運用系統工程方法進行航空發動機單元化布局設計

雷凱淞，王云龍

（中國航空規劃設計研究總院有限公司，北京 100120）

1 前言

隨著我國工業技術的持續發展，自20世紀80年代開始，我國的航空發動機國產化進度便逐漸加快，基本具備了獨立自主設計、生產、試驗的能力。進入21世紀以來，我國的航空發動機更是趁熱打鐵，已經在多個領域獲得了令人矚目的關鍵突破。

然而，隨著現代高性能航空發動機的各類苛刻要求，加之我國近年來對發動機數量和種類的急需，導致的發動機產研任務提升，國內軍工企業面臨著精細化生產的挑戰，在這點上，我們仍與歐美國家存在較大差距，其中：（1）組織模式問題。組織模式仍然是“大而全”的模式。（2）專業化程度低。大部分附加值低的零件自制，導致專業化程度低，先進制造水平很難提升。（3）生產線布局不夠精益。當前，國內航空發動機生產線對精細化生產和良率控制仍有提升的空間。（4）生產效率低。由于組織模式、管理水平等方面落后，導致產品供貨周期長，庫存占用巨大，質量問題多，返工或報廢率高，生產效率低下。

因此，針對航空發動機零件批生產，本文運用系統工程方法論研究單元化設計方法，以促進航發制造業推進精益制造的效果，對航空發動機的工業生產具有一定的指導價值。

2 航空發動機生產組織模式

我國航空發動機制造企業既屬于軍工行業，也屬于機械制造行業，它既要兼顧軍工系統的指令性要求，保障國家軍事系統的武器裝備需求，同時，作為市場化的企業也要受市場規律的影響。

通過調研國外航空發動機制造企業的發展模式，發現國外航空發動機企業都不是單一主營業務的發展思維。我國航空發動機各主機廠也呈現多元化發展態勢，承擔的產品不僅有軍工型號產品，還有民機轉包產品，甚至非航產品。

下面從軍工型號產品、民機/轉包產品、非航產品3個方面來進行分析。

2.1 軍工型號產品

目前，我國航空發動機制造企業生產管理水平較發達國家仍有較大差距，多數為科研試制與批生產混線生產，一方面，科研試制產品工藝不確定，需要長時間的技術摸索和工藝研究，占機時間長，加工過程反復多；另一方面，批生產工藝流程相對固定，加工質量相對穩定度高，部分零件如葉片，具有一定的節拍性。混線生產狀態下，科研試制不能固定設備進行加工參數摸索，成批生產的生產計劃被科研試制打亂，不能穩定生產，兩者互相掣肘。在生產線規劃設計時，盡量分線重組。

科研試制部分的生產模式應分為兩部分，一部分為工藝技術研究，用于新材料的工藝性能參數的確定，該部分不涉及生產綱領和具體零組件，主要為后續加工提供基礎數據，因此，該部分宜采用基于成組技術的生產組織模式，設備單元化布置與現場辦公相對集中；另一部分為科研試制，用于新結構、新工藝的試制生產，由于工藝流程的不確定性，該部分宜采用基于敏捷制造技術的生產組織模式，不以物流路線最小化為原則，而更注重于設備間的可重構性。

批生產部分的生產模式宜采用基于成組技術的生產組織模式，車間布置按產品結構、工藝的相似性分類成族/組，然后按族/組擬定成組工藝規程、選擇制造資源、布置生產單元。隨著航空發動機的研制生產，軍方采購國產航空發動機的數量逐漸增加，軍機批生產會進入單件中批量的生產規模，這個階段宜采用基于精益加工單元生產的生產組織模式。

2.2 民機/轉包產品

這里的民機指的是現有的航空發動機制造企業分包國產民用航空發動機部分零組件的加工裝配任務。民機/轉包產品在一段時間內與軍工型號產品屬于同一種狀態，即單件小批量狀態。這個階段宜采用基于成組技術的生產組織模式。

