基于QFD及FMEA的艦船動力裝置設計質量改進模型構建方法及應用

王泰翔，劉金林，曾凡明，尹紅升

海軍工程大學動力工程學院，湖北武漢430033

0 引 言

艦船動力裝置的生產、裝配、使用、維護保養等一系列過程所產生的故障均與最初設計有關，70%以上的費用、性能和功能在設計階段就已確定。現代化作戰要求對艦船動力裝置性能提出了更高的設計要求，在現有設計方法中按照可靠性、維修性、保障性、測試性、安全性和環境適應性這6項指標進行設計評估［1］。“六性”的水平取決于設計，采用有效的方法進行質量和可靠性分析可以使動力裝置滿足設計需求并且減少故障的發生，對于提高艦船動力裝置的設計質量具有重要意義。周宏等［2-4］將質量功能展開（QFD）引入潛艇的總體研制、潛艇指揮自動化系統開發和艦船動力裝置概念設計，為其提供了可靠的質量依據。劉金林等［5］將QFD理論和創新問題解決理論（TRIZ）結合應用到了艦船動力裝置概念設計中，TRIZ理論的應用可以徹底消除系統沖突，獲得理想解決方法。曾凡明等［6］提出開展動力裝置多學科集成優化，能夠提高設計的質量。但是對于艦船動力裝置的可靠性設計并沒有進行針對性的研究，對于艦船動力裝置的可靠性提升和質量控制沒有提供理論支撐，由此提出將QFD與故障模式與影響分析（Failure Mode and Effect Analysis，FMEA）理論集成應用于艦船動力裝置設計。因此，從設計需求入手，通過一系列瀑布式展開的矩陣框圖進行權重計算和相關性分析，明確艦船動力裝置各個設計階段的質量控制依據，集中規劃艦船動力裝置質量設計和問題預防。

FMEA是一種分析潛在故障的可靠性分析方法，分析設計產品的故障原因、影響以及提出針對性措施以降低故障帶來的風險。本文將針對現有FMEA分析方法中的不足進行改進，提出基于QFD的分析評估方法，為風險評估提供系統性的集成理論，同時引入依賴型二元語義加權幾何平均算子，解決專家對于多屬性決策中不公平評價的影響。最后，以艦船軸系設計為例，驗證基于QFD的FMEA分析方法的有效性。

1 基于QFD的FMEA設計質量改進模型

QFD與FMEA是兩種質量管理工具。QFD主要從質量保證角度，將需求通過矩陣逐步轉換成各個過程的實施步驟或者產品的性能和屬性；FMEA主要從故障模式識別入手，分析故障原因、影響以及應對措施，可以進行預防性的分析，減少故障帶來的風險［7］。因此將QFD與FMEA分析方法進行集成，通過QFD分析得出工程措施、零部件、工藝方法的權重和相關關系，將其輸入FMEA模型從而分析列舉出所有失效模式，將質量重要度轉變成故障模式重要度，對風險優先系數（Risk Priority Number，RPN）進行修正，得出產品關鍵部分和薄弱環節，并提出預防措施。

RPN是最常用的評估故障模式風險的辦法，RPN值一般由故障的嚴重度（Severity，S）、發生率（Occurrence，O）和被檢測率（Detectability，D）的乘積得到，RPN值受到上述3個決策因子的影響，乘積越大危害性風險越大。馬彥輝等［8］將功能模型和FMEA相結合，通過功能建模分析故障模式，較好地解決了對大型復雜系統不能全面描述系統結構、功能、目標等問題。耿秀麗等［9］利用工藝FMEA與因果矩陣分析，根據RPN值評價零部組件生產檢驗點的設置，提出了改進措施建議。陳政平等［10］引入因果鏈分析故障模式，改進RPN計算方法，對機械隔膜計量泵制定了維修策略。

傳統RPN分析方法存在3個方面的不足。

1）RPN不連續。S，O，D這3個因子通常取1～10之間的整數，所以RPN取值范圍在1～1 000。RPN值實際只能取得其中12%的值，個別值之間的差值，如54與56的差值和56與70的差值，不能判斷有什么意義和區別。

2）RPN的重復性。RPN值是S，O，D因子的乘積，所以存在很多重復的RPN值，相同乘積的RPN值意義不一定相同，所以不應該同等對待。

3）RPN的靈敏度過高。S，O，D其中一個微小的變化對結果的影響都很大。這3個因子都是由專家打分，所以專家的偏見會對風險評估造成很大影響［9］。針對第2和第3點，曹嘉容等［11］利用二元語義和灰色關聯決策對FMEA分析方法進行改進，消除多粒度影響，消除S，O，D因子的相關性。針對上述第3點，古瑩奎等［12］利用TOPSIS理論進行屬性敏感度分析，使RPN具有良好的穩健性，減少主觀因素對決策結果的影響。王曉暾等［13］針對第1點，提出基于DLOWG算子將RPN的3個因子用語言變量來評價，對故障模式進行評估。

RPN作為危害性分析方法相對于危害性矩陣圖的最大特點是定量分析，對每種故障模式進行風險優先數排序，再通過相應措施避免風險發生。在改進的FMEA模型中，QFD為FMEA改進模型提供輸入因子以及相應權重，對FMEA輸出進行加權；引入依賴型二元語義加權幾何平均（DT-WGA）算子，以減少專家不平衡評價，降低RPN的靈敏度。

