予以消除。能夠幫助研究人員準確地分析產品故障對系統工作所產生的后果，并按照嚴酷度指標對每一潛在故障模式進行歸類，從而獲得制定設計、工藝改進和使用補償措施的依據。故障模式、影響及危害性分析（FMECA），是在FMEA的基礎上再增加一層任務，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，FMECA可以看作是FMEA的一種擴展與深化。

故障樹分析法（FTA）是通過對可能造成產品（或過程）故障的硬件、軟件、環境或人為因素等進行分析，畫出故障樹，從而確定產品（或過程）故障原因的各種可能組合方式和／或其發生概率的一種分析技術。故障樹分析能夠幫助研究人員發現潛在的故障，揭露設計（或使用與維修中）的薄弱環節以便改進設計（或改進使用與維修方案）。

3 設計質量工程支持的航空發動機設計流程

航空發動機的設計過程一般分為戰術技術指標論證、方案論證、初步設計、詳細設計4個階段，為了控制航空發動機設計質量，必須在設計過程中按照一定的設計質量工程方法和程序，最大限度地使用戶需求和質量特征在各個設計階段的合理實現。圖2為航空發動機設計過程各階段質量工程技術和方法對應流程。

圖2 航空發動機設計過程各階段質量工程技術和方法

通過在航空發動機設計過程的不同階段綜合運用設計質量工程技術和方法，第一可以全面準確的確認用戶的要求，做好發動機的定義；第二可以將質量真正“設計”到發動機中，使發動機在環境因素的影響下依然能具有最佳的質量特征，提高產品質量的“穩定性”和“適用性”；第三可以縮短研制周期，節約費用，減少或避免發動機在制造和使用維護階段的質量風險；第四可以將設計質量工程技術和方法的應用作為提高和改進航空發動機質量的長效機制，規范到發動機的設計流程和設計規范中，真正轉變由事后質量控制到事前質量預防，徹底避免在后續制造、使用過程中造成大量設計更改，影響研制周期和用戶使用等問題。

[1] 健壯設計手冊編委會編著.健壯設計手冊.國防工業出版社，2002，9.

[2] 林志航主編.產品設計與制造質量工程[M].北京：機械工業出版社，2005，3.

[3] 曾聲奎等編著.系統可靠性設計分析教程[M].北京：航空航天大學出版社，2001，1.

[4] 韓之俊，許前編著.質量管理[M].北京：科學出版社，2003，3.