發動機試驗效率提升精益技術研究與應用

丁金想DING Jin-xiang；石曉磊SHI Xiao-lei；謝委顏XIE Wei-yan；于光遠YU Guang-yuan

（①中國航空綜合技術研究所，北京 100028；②北京航協認證中心有限責任公司，北京 100028；③用友網絡科技股份有限公司，北京 100089；④招商局地產（北京）有限公司，北京 100022）

0 引言

航空發動機是一種典型的技術密集型產品，其具有研制周期長、技術難度大、耗費資金多等特點，除了需要很強的設計、加工和制造能力，還需要進行長期的試驗和試飛，只有經過設計、制造、試驗、修改設計、再制造、再試驗的反復摸索和迭代過程，才可能完全達到技術指標的要求，試驗是保證發動機質量、積累發動機研發知識和提升發動機競爭力的重要手段。因此，發動機試驗是發動機研制階段中的重要一環，它不僅用來檢驗發動機整體以及相關零部件的可靠性，同時還用來驗證發動機的性能是否達到了最初的設計指標，所以一臺發動機在成功量產前離不開大量的試驗。高效的發動機研發試驗，除了要有先進的試驗設施設備和專業的技術人員以外，試驗效率也是不可忽視的影響因素。

發動機試驗效率的高低關系到發動機研制進度和試驗系統運行成本，提升發動機試驗效率，對于有效縮短發動機研制周期、降低試驗成本具有重要意義。

1 概述

1.1 理論基礎

設備綜合效率（OEE）起源于上世紀六十年代的日本，作為推行全員生產維護TPM 的重要衡量指標，已經被越來越多的企業所應用[1-2]，其簡單、綜合性的優點能使企業迅速找到生產管理中設備效率損失的原因，并采取相關措施。如何根據試驗業務的特點，結合OEE 的描述方式，設計衡量試驗效率的綜合指標對于統一和規范試驗效率評價方式具有重要意義。

與傳統的制造過程相比，試驗過程面臨更多的復雜性和不確定性，不確定性是科研試驗任務的重要特征，主要包括兩類：試驗件到達的不確定以及試驗執行過程中的不確定性，這些特征使得試驗系統的計劃和調度問題更加難以處理，仿真優化是一種適合解決含有不確定性調度問題的有效方法[3-4]，目前在很多行業具有廣泛的應用，丁金想[5-6]等人研究了同樣包含很多不確定性因素的航空維修企業計劃和調度問題，在對航空維修企業調度問題詳細分析的基礎上，文章建立以最小化期望權重延誤時間為目標的仿真模型，并應用調度規則、NEH 和GA 三種啟發式算法對仿真模型進行求解，文章的結論也從不同角度給實際航空維修企業調度管理者提供決策參考。

對于作業流程優化，一般可采用經典工業工程[7]中的方法研究相關理念和方法，對整個流程進行分析和優化，運用各種分析技術對現有工作方法進行記錄、考察、分析和改進，設計出最經濟、合理、有效的工作方法，從而減少人員、機器的無效動作和資源的消耗，并使方法標準化。通過應用一系列的工具和方法（例如程序分析、操作分析、動作分析、關鍵路徑法、防錯法等），對工作方法進行分析、設計和改善，實現改進工藝流程、改進車間平面布置、減少勞動強度、改進資源利用效率、改善工作環境等目標。

1.2 應用研究

黃偉[8]研究了汽車發動機試驗效率提升的方法，文章通過對發動機試驗流程進行識別，對影響試驗效率的重要工作環節進行分析，通過應用發動機預備搭建、搭建工藝優化、自動試驗程序、集中監控、管理系統、運行數據分析、設備TPM 管理、試驗人員管理等手段系統提升了的試驗效率。譚眾[9]以某公司航空發動機試驗流程為研究對象，在系統診斷和分析的基礎上，探尋航空發動機試驗存在的主要問題，并通過優化試驗工藝流程、規范試驗作業、提升人員技術等方面工作，并對原有基層組織結構進行調整與優化，提高試驗中心的試車工作效率，降低試車試驗成本，提高航空發動機試驗的綜合效益。顯然，現有的研究更多關注的是如何縮短發動機占臺準備時間，而沒有關注空臺等待時間的降低。

1.3 研究亮點

本文首次提出衡量發動機試驗效率的綜合指標以及計算公式，并對影響試驗效率的關鍵因素進行定義；同時開展試驗件上下臺過程的梳理和分析，利用精益生產工具和技術方法進行優化，并將研究成果在相關企業進行實踐應用。

2 試驗效率指標設計

2.1 衡量效率的指標設計

目前，衡量試驗效率的指標主要有“年度發動機運轉時數”、“試驗有效率=發動機運轉時數/設備運行時數”、“上下臺時間”等，分析發現，這類指標存在局限性，并不能系統全面反應設備效率情況，關注的只是部分時間損失。OEE 是一個國際上公認的可以較為全面反映生產現場設備運行效率狀況的過程性管理指標，然而，直接使用OEE指標來衡量試驗的效率顯然不太合適，為此，我們結合試驗的特點和OEE 指標思想，對傳統的OEE 指標進行改進，并將改進后的衡量指標定義為OEE_T，其計算公式如下：