但隨著民機的逐步發展，產品零件的工藝相對固定，對生產線的柔性化要求逐漸降低，而向著專業化轉移，這個階段宜采用基于精益生產技術的生產組織模式。這個階段轉包產品依然存在，且仍屬于單件小批量狀態，訂貨周期相對不穩定；民機則屬于多件大批量狀態，訂貨相對穩定；但兩者的質量要求、技術控制要求基本一致，工藝流程都較為固定，不存在長時間占用設備的情況。無論從企業收益的角度出發，還是從技術學習儲備的角度出發，將轉包產品單獨建線的必要性不足，較為可行的方法是并線生產，提升企業管理水平，將批生產線與敏捷制造系統結合。

2.3 非航產品

非航產品目前主要為航改燃機，尚處于研制階段。由于航改燃機為航空發動機的衍生品，需待航空發動機研發技術逐漸成熟后才能實現穩定生產，因此，在相當一段時間內仍將處于小批研制階段，宜采用基于成組布置的生產模式。見表1。

表1 航空發動機制造企業生產模式

機的制造是典型的離散型制造，其產品零件結構和工藝特點決定了并不是所有零件的加工都適合采用自動化或數字化柔性生產線的模式，仍有大部分零件由于其結構復雜、工藝復雜、工藝穩定性和集成度低，以及產量較低的特點采用精益單元的模式更為適合。另外，受制于目前工藝技術和系統集成技術，系統集成后的自動化生產線柔性較低也是制約航空發動機制造采用專業化成套生產模式（即采用自動化生產線）的重要因素。

因此，目前大部分航空發動機的制造仍然采用精益生產模式，面對復雜的結構與高精度的要求，完成航空發動機的制造需要依賴多單元協作。

3 系統工程模型及方法論

基于模型的系統工程（MBSE）是目前工業界比較關注的熱點領域，在國外航空航天等領域已經得到了廣泛的應用。近年來，我國航空、航發領域也引入了MBSE方法論進行試點，其結構化的、建模化的需求、性能以及快速響應能力，使得其可以為設計、生產到驗證的全過程提供充分的輔助和指導，其建模語言、建模思路和建模工具相較于傳統系統工程（TSE）在系統模型的集成化程度和可執行程度有大幅度提高。

Harmony-SE是IBM公司推出的一套方法論，多用于系統、軟件的開發，其通過3個互不交叉的過程來描述整個開發過程，如圖1所示。

圖1 IBM Harmony 系統工程V模型

4 航空發動機單元化布局設計技術體系構建

本文運用Harmony-SE的方法論來構建單元化布局設計技術體系（如圖2）。

圖2 單元化布局設計技術體系模型

將產品/工藝分析作為需求分析階段，對搜集的產品、工藝和生產數據資料進行分析和完善，轉化為下一階段可以識別的信息；將生產組織方式決策（P/Q分析）、生產規模確定作為系統功能分析階段，從而確定生產組織方式，選擇適合的生產線布局形式；確定生產組織方式后，將構建生產單元作為設計綜合階段，完成虛擬單元的構建。設計者在進行上述各階段工作時需運用設計經驗對設計結果進行匹配，并擴充知識庫。此部分為單元化設計的第一步，即產品族分類與單元構建。

在完成單元構建后，形成固定的單元構建基線作為系統框架基線，作為后續工作的基礎條件。

將單元內布局和單元間布局類比為軟件分析和軟件實現階段，初步完成工藝布局的設計；將單元內物流仿真類比為部件集成&測試階段，通過單元內物流仿真修正單元內布局；將單元間物流仿真類比為子系統集成&測試階段，通過仿真修正單元間布局。設計者在進行工藝布局設計和物流仿真過程中，也要運用廠房設計知識和經驗來完成。此部分為單元化設計的第二步，即單元化布局及物流仿真。

最終完成單元化布局設計輸出設計文件，包括工藝布局圖、設備表、專業需求等內容。

5 結語

本文首先對航空發動機生產組織模式進行詳細的調研和分析，從政治、經濟、技術、生產等多角度總結歸納了航空發動機的生產制造特點，從軍工型號產品、民機/轉包產品、非航產品分析了航空發動機的生產模式特點，從而根據航空發動機生產模式的發展及產品加工特點，提出了現階段仍采用單元化布局的客觀需求。其次，研究了美國國家標準與技術研究院（NIST）發布的《智能制造生態系統全景圖》和基于模型的系統工程Harmony-SE的方法論。最后，給出了本文研究的定位，并且基于Harmony-SE的方法論構建了單元化布局設計技術體系。