文 /胡雪明 程 雄 郝宗敏

一、民用機(jī)載產(chǎn)品研發(fā)現(xiàn)狀

開展民用飛機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，要求每個(gè)災(zāi)難性失效狀態(tài)的發(fā)生概率不超過1e-9/Fh[1]。對(duì)于實(shí)現(xiàn)這些關(guān)鍵飛機(jī)功能的設(shè)備，如舵機(jī)、泵和油箱等，都需定義其研制保證級(jí)別，分配設(shè)備失效概率（有時(shí)候需要達(dá)到或者小于1e-6/Fh，確保機(jī)載產(chǎn)品能安全地實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能。目前，國內(nèi)的機(jī)載產(chǎn)品研發(fā)流程源于軍機(jī)模式，顧客需求收集不全面，需求分析不深入，確定設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)的輸入過程不清晰，導(dǎo)致設(shè)計(jì)質(zhì)量難以控制，產(chǎn)品使用中時(shí)有外場故障出現(xiàn)。在產(chǎn)品研發(fā)的前期，全面收集顧客要求，將關(guān)鍵重要特性落實(shí)到實(shí)際設(shè)計(jì)和工藝中去，對(duì)于產(chǎn)品質(zhì)量提升尤為關(guān)鍵。相比已有的設(shè)計(jì)流程，六西格瑪設(shè)計(jì)（DFSS）在產(chǎn)品前期投入了很多資源，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有產(chǎn)品/流程的更新設(shè)計(jì)或者新產(chǎn)品/流程的初始設(shè)計(jì)，達(dá)到六西格瑪質(zhì)量水平，即DMPO（百萬機(jī)會(huì)缺陷數(shù)）出現(xiàn)3.4個(gè)缺陷。

在DFSS模型的基礎(chǔ)上，參考喬杜里的IDDOV（即：識(shí)別、定義、開發(fā)、優(yōu)化、設(shè)計(jì)與驗(yàn)證）模型，考慮民機(jī)機(jī)載產(chǎn)品的適航要求，建立了民機(jī)機(jī)載產(chǎn)品的研發(fā)流程，包括識(shí)別階段、定義階段、設(shè)計(jì)階段、優(yōu)化階段和驗(yàn)證階段。最后，以液壓油箱的研發(fā)流程為例進(jìn)行應(yīng)用研究，跟以前的研發(fā)流程相比，過程可追溯且流程顯性化，能夠主動(dòng)控制液壓油箱的研制質(zhì)量，降低研發(fā)過程中設(shè)計(jì)錯(cuò)誤的出現(xiàn)概率。

二、基于DFSS的民機(jī)機(jī)載產(chǎn)品研發(fā)過程

1. DFSS流程

DFSS流程在設(shè)計(jì)前期從顧客需求出發(fā)，采用系統(tǒng)化的工具和方法，實(shí)現(xiàn)突破性的六西格瑪質(zhì)量目標(biāo)。DFSS的工作內(nèi)容：在識(shí)別階段尋找市場機(jī)會(huì)，識(shí)別顧客需求，擬定項(xiàng)目特許任務(wù)書；在定義階段確定并展開顧客需求，對(duì)產(chǎn)品總體設(shè)計(jì)方案進(jìn)行論證；在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，開展全尺寸樣機(jī)的設(shè)計(jì)，進(jìn)行過程設(shè)計(jì)和樣機(jī)的試制；在優(yōu)化階段優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)和過程設(shè)計(jì)；在驗(yàn)證階段驗(yàn)證設(shè)計(jì)質(zhì)量、驗(yàn)證過程質(zhì)量并且驗(yàn)證產(chǎn)品。

2. 民機(jī)機(jī)載產(chǎn)品研發(fā)的要求

民機(jī)機(jī)載產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造和使用過程有一套全壽命周期的適航審定要求[2]。對(duì)于研制保證級(jí)別為A級(jí)和B級(jí)的設(shè)備，RTCA/DO-254:2000《機(jī)載電子硬件設(shè)計(jì)保證指南》（以下簡稱“DO-254”）要求從需求獲取、概要設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)過程和產(chǎn)品轉(zhuǎn)化這五個(gè)階段證明其設(shè)備研發(fā)過程符合其認(rèn)證要求 。