其中，可開動時間等于日歷工作時間與計劃停機時間之差，計劃停機時間主要是指按計劃維護保養時間。

2.2 影響效率的關鍵因素

從OEE_T 指標構成可以看出，影響試驗效率的因素主要由三部分組成，分別是占臺率、設備開動率和試驗有效率。占臺率描述的是是否被安排試驗件進行試驗，如果沒有被安排試驗件，或被安排的試驗件未按計劃到達，而導致必須空臺等待造成的時間損失，此外，占臺率也可反映設備因故障導致的時間損失。可見，占臺率的高低主要與試驗任務安排和設備維護保養相關。

設備開動率描述的是發動機占臺過程中設備有無運行，主要體現為發動機占臺準備時間的損失，事實上，發動機在試驗前必須經過較長時間的安裝和調試階段，這段時間往往算作的“內部作業時間”，我們統一稱為發動機的“上下臺時間”，設備開動率主要反映上下臺準備時間的損失。試驗有效率描述的是設備運行過程中發動機是否運轉，因包含很多不確定因素，且主要與科研試驗本身特點、發動機成熟度、試驗科目內容等相關，因此，不作為我們效率提升的研究對象。

3 上下臺效率提升精益技術研究

3.1 上下臺流程描述與分析

3.1.1 案例背景

上下臺過程的效率提升我們以某企業發動機試車臺為背景展開研究，詳細背景不在本文詳述。近年來，隨著航空發動機發展的加速，在研型號眾多，都對試驗提出了任務需求，進一步縮短發動機試驗周期、提高臺試驗能力、滿足不斷增長的試驗需求已經成為企業的關注重點。

3.1.2 上下臺流程描述

以臺為研究對象，對某型發動機上下臺全流程進行詳實的數據收集、時間觀察和作業測定，對上下臺流程進行梳理分析、顯性化。根據時間觀察數據，對上下臺每日工作按照專業內容、關鍵資源使用等情況進行劃分，繪制的試驗件上下臺過程主要內容如圖1 所示。

圖1 上下臺的一般流程

3.1.3 問題與現狀

在試驗件上下臺時間觀察過程中，因作業涉及到的人員、專業、操作方法及所使用的工具復雜繁多，本次時間觀察重點關注上下臺流程的關鍵路徑，此外，針對影響上下臺作業的關鍵資源也作為分析重點對象，如行車、運輸車等。根據對試驗件上下臺流程的時間觀察和梳理分析，對存在的主要問題分類匯總。

3.2 精益技術在效率提升中的應用

3.2.1 優化思路

以精益理念為指引，以提高試驗件上下臺效率縮短流程時間為目標，堅持“全流程審視，問題導向，分步實施，持續改進”的工作方針，以流程梳理為突破口，明確上下臺操作步驟和人員分工，合理配置資源，充分利用試驗作業空間開展并行作業；使用快速換型，減少占臺時間；依據動作經濟原則和人因工程學方法，減少操作者的疲勞，提高作業舒適度。

通過現場作業觀察，結合精益思想和IE 改善原則，對存在的問題給出相應的改善思路如圖2 所示。

圖2 問題與優化思路

3.2.2 改善提升措施

①落實試驗準備，縮短等待時間。

試驗準備是試驗件從合同簽訂到試驗件上臺、試驗開展、試驗件下臺的整個過程中，為了確保試驗件能夠按計劃順利進行上臺、試驗，保證試驗正常開展而進行的相關人員培訓、技術資料準備、設計改造及資源調配的準備活動，也可將該活動過程稱為試驗準備階段。

在本次試驗件上臺過程觀察中，多次發現工具錯拿、現場尋找工裝、臨時發現缺件等現象，主要原因是上臺準備階段沒有制定詳細工作清單或沒有嚴格按照準備工作清單開展準備工作，直到上臺過程中發現缺件、錯件等才采取措施應對，導致上臺工作存在等待時間浪費，因此，建議落實試驗準備工作，縮短過程等待時間。落實試驗準備工作，保障各類資源條件，實現上下臺過程“準時化”、“連續化”，縮短非增值的等待時間浪費。

②導入管理看板，實現流程透明。

管理看板是試驗過程管理可視化的一種表現形式，即對試驗過程進度、資源等狀況一目了然地表現，主要是對于試驗過程進行的透明化管理活動。

針對上下臺流程現狀，建議優先設計并構建上下臺作業進度管理看板，進一步對試驗全過程進行可視化設計。試驗準備計劃可以作為初階段主要可視化要素，并認真運行和維護，使得試驗準備進度透明化，保障調度員可以根據實際情況及時協調各類資源配置，進一步減少上下臺過程不確定因素及異常情況對整體周期和計劃執行的影響。

