夏峰,牟珊珊
(中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所 全尺寸飛機(jī)結(jié)構(gòu)靜力/疲勞航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710065)
近年來(lái),我國(guó)航空武器裝備和民用航空進(jìn)入了發(fā)展的快車道,規(guī)模不斷擴(kuò)大。民用飛機(jī)研制是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程,依據(jù)適航規(guī)章制度,必須通過(guò)適航符合性驗(yàn)證試驗(yàn)和有試驗(yàn)支持的分析來(lái)表明飛機(jī)的設(shè)計(jì)、制造和使用維護(hù)等滿足相關(guān)適航條例要求。按照國(guó)內(nèi)目前的試驗(yàn)技術(shù),全機(jī)疲勞試驗(yàn)所需時(shí)間一般為8~10年,期間要耗費(fèi)大量設(shè)備成本、人力成本等。面對(duì)全機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)任務(wù)多、試驗(yàn)周期緊等情況,為加速全機(jī)疲勞試驗(yàn)進(jìn)度,將并行工程的理念引入全機(jī)疲勞試驗(yàn)中,把傳統(tǒng)串行工作轉(zhuǎn)化為并行工作,從而縮短試驗(yàn)周期,降低試驗(yàn)成本。
對(duì)并行工程最具代表性且被廣泛采用的定義是美國(guó)防御分析研究所IDA于1988年在其著名的R-338研究報(bào)告中給出的:“并行工程是對(duì)產(chǎn)品及其相關(guān)過(guò)程(包括制造過(guò)程和支持過(guò)程)進(jìn)行并行、一體化設(shè)計(jì)的一種系統(tǒng)化的工作模式”[1]。這種工作模式要求設(shè)計(jì)者從設(shè)計(jì)初始就要考慮產(chǎn)品全生命周期(從概念形成到產(chǎn)品報(bào)廢)內(nèi)各階段的各種因素,并強(qiáng)調(diào)各部門的協(xié)同工作,最大限度地減少設(shè)計(jì)反復(fù),縮短設(shè)計(jì)、生產(chǎn)準(zhǔn)備和制造時(shí)間。
自19世紀(jì)80年代并行工程的概念提出以來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了廣泛的研究。D.Schrage等[2]分析了并行工程及其技術(shù); J.Krammer等[3]介紹了并行工程在飛機(jī)研制中的應(yīng)用;P.Gaudenzi[4],A.Braukhane等[5]介紹了并行工程在航天器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用;G.Karpati等[6]研究了航空航天并行工程中的資源管理。除了理論研究,并行工程的理念也曾經(jīng)應(yīng)用在具體實(shí)例中。比如美國(guó)洛克希德公司在研制新型號(hào)導(dǎo)彈中通過(guò)應(yīng)用并行工程,將研發(fā)周期從5年縮短到2年。美國(guó)波音公司研制B777客機(jī)時(shí)采用并行工程,實(shí)現(xiàn)了5年內(nèi)從設(shè)計(jì)到試飛的一次成功,與B767客機(jī)相比,研制周期縮短了13個(gè)月[7]。
國(guó)內(nèi)對(duì)并行工程的研究工作開展的相對(duì)較晚。1995年國(guó)家成立由清華大學(xué)、上海交大、華工、北航和航天二院組成的聯(lián)合課題組,開始開展并行工程相關(guān)技術(shù)的研究[8]。多年以來(lái),并行工程已經(jīng)在航空航天、船舶、汽車、計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。魏法杰等[9],于海燕[10],李乃鑫等[11]分別介紹了并行工程在航空新產(chǎn)品開發(fā)、商用飛機(jī)研制、民用飛機(jī)維修中的應(yīng)用;方建平等[12]分析了并行工程在航天型號(hào)研制中的應(yīng)用與實(shí)踐;張涂[13]研究了并行工程在船舶設(shè)計(jì)中的應(yīng)用;楊勝統(tǒng)等[14]對(duì)汽車研發(fā)中的并行工程實(shí)效性進(jìn)行分析。各領(lǐng)域通過(guò)采用并行工程,提高了工作效率,降低了成本,獲得了高額的經(jīng)濟(jì)利益。