針對艦船動力裝置設計的特點，構建基于QFD的FMEA艦船動力裝置設計質量改進模型，如圖1所示。

圖1 基于QFD的FMEA改進模型Fig.1 FMEA improvement model based on QFD

2 模型相關算法

2.1 二元語義表述

對于一些不能明確定量的屬性進行評價，通常使用“差”、“中”、“好”和“非常好”等定性的評價詞。定性的評價不能直接進行定量計算，在集結和運算中每個人理解程度也不同，因此會造成決策信息丟失、結果不精確［14］。二元語義具有能夠解決復雜屬性評價和對事物認識不夠的特點。以（Si，αi）構成二元語義，其中Si表示語言評價集S 中第i個評價，αi∈［-0.5，0.5）表示集結或計算語言信息與最貼近的語言評價Si之差。

式中，round表示四舍五入。

符合下列性質：1）若 i＞j，則 Si＞Sj；2）若i+j=t，則neg（Si）=Sj，其中，neg為求補運算。

2.2 DT-WGA算子

基于WGA算子，提出DT-WGA算子。

2.3 基于QFD的FMEA風險分析方法

按照修正的RPN值進行排序，可以識別關鍵的故障模式，進而找出關鍵零部件、子系統和工藝方法。對零部件對應的工程措施RPN值求綜合屬性平均值，然后進行排序，風險值較大的，可以在選材、工藝方法、檢修規劃和日常維修保養等方面采取措施，降低風險值。基于QFD的FMEA風險分析方法流程如圖2所示。

圖2 基于QFD的FMEA風險分析方法流程Fig.2 FMEA risk analysis flow based on QFD

3 實例驗證

某型船舶軸系設計需選擇保證軸系正常運行的部件、工程措施和工藝方法。該軸系安裝的順序是準備工作、艉軸安裝、螺旋槳安裝、密封裝置安裝和油密實驗下水前安裝工程、主機吊裝、軸系對接、主機安裝、安裝中間軸承。根據已知任務需求以及船體設計的選定，通過專家組進行設計需求分析，然后通過對質量要素的展開得到工程措施。艦船軸系安裝設計需求質量屋如圖3所示。

根據質量屋的展開，得到工程措施的重要度。重要度最高的是推力軸及推力軸承的安裝，其次是推力中間軸與艉軸對中、中間軸軸承安裝、推力中間軸安裝等，軸系附件安裝相對不重要。軸承承載負荷以及軸傳遞動力和力矩，因此軸承和軸的安裝工作非常重要。

圖3 艦船軸系安裝設計需求質量屋Fig.3 The house of quality for marine shafting installation design requirement

求得工程措施的重要度后，專家組預先設定風險優先因子評價集SS，SO，SD，每種因子的評價集對應5種評價｛S1=E，S2=L，S3=M，S4=H，S5=VH｝。3個因子語言評價具體含義如表1所示。

表1 風險因子語言評價集Table 1 Language evaluation set of RPN factors

然后進行故障模式與影響分析，分析工程措施對應的故障模式，以及對嚴重度、發生率和被檢測率進行評價，并提出安裝過程中控制和預防措施。艦船軸系安裝過程FMEA表，如表2所示。

根據式（4）確定每種工程措施的風險因子S，O，D的權重：

利用式（6）的DT-WGA算子對故障模式 Fn的

表2 艦船軸系安裝過程的FMEA表Table 2 FMEA of shafting installation process

求得各故障模式的優先風險系數并對其進行排序，可得風險優先系數位于前10名的故障模式，即F10＞F15＞F9＞F4=F6=F14=F18＞F16=F17=F2等。可以看出，故障模式F10的風險最大，其次是F15和 F9等。但是故障模式 F4，F6，F14和 F18風險優先系數同樣大，這樣必須通過產生故障模式的工程措施的絕對權重ω’i進行加權。

重新對故障模式排序，可得 F10＞F9＞F15＞F14＞F4＞F2＞F6＞F18＞F16=F17。通過對于設計需求的分析來確定工程措施的權重，進而對故障模式風險分析進行修正，能夠進行準確的評估和排序。最終得到軸系安裝工藝質量控制表，指導技術人員和工人在工程中實踐，也為同型艦船動力裝置設計提供質量設計依據，如表3所示。

表3 軸系安裝工藝質量控制表Table 3 Quality control of shaft installation process

4 結 語

1）針對艦船動力裝置設計中提高安全性、可靠性指標性能的問題，將QFD與FMEA相結合，研究構建了基于QFD和FMEA的動力裝置設計質量改進模型；

2）針對模型中的相關算法提出了有效解決方案，主要包括提出基于DT-WGA算子的故障模式與影響分析評估方法，以及利用QFD求得的權重對故障模式與影響分析結果進行修正，最終通過風險排序對故障模式提出控制措施；

3）針對某推進軸系設計實際，開展算例研究，驗證了研究方法的有效性。

通過本文的研究，為艦船動力裝置設計質量改進及控制提供了新的理論和方法支撐，具有重要的理論意義和廣闊的應用前景。