DFSS的目標(biāo)是DPMO為3.4個(gè)缺陷，DO-254要求降低硬件設(shè)計(jì)錯(cuò)誤發(fā)生的概率，兩者的目標(biāo)是一致的。DO-254標(biāo)準(zhǔn)給出了大體的硬件設(shè)計(jì)五個(gè)步驟，未提出詳細(xì)的實(shí)現(xiàn)過程和工具方法；IDDOV流程給出了五個(gè)階段，其中需求獲取和識(shí)別階段工作內(nèi)容都是收集整理顧客需求，概要設(shè)計(jì)和定義階段主要內(nèi)容都是確定產(chǎn)品方案并整理產(chǎn)品功能，詳細(xì)設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)階段工作內(nèi)容都是落實(shí)功能要求，開展具體參數(shù)設(shè)計(jì)。DO-254中實(shí)現(xiàn)過程使用詳細(xì)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)來產(chǎn)生硬件項(xiàng)目，而IDDOV流程中的優(yōu)化階段則關(guān)注產(chǎn)品設(shè)計(jì)和過程設(shè)計(jì)的優(yōu)化，兩者存在差異。DO-254中產(chǎn)品轉(zhuǎn)化需檢查制造數(shù)據(jù)、測試設(shè)備和常規(guī)資源以確保生產(chǎn)準(zhǔn)備，而驗(yàn)證階段主要驗(yàn)證設(shè)計(jì)質(zhì)量和過程質(zhì)量?？梢?，這兩個(gè)過程的工作內(nèi)容相當(dāng)，本文將在IDDOV模型的基礎(chǔ)上建立民機(jī)機(jī)載產(chǎn)品研發(fā)流程。

3. 基于DFSS的民機(jī)機(jī)載產(chǎn)品研發(fā)流程

DFSS流程需花費(fèi)較多的時(shí)間和成本，因此將DFSS研發(fā)項(xiàng)目界定為影響飛行安全的關(guān)鍵機(jī)載產(chǎn)品。在識(shí)別階段主要應(yīng)用質(zhì)量功能展開（QFD）、卡諾分析等方法識(shí)別顧客需求并論證和確定要開展DFSS的項(xiàng)目，開展需求評(píng)審，將這些需求映射到相應(yīng)的技術(shù)要求上去；在定義階段，采用發(fā)明問題的解決理論（TRIZ）中的沖突矩陣，生成實(shí)現(xiàn)顧客需求初步可行的方案，使用QFD將技術(shù)要求映射到功能要求；在設(shè)計(jì)階段，根據(jù)以往產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)的相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)，使用QFD將功能要求映射到設(shè)計(jì)參數(shù)，開展集成計(jì)算器輔助制造（IDEF）建模、故障樹分析（FTA）、故障模式影響和危害性分析（FMECA），為設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化做準(zhǔn)備；在優(yōu)化階段，以IDEF建模中的目標(biāo)變量、輸入變量和噪聲變量為基礎(chǔ)，開展實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（DOE），采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，獲得最佳參數(shù)組合的設(shè)計(jì)方法；在驗(yàn)證階段，檢查顧客需求、技術(shù)要求和功能要求在實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的落實(shí)情況，也需給出適航條例的符合性驗(yàn)證說明。