通過(guò)查閱文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn),目前研究中鮮見并行工程在試驗(yàn)管理尤其是全機(jī)疲勞試驗(yàn)方面的研究。針對(duì)疲勞時(shí)間耗時(shí)長(zhǎng)、成本高這一現(xiàn)狀,本文將并行工程理念引入全機(jī)疲勞試驗(yàn)中,總結(jié)并提出并行試驗(yàn)管理技術(shù)。通過(guò)在型號(hào)試驗(yàn)中采用此技術(shù),縮短試驗(yàn)時(shí)間,試驗(yàn)效率最高提高30%以上。
全機(jī)疲勞試驗(yàn)是一項(xiàng)大型系統(tǒng)工程,涉及材料、結(jié)構(gòu)、力學(xué)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、電子測(cè)量、多通道自動(dòng)控制、液(氣)壓控制和無(wú)損檢測(cè)等多個(gè)環(huán)節(jié),需要多專業(yè)、多部門密切配合才能完成。
全機(jī)疲勞試驗(yàn)全過(guò)程可以劃分為三個(gè)主要階段[15],如圖1所示。第一階段為試驗(yàn)準(zhǔn)備階段,包括試驗(yàn)策劃、試驗(yàn)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)準(zhǔn)備、試驗(yàn)安裝與調(diào)試等,通常占試驗(yàn)周期的20%;第二階段為試驗(yàn)運(yùn)行階段,包括試驗(yàn)實(shí)施與過(guò)程控制、試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理分析等,除按要求完成所施加的循環(huán)載荷外,主要工作為無(wú)損檢測(cè)、應(yīng)變/位移測(cè)量、結(jié)構(gòu)維修,通常占試驗(yàn)周期的70%;第三階段為試驗(yàn)總結(jié)階段,包括試驗(yàn)報(bào)告編寫及歸檔等,通常占試驗(yàn)周期的10%。
圖1 全機(jī)疲勞試驗(yàn)過(guò)程
從圖1可以看出:試驗(yàn)準(zhǔn)備和試驗(yàn)運(yùn)行這兩個(gè)階段包含了試驗(yàn)90%的工作,在這兩個(gè)階段不但需要占用一定的場(chǎng)地、設(shè)備,而且需要多個(gè)部門協(xié)調(diào)配合工作??梢?,全機(jī)疲勞試驗(yàn)在不同階段都有多項(xiàng)工作,隨著全機(jī)疲勞試驗(yàn)任務(wù)的增多,同一廠房、同一時(shí)間內(nèi)會(huì)存在多個(gè)疲勞試驗(yàn)同步運(yùn)行的情況。因此針對(duì)全機(jī)疲勞試驗(yàn)各階段的特點(diǎn),提出并行試驗(yàn)管理技術(shù),分別從單項(xiàng)疲勞試驗(yàn)的并行管理、同一廠房多型號(hào)疲勞試驗(yàn)的并行管理這兩個(gè)層面進(jìn)行論述。
單項(xiàng)疲勞試驗(yàn)的并行管理主要針對(duì)試驗(yàn)第一、第二階段的工作任務(wù),包括試驗(yàn)的策劃、設(shè)計(jì)、準(zhǔn)備、安裝、調(diào)試、試運(yùn)行和正式試驗(yàn)等階段,按照“設(shè)計(jì)過(guò)程中各活動(dòng)并行交叉進(jìn)行”的同步并行管理思想,盡可能將每項(xiàng)任務(wù)同步并行進(jìn)行。
1.2.1 試驗(yàn)策劃階段的并行管理
該階段主要工作是了解試驗(yàn)種類、性質(zhì)和規(guī)模等,對(duì)試驗(yàn)人員、設(shè)備、場(chǎng)地等試驗(yàn)資源進(jìn)行總體規(guī)劃。在編制技術(shù)文件,例如試驗(yàn)策劃書、試驗(yàn)計(jì)劃總網(wǎng)絡(luò)圖等時(shí),并行開展試驗(yàn)設(shè)備,例如試驗(yàn)控制設(shè)備、測(cè)量設(shè)備、通用設(shè)備等的市場(chǎng)調(diào)研、采購(gòu)、生產(chǎn)規(guī)劃等。
