基于航空發(fā)動機裝配測量的MSA研究與分析

祝世興 ，胡 興 ，郝 杰

（1.中國民航大學 航空工程學院，天津 300300；2.北京飛機維修工程有限公司，北京 100621）

在航空發(fā)動機大修的裝配環(huán)節(jié)，測量零件尺寸的工序極其廣泛，裝配質量的優(yōu)劣在很大程度上取決于所使用的數據的質量，而數據的獲取則是通過測量系統(tǒng)實現的。在對被測對象賦予數值的測量過程中，人員、儀器或量具、測量對象、操作方法和環(huán)境共同構成了測量系統(tǒng)[1-2]。測量系統(tǒng)分析MSA是AS9100航空航天質量管理體系中重要的測量過程控制技術，是指運用統(tǒng)計學的方法對測量系統(tǒng)的偏倚、線性、穩(wěn)定性、重復性和再現性5項變差指標進行評估，在合適的特性位置測量正確的參數，了解影響測量結果的變差組成及其比例，并確認測量系統(tǒng)是否符合工程需求[3]。

在影響產品質量特征值變異的6個基本質量因素（人、機、料、法、環(huán)、測）中，測量因素對工序質量特征值的影響獨立于其他5種因素綜合作用的工序過程，這就使得測量系統(tǒng)可進行單獨研究[4]。正確的測量是質量提升的第一步，如果沒有科學的測量系統(tǒng)評價方法，就會缺少對測量系統(tǒng)的有效控制，質量改進就失去了基本的前提。為此，實施MSA就成了企業(yè)實現持續(xù)質量改進的必經之路。基于上述考慮，本文選取航空發(fā)動機高壓轉子裝配中的尺寸測量過程，進行MSA研究，利用線性回歸和方差分析處理實際測量數據，再根據測量系統(tǒng)合格判定準則，確定測量系統(tǒng)的性能狀態(tài)。

1 測量系統(tǒng)分析概述

實施MSA的目的是分析測量系統(tǒng)的變差是否滿足要求，在測量系統(tǒng)各類變差中，偏倚、線性和穩(wěn)定性表征位置變差。偏倚（bias）是指測量過程的樣本均值與參考值之間的差異；線性（linearity）是指在測量設備的工作量程內，偏倚值的差異，可被視為在不同的量程上偏倚的變化；表征寬度變差的指標有重復性和再現性，重復性（repeatability）是指在確定的測量條件下由同一個操作者使用同樣的測量設備對同一零件進行多次測量的差異程度，它反映了測量系統(tǒng)自身的變異；再現性（reproducibility）是由不同的測量者使用相同的測量設備對同一零件進行測量所得的平均值的誤差[5]。

2 MSA應用實例

2.1 偏倚和線性分析

圖1所示為V2500-A5發(fā)動機的高壓渦輪1級轂。該高壓渦輪轂采用鎳單晶高溫合金，具有優(yōu)異的綜合性能。高壓渦輪轂的內側加工有微鍵槽，與高壓壓氣機后軸連接；端部的64處凸耳與外空氣封嚴盤配合，并有部分高壓壓氣機排出氣流從凸耳間流過；輪緣部分加工有榫槽，用于安裝高壓渦輪1級轉子葉片。

由V2500發(fā)動機手冊第72章高壓渦輪1級轂的相關內容可知，檢查章節(jié)SUBTASK 72-45-11-220-056/057要求在裝配前對圖2所示的幾處重要配合面尺寸進行測量并記錄，以確認該高壓渦輪轂是否可用，以及在裝配后計算配合尺寸。

圖1 V2500-A5發(fā)動機高壓渦輪1級轂Fig.1 V2500-A5 HPT stage 1 hub

圖2 高壓渦輪1級轂尺寸示意Fig.2 Dimension drawing of HPT stage 1 hub

由于高壓渦輪1級轂的結構較為復雜，且尺寸精度要求高，故采用三坐標測量機測量其尺寸。為驗證三坐標測量機的測量過程處于受控狀態(tài)，可通過MSA方法評估其技術狀態(tài)。高壓渦輪1級轂的1550、2246等5處尺寸在量程內合理分布，可由此進行偏倚和線性分析，每處尺寸沿周向各取20個點，記錄數據如表1所示。

以1501處的尺寸為樣本進行偏倚分析，測量數據分布的直方圖如圖3所示。

由直方圖可見，測量數據分布未見異常，進一步分析偏倚值，求出以下統(tǒng)計量，進行判斷，結果如表2所示。

對比P值與選定的顯著性水平α，由表2可知，P值大于顯著性水平0.05，根據t統(tǒng)計量計算顯著性水平下偏倚的置信區(qū)間[1]：

表1 V2500-A5發(fā)動機高壓渦輪1級轂測量結果Tab.1 Measurement data of V2500-A5 HPT stage 1 hub

圖3 測量數據直方圖Fig.3 Histogram of measurement data

表2 1501尺寸偏倚分析結果Tab.2 Bias analysis result of dimension 1501

求得置信區(qū)間為 （-0.01320，0.01450），可知0位于95%置信區(qū)間內，則認為偏倚是可接受的。同理對其他4處測量結果進行分析，偏倚均可接受。