三、實(shí)踐應(yīng)用

以液壓油箱為例，介紹DFSS在液壓油箱設(shè)計(jì)改進(jìn)過程中的應(yīng)用。

1. 液壓油箱的背景介紹

某型直升機(jī)的液壓油箱為自供式增壓液壓油箱，其主要作用是儲(chǔ)存供主、尾槳舵機(jī)的液壓油，并在整個(gè)飛行包線中向液壓泵提供具有恒定增壓壓力的液壓油。液壓油箱大泄漏后，不能為液壓系統(tǒng)提供符合要求的液壓油，這將極大降低直升機(jī)的飛行安全裕度，增大飛行員的工作負(fù)荷。某型機(jī)原裝機(jī)的自供式增壓液壓油箱內(nèi)漏量約為1滴/10次循環(huán)，滲漏的液壓油滴到機(jī)庫和直升機(jī)安裝平臺(tái)上，需要維護(hù)人員定期進(jìn)行清洗維護(hù)。本項(xiàng)目對(duì)自供式增壓油箱進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)，提高液壓油箱密封效果，減少液壓油箱內(nèi)漏量，改善液壓油箱使用維護(hù)工作量。

2. DFSS在液壓油箱設(shè)計(jì)改進(jìn)中的應(yīng)用研究

① 識(shí)別階段。研制液壓油箱涉及到設(shè)計(jì)部門、制造部門、試驗(yàn)單位和使用單位，通過顧客定義，共得到3類11個(gè)顧客。通過評(píng)審意見收集、用戶溝通和使用問題整理，收集并整理顧客需求，得到6類33個(gè)顧客要求。在此基礎(chǔ)上，開展第一次QFD團(tuán)隊(duì)活動(dòng)，將顧客需求轉(zhuǎn)換成可量化的技術(shù)要求，完成技術(shù)重要度排序后得到排序前5的重要技術(shù)要求為：液壓油箱增壓壓力、外部是否漏油、儲(chǔ)油量、內(nèi)部滲油量和摩擦力。

約定的設(shè)計(jì)目標(biāo)：增壓壓力，（0.25±0.02）Mpa；標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)工況下，內(nèi)部泄露量≤1滴/400次循環(huán)；液壓油箱外部泄露量≤1滴/10 min；摩擦力≤500 N。

② 定義階段。通過咨詢液壓專業(yè)技術(shù)專家，查詢國內(nèi)外液壓油箱設(shè)計(jì)資料，將液壓油箱DFSS項(xiàng)目的關(guān)鍵技術(shù)設(shè)定為增壓壓力設(shè)計(jì)技術(shù)、摩擦力控制技術(shù)、密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)和排氣技術(shù)。然后，對(duì)這4個(gè)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行細(xì)分，得到11個(gè)概念碎片。選取原有的設(shè)計(jì)方案為基線方案，結(jié)合技術(shù)成熟度、進(jìn)度和成本因素，對(duì)所有方案進(jìn)行評(píng)分，完成PHUGH矩陣，篩選出3個(gè)方案。延續(xù)識(shí)別階段的技術(shù)要求，開展第二次QFD團(tuán)隊(duì)活動(dòng)，將技術(shù)要求轉(zhuǎn)化為功能要求，重要度排序后得到幾個(gè)重要功能要求：隔離液壓油、儲(chǔ)存液壓油、形成外觀和散熱。另外，通過功能FMECA和液壓油箱FHA，分析出儲(chǔ)存液壓油和隔離液壓油功能失效后會(huì)造成危險(xiǎn)性的影響，設(shè)計(jì)時(shí)需給出設(shè)計(jì)保證措施。

③ 設(shè)計(jì)階段。液壓油箱DFSS項(xiàng)目是在已大量裝備直升機(jī)的液壓油箱基礎(chǔ)上做的改進(jìn)設(shè)計(jì)。因此，像內(nèi)筒、彈簧、芯桿、低油面開關(guān)、油箱端蓋等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)借用原液壓油箱，只需要對(duì)活塞、外筒和組合密封圈進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。確定關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)后，進(jìn)行3次QFD轉(zhuǎn)化，得出3個(gè)重要設(shè)計(jì)參數(shù)（活塞密封槽槽寬、活塞密封槽槽內(nèi)徑、活塞密封槽表面粗糙度）影響活塞設(shè)計(jì)質(zhì)量，2個(gè)重要設(shè)計(jì)參數(shù)（密封圈表面粗糙度和密封圈截面厚度）影響組合密封圈設(shè)計(jì)質(zhì)量，外筒表面粗糙度影響外筒設(shè)計(jì)質(zhì)量。將FHA中的“液壓油快速流失且不能探測”設(shè)為頂事件，開展故障樹分析FTA，得到26個(gè)底事件。同時(shí)，針對(duì)液壓油箱的零部件開展故障模式和影響分析FMEA，分析了34個(gè)故障模式，給出了設(shè)計(jì)保證措施，涵蓋26個(gè)底事件。

