面向航空發動機裝配和使用過程的防錯設計研究

馬東陽，鄧增君

（中國航發湖南動力機械研究所，湖南 株洲412002）

0 引言

在航空發動機的裝配和使用環節，會產生一些由人為差錯引起的產品缺陷，這些缺陷在飛行過程中造成的后果通常極為嚴重[1]。這些缺陷表面上看是由于操作不當、檢驗不嚴甚至工藝不完善等問題引起的，而深層次的原因往往是：設計上考慮不周，未有效杜絕人為差錯發生的隱患[2-3]。例如，某發動機輔助安裝節裝反，飛機總裝時無法正常裝配，盡管設計圖上有前后安裝標識，但不明顯，正反均可安裝，難以避免裝反；某機型發生雙發停車故障，原因是纖維堵塞濾網，工業部門認為原因是維護不到位，而用戶則認為是設計或制造不合理，導致維護要求過多。

近年來，航空發動機的研制全面走向自主設計。區別于過去的測仿研制過程，設計方案的合理性將更多地依賴設計團隊對產品及其全壽命周期內各項工作的理解程度，這要求設計人員能夠主動識別后續過程的風險，并制定應對措施[4]。其中，對航空發動機裝配和使用過程中的人為差錯這類影響程度極高的風險，應采取消除風險源的方式，徹底杜絕其發生的可能性[5]。而在設計時面向裝配和使用環節采取防錯設計措施，正是一種從源頭避免人為差錯發生的方式[6]。

1 面向裝配和使用過程的防錯設計需求

作為一個復雜系統，航空發動機裝配和使用過程的質量受人為因素的影響較大，主要表現為：

（1）航空發動機結構復雜，零件多，精度高，裝配工藝繁雜，而國內許多航空發動機的裝配又采用手工模式，錯裝、漏裝現象時有發生；

（2）當前航空發動機型號較多，一般采用小批量生產方式，對于眾多的型號，尤其是一些新研發動機，前期裝配工藝不太成熟，且專用工裝難以在短期內配備齊全；

（3）由于其多系統耦合、且出動頻率高的特點，航空發動機的維護頻率較高，且由于減重的需要，飛機及發動機的結構非常緊湊，導致維護工作有一定難度；

（4）航空發動機的安全性要求較高，對操作的限制較多；

（5）作為飛行平臺的一部分，航空發動機會受到來自外部環境和飛機其他系統的非預期影響。

正是由于航空發動機的裝配和使用過程存在上述特點，相比在裝配和使用時補充采取的防錯裝置及措施，設計人員采取的防錯設計更能滿足產品全壽命周期各個階段的需要，且成本更低。

制冷系統和配電系統是數據中心中能源消耗最大的兩個系統，相對于這兩個系統而言，其他系統或設備如消防、監控、環境照明等的耗電量幾乎可忽略。因此，可推導出以下近似公式：

2 面向裝配和使用過程的防錯設計方法

根據航空發動機的結構特點和使用需求，通過具體分析航空發動機裝配和使用過程中的差錯預防需求，認為航空發動機的防錯設計應重點考慮的要求有：裝配位置的唯一性；裝配方向的唯一性；減少裝配難度；減少維護難度；防止使用中的錯誤；減少故障的影響。下面將根據上述要求，介紹具體的防錯設計方法和相應的典型案例。

2.1 裝配位置的唯一性

1）差異放大：如果相似零（部）件無法通用，就應該放大這些零部件之間的差異性，可使其長度、直徑或寬度明顯不同，導致錯誤的零件無法裝入，也可以使用異型結構以便于區分，如在類似的墊片上設置缺口。

2）干涉限位：如對相似零（部）件設置大小不同或者角度不同的定位槽（銷）。

3）避免形似神不似：避免使用不同材料相同尺寸的零件，如螺釘。

4）接口區分：不同電纜或管路的接口不同并且物理干涉，見圖1。

圖1 主副燃油管路的接口防錯設計

5）顏色區分：不同零（部）件涂上不同的顏色，使其變得醒目而易于區別，但只能作為不能實施物理防錯情況下的備用方案。

2.2 裝配方向的唯一性

1）非對稱設計：放大零件兩邊的差異使其完全不對稱，如將靜子組件和機匣的前端設計成較小的直徑，使靜子組件只能由后端裝入機匣，見圖2。

圖2 靜子組件裝配方向的防錯設計

2）完全對稱設計：讓零件沒有方向性，正反裝配均可。

3）有角度位置的零件應有角度限位，并且防轉。如為了保證兩個機匣不發生錯位，通過周向非均布的螺栓孔及角向定位銷釘達到防錯的目的。機匣間裝配角度的防錯設計如圖3所示。

圖3 機匣間裝配角度的防錯設計

2.3 減少裝配難度

1）單元設計思想，減少系統的復雜程度，對不同單元體分別裝配、檢測與調試，化整為零，化復雜為簡單。

2）工具可達性好，工具能夠可達、可視，最好能使用氣動等先進的自動工具，且裝配后可測量，不能依賴工人感覺判斷。

2.4 減少維護難度

1）工具的種類應該少并且系列化，包括扳手、檢查設備、清洗設備等，如T700系列發動機要求外場維護中使用的扳手應少于十把。

2）工具可達性應該好，人工維護檢查項目不能太多，日檢、周檢、月檢等檢查要求應合理安排，否則容易導致用戶犯錯。

2.5 防止使用中的錯誤

1）自動回復到正確位置，如某型發動機的超轉模塊，以及內燃機的離心超轉斷油限速開關，均是先斷油，使轉速恢復至合理范圍后又重新噴油。

2）物理措施保護，如開關位置防誤碰采用凹槽、隔板、翻蓋等措施。

3）保險裝置，如需要雙發斷油時，雙手必須同時按操作鈕，才能執行工作。

4）提高自動化程度，減少人工因素和勞動強度，如飛機自動駕駛。

5）規范人的使用行為，可采用虛擬仿真、模擬駕駛艙提高操作規范程度，同時還可以針對駕駛過程中的人為因素，設計監視裝置，如民航1997年發布了一項安全管理適航指令，要求所有飛機加裝快速存取記錄器，使每個飛行日的數據可以快速導出，并加載到飛行模擬器中檢查有無違章行為，民航將無后果違章等同事故處罰，人為因素的違章行為急劇下降。

2.6 減少故障的影響

1）外場可更換單元設計，所有容易損壞的零部件應該能夠現場修復或者在現場快速更換。

2）強制自檢設計，如在控制系統中設置檢測模塊查找損壞元器件。

3）余度設計，如設置應急噴嘴、滑油應急旁通、控制系統雙通道四余度等，問題即使發生在短期內也不會影響使用。

4）包容性設計，機匣將高速破裂的零件包在發動機內，可以避免造成機毀人亡。

3 結束語

總結了航空發動機裝配和使用過程質量受人為因素影響較大的原因，論證了從設計源頭實施防錯設計的必要性和重要性。面向裝配和使用過程，歸納了防錯設計要求及實現的方法，并給出了典型案例。

防錯設計是航空發動機設計工作的一部分，與設計方案應該同策劃、同實施、同檢查。在航空發動機的方案設計及工程設計中，均可參照本文提出型號的防錯設計要求及可采用的方法，并組織各專業開展防錯設計分析并形成專題報告，推進航空發動機的防錯設計工作。