進一步對測量數據運用Minitab軟件進行線性分析，求出量具的最佳回歸直線并對樣本標準偏差進行估計，統(tǒng)計量分析結果如表3所示。

表3 量具線性分析統(tǒng)計量Tab.3 Statistics of gage linearity analysis

圖4所示為測量結果的線性回歸分析圖，圖中繪出了平均偏倚值的回歸直線、95%置信區(qū)間帶和偏倚為0的水平線。

圖4 量具線性分析圖Fig.4 Diagram of gage linearity analysis

由表3的分析結果可知，測量結果的線性回歸擬合方程是 y（偏倚）=-0.001638+0.00000781x，斜率和截距接近0，且結合圖4可以看出，回歸直線和偏倚為0的水平線均位于95%置信區(qū)間帶中，說明測量系統(tǒng)的線性狀態(tài)良好，這也是較為理想的情形。但結果中決定系數偏小，說明線性模型可能不適合所采集的數據。

2.2 重復性和再現性分析

高壓渦輪2級轉子葉片需要由檢驗組測量某個尺寸，由于原廠長度各不相同，需逐個測量。由兩位檢驗員選擇15個葉片進行測量，取這批葉片原廠長度的平均值5.551作為參考值。每位檢驗員分別對每個葉片測量2次，記錄數據如表4所示。

由Minitab軟件對以上數據進行重復性和再現性分析，所得結論如圖5、圖6、表5、表6所示。

表4 高壓渦輪2級轉葉測量結果Tab.4 Measurement data of HPT stage 2 blade

圖5 變差分量百分比Fig.5 Percentage of SOV

表5 量具重復性和再現性的變差分量統(tǒng)計Tab.5 SOV statistics of gage repeatability and reproducibility

圖5所示的變差分量百分比圖表示各變差因素的貢獻百分比、研究變差百分比和公差百分比。表6所示為具體統(tǒng)計值。

圖6 測量結果均值、極差控制圖Fig.6 Mean and range control diagram of measurement data

表6 量具重復性和再現性分析標準差Tab.6 Standard diviation of gage repeatability and reproducibility

圖6為測量結果的均值和極差控制圖，通常組合使用。均值圖用于操作者之間的比較以及每個操作者與總體平均值的比較[3]，當圖中越多的點超出控制限，表明過程實際的波動越大，結合表5，部件間的百分研究變差達98%，說明隨機誤差為唯一變差來源。極差圖用來比較操作者之間的變差大小，數據點大多數應落在控制限以內，此外，控制限的寬度能反映重復性誤差的大小，控制限越寬，則重復性誤差越大，應從測量裝置或操作者本身分析問題來源。

結合圖5和表6結果可知，測量系統(tǒng)變差主要來源于零件間的差異，即原廠值差異較大。又由文獻[3]中測量系統(tǒng)合格判定標準可知，上述結果中量具重復性和再現性的百分研究變差為19.70%，位于10%～30%之間，且可區(qū)分類別數ndc=7>5，它反映了測量系統(tǒng)的分辨力[7]。綜上，測量系統(tǒng)是可以接受的。

3 結語

通過對三坐標測量機測量高壓渦輪1級轂的結果進行偏倚和線性分析后可知，測量儀器偏倚可控，線性狀態(tài)良好，但線性回歸結果的擬合優(yōu)度偏低，需進一步研究取樣方法對線性分析結果的影響。

利用均值極差法對高壓渦輪2級轉子葉片測量結果進行重復性和再現性分析，所得結果顯示變差主要來源于零件間，是由于該尺寸的原廠值存在較大的差異。量具R&R變差中重復性變差較高，需要操作者改善測量方法，注意測量過程的規(guī)范性。

通過MSA方法科學合理地分析測量系統(tǒng)的各項評估項目，為企業(yè)持續(xù)質量改進指明了新的方向，并能結合Minitab統(tǒng)計分析軟件進行MSA操作，直接解決實際問題，避免了手工方式進行統(tǒng)計分析計算費時費力、誤差較大和功能有限的缺點。軟件覆蓋了MSA的所有統(tǒng)計分析類型和其他統(tǒng)計學功能，并能繪制各種統(tǒng)計圖形，數據分析結果直觀形象，給MSA方法在生產現場的推廣帶來便利。

參考文獻：

[1]董雙財.測量系統(tǒng)分析：理論、方法和應用[M].北京：中國計量出版社，2006.

[2]Automotive Industry Action Group（AIAG）.Measurement Systems Analysis Reference Manual[S]，4th edition 2010.

[3]馬逢時.六西格瑪管理統(tǒng)計指南[M].中國人民大學出版社，2013.

[4]周波.測量系統(tǒng)分析在質量檢測中的應用[D].華北電力大學，2012.

[5]Dalalah D，Diabat A.Repeatability and reproducibility in med labs：a procedure to mea surement system analysis[J].Science Measurement&Technology Iet，2015，9（7）：826-835.

[6]李耀江，杜世昌.測量系統(tǒng)分析在品質控制中的運用[J].機械制造與自動化，2010，40（3）：54-55.

[7]李萬民.Minitab在連續(xù)型測量系統(tǒng)分析中的應用[J].工具技術，2014，48（12）：85-87.