③推動目視管理，減少尋找時間。

目視管理是利用形象直觀而又色彩適宜的各種視覺感知信息來組織現場生產活動，達到減少差錯、提高勞動生產率的一種管理手段。目視管理以視覺信號為基本手段，以公開化為基本原則，盡可能地將管理者的要求和意圖讓大家都看得見，借以推動看得見的管理、自主管理、自我控制。

在本次試驗件上臺過程觀察中發現，現場目視管理元素很少，在切換過程中，流量管、主輔支架、排擴等工裝及各類測試管線的尋找和安裝均占用大量時間，原因之一是缺乏目視管理，如現場測量流量管關鍵尺寸確定合適的配套流量管、現場尋找外觀相似的試驗件配套主輔支架、現場查表確定外觀相似的測試線的連接頭和安裝位置等。因此，建議推動目視管理，減少尋找時間。

④實施并行作業，縮短關鍵路徑。

在上下臺全流程中，從上臺份試驗件下臺到本臺份試驗件上臺結束具有最大路徑長度（該路徑上的各個活動所持續的時間之和）的路徑稱為關鍵路徑，而關鍵路徑上的活動稱為關鍵活動，其中任何一個活動的延遲都會導致整個上下臺流程完成時間的延遲。

事實上，根據試驗件上下臺現場觀察記錄，在試驗艙空間大小、作業先后順序技術要求等限制無法改變的前提下，上下臺作業中關鍵活動仍然具備并行的可行性。因此，建議實施并行作業，縮短關鍵路徑，主要內容包括：新工裝的準備工作可以在切換前與其它工作并行開展；油門桿的安裝調試可以與飛附機匣的安裝調試工作并行開展；試驗件接收過程可以和準備工作并行開展。改善示例如圖3。

圖3 作業流程優化示例

⑤設計快換工裝，減少切換時間。

快換工裝指利用成組技術設計工裝或夾具，僅通過簡單調整、更換局部模塊或更換快換底板等方法就能滿足多種型號試驗件的安裝和拆卸。試驗件上下臺過程中，如果連續兩臺份試驗件差異較大，幾乎所有的工裝均需要切換，工裝的切換和安裝工作需要占用大量時間，并且勞動強度大，因此，建議設計快換工裝，減少切換時間。主要包括：專用吊具、輔助支架快速連接工裝、小型化快速測試模塊、預裝平臺等。

⑥明確關鍵資源，消除瓶頸制約。

關鍵資源的制約是導致試驗件上下臺流程時間長的重要原因之一。明確關鍵資源，對于消除瓶頸制約減少等待時間具有重要意義，試驗件上下臺過程中的關鍵制約資源主要有：運輸車、行車、起重機等。

⑦改善作業環境，降低勞動強度，提高安全系數。

試驗件上下臺過程中操作難度大、操作者體力消耗大，大量需要爬高、下蹲及彎腰完成的操作，以及緊固大螺釘的工作，容易導致工人疲勞以致效率低下。上下臺過程中操作者的動作主要可以分為吊裝、徒手搬運、定位、連接、緊固、綁扎，可以依據動作經濟原則和人因工程學方法進行改善，減少操作者的疲勞，提高工作效率。

3.2.3 應用效果分析

依據上下臺流程現狀，從改善效果和實施難度兩個維度對改善提升對策進行分析。流程優化優先改善內容和方向主要包括：改善作業環境、消除瓶頸資源、落實試驗準備等。從實踐結果來看，通過對上下臺流程進行優化改善，該發動機試驗臺試驗流程得到改善和優化提升，典型發動機的上下臺時間縮短了20%左右。

4 結論

設計試驗效率的衡量指標是統一和規范相關工作的基礎與前提，為了保證指標的有效性，作者參考當前國內外大型制造型企業常用的衡量設備綜合效率的OEE 指標，結合試驗業務的特點，首次提出衡量發動機試驗效率的綜合指標OEE_T 以及計算公式，并對影響試驗效率的關鍵因素進行定義，從OEE_T 指標構成可以看出，影響試驗效率的因素主要由三部分組成，分別是占臺率、設備開動率和試驗有效率，考慮到試驗有效率的高低主要與科研試驗本身特點、發動機成熟度、試驗科目內容等相關，不作為本次效率提升的研究對象，文章主要圍繞如何提高設備開動率方面展開研究。

在提高設備開動率方面，文章通過對上下臺過程進行梳理和優化，運用精益生產的工具和技術方法，進一步縮短發動機占臺準備時間。最后，本文的研究成果在某企業試驗臺進行驗證，實踐結果表明，該發動機試驗臺試驗流程得到改善和優化提升，典型發動機的上下臺時間縮短了20%左右，為其它發動機試驗企業的管理提升提供理論和實踐支持。