④ 優(yōu)化階段。液壓油箱實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的目標(biāo)是減少液壓油箱滲油量，具體可量化的響應(yīng)變量為Y1增壓壓力和Y2摩擦力，兩個(gè)約束條件為Y3內(nèi)部滲漏量和Y4外部滲漏量。影響目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的輸入變量為X1活塞密封槽槽寬、X2活塞密封槽槽內(nèi)徑、X3活塞密封槽表面粗糙度、X4密封圈表面粗糙度、X5密封圈截面厚度和X6外筒內(nèi)表面粗糙度。在這個(gè)試驗(yàn)計(jì)劃的基礎(chǔ)上，按照因子和水平的選擇進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，篩選因子，最后得出活塞、密封槽和外筒設(shè)計(jì)參數(shù)的最佳組合。

⑤ 驗(yàn)證階段。在液壓油箱轉(zhuǎn)入批量生產(chǎn)之前，需要對(duì)識(shí)別階段提出的要求給出符合性說明。通過開展液壓油箱的原理性試驗(yàn)和液壓系統(tǒng)地面全模擬試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)問題并優(yōu)化設(shè)計(jì)，分別檢查功能要求、性能要求、重量要求、接口要求、壽命要求和研制保證級(jí)別的符合性。經(jīng)過地面驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果分析，確認(rèn)滿足所有這些設(shè)計(jì)要求，液壓油箱轉(zhuǎn)入后續(xù)制造過程。截至2017年4月底，該型直升機(jī)共完成飛行試驗(yàn)2 151 Fh，識(shí)別階段的設(shè)計(jì)目標(biāo)（增壓壓力、內(nèi)部泄漏量、外部泄漏量和摩擦力）符合要求，與液壓油箱相關(guān)的故障1項(xiàng)——地面開車時(shí)報(bào)“左液壓油箱增壓故障”，經(jīng)檢查確認(rèn)為壓力開關(guān)內(nèi)的內(nèi)部電路設(shè)計(jì)不合理，經(jīng)設(shè)計(jì)改進(jìn)已完成故障歸零?；诂F(xiàn)有液壓油箱試飛數(shù)據(jù)的點(diǎn)估計(jì)，其可靠性指標(biāo)MTBF預(yù)計(jì)2151 Fh，比改進(jìn)前的1 785 Fh有大幅度提升。

四、結(jié) 論

本文以液壓油箱的研發(fā)為例，闡述了DFSS在民機(jī)機(jī)載產(chǎn)品研發(fā)過程中的應(yīng)用。跟以前的液壓油箱研發(fā)流程相比，基于DFSS的機(jī)載產(chǎn)品研發(fā)流程建立了從顧客需求到設(shè)計(jì)參數(shù)的詳細(xì)轉(zhuǎn)化過程，通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，過程顯性化可追溯。論文建立的流程可主動(dòng)控制設(shè)計(jì)質(zhì)量，將硬件設(shè)計(jì)錯(cuò)誤降低到可接受的水平。在民機(jī)機(jī)載產(chǎn)品研發(fā)時(shí)，需著重考慮研制保證級(jí)別要求的輸入，適航條款的符合性要求，產(chǎn)品的質(zhì)量保證計(jì)劃以及驗(yàn)證階段的各項(xiàng)事宜。論文只是列舉了機(jī)械產(chǎn)品的一個(gè)例子，后續(xù)應(yīng)以民用飛機(jī)電子硬件設(shè)計(jì)為例進(jìn)行分析，在實(shí)際的工程實(shí)踐中，不斷完善民機(jī)DFSS機(jī)載產(chǎn)品研發(fā)流程。