1.2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)階段的并行管理
該階段主要工作是組建試驗(yàn)團(tuán)隊(duì),進(jìn)行人員分工,并行開展試驗(yàn)設(shè)計(jì)工作;明確試驗(yàn)難點(diǎn),并行開展試驗(yàn)技術(shù)攻關(guān)研究;根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)程,確定試驗(yàn)所需設(shè)備的種類、數(shù)量等,并行開展專用設(shè)備、通用設(shè)備、新研設(shè)備等生產(chǎn)、采購(gòu)、驗(yàn)收工作。
1.2.3 試驗(yàn)安裝、調(diào)試、試運(yùn)行的并行管理
該階段主要工作是試驗(yàn)件驗(yàn)收、應(yīng)變片粘貼引線、膠布帶粘貼、加載設(shè)備安裝、試驗(yàn)單點(diǎn)調(diào)試、多點(diǎn)聯(lián)調(diào)等。在試驗(yàn)件驗(yàn)收交付前,與試驗(yàn)件復(fù)裝并行開展部件無(wú)損檢測(cè)、應(yīng)變片補(bǔ)貼、通用設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)、測(cè)控系統(tǒng)的維護(hù)保養(yǎng)、泵站空壓站的維護(hù)保養(yǎng)、機(jī)動(dòng)設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)、通用件補(bǔ)充生產(chǎn)、專用件生產(chǎn)驗(yàn)收等工作。試驗(yàn)件完成進(jìn)場(chǎng)驗(yàn)收標(biāo)志試驗(yàn)實(shí)施階段工作全面展開,可以并行開展膠布帶粘貼、杠桿系統(tǒng)組裝、承載系統(tǒng)安裝、測(cè)控系統(tǒng)調(diào)試、儀器儀表計(jì)量等多項(xiàng)工作。
1.2.4 試驗(yàn)正式運(yùn)行階段的并行管理
經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的試運(yùn)行,疲勞試驗(yàn)轉(zhuǎn)入正式運(yùn)行階段,這一階段通常占據(jù)整個(gè)試驗(yàn)周期的70%。該階段主要工作是制定管理制度和試驗(yàn)計(jì)劃,完成試驗(yàn)周期性檢查和適航檢查,完成動(dòng)態(tài)/靜態(tài)測(cè)量,完成儀器儀表計(jì)量/標(biāo)檢、維修試驗(yàn)件、維護(hù)設(shè)備,分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)等日常管理工作。其中部分管理工作可以同步并行開展。比如可以在試驗(yàn)件維修期間,并行開展儀器儀表的計(jì)量/標(biāo)檢、設(shè)備維護(hù)等工作。
隨著疲勞試驗(yàn)任務(wù)逐漸增多,同一廠房需要同時(shí)運(yùn)行多個(gè)型號(hào)疲勞試驗(yàn)。通過(guò)引入并行工程的管理理念,可以更加合理配置有限資源,縮短試驗(yàn)周期,加速疲勞試驗(yàn)進(jìn)度。
1.3.1 建立疲勞試驗(yàn)實(shí)施責(zé)任體系
建立“高效率的組織機(jī)構(gòu)”是并行管理的主要思想,也是實(shí)現(xiàn)并行管理的基礎(chǔ)。建立“高效率的組織機(jī)構(gòu)”首先要建立實(shí)施責(zé)任體系,如圖2所示。該體系要求將每一項(xiàng)具體工作落實(shí)到各負(fù)責(zé)人,管理責(zé)任明確化,獎(jiǎng)懲辦法透明化,確保人人都管事,事事有人管。
圖2 疲勞試驗(yàn)實(shí)施責(zé)任體系
1.3.2 建立全機(jī)疲勞試驗(yàn)日常管理制度
圍繞責(zé)任體系,細(xì)化實(shí)化作業(yè)文件,標(biāo)準(zhǔn)化試驗(yàn)各環(huán)節(jié),確保執(zhí)行到位。通過(guò)技術(shù)協(xié)調(diào)會(huì)、交底會(huì)、班前會(huì)等形式建立協(xié)同作業(yè)機(jī)制。針對(duì)MA600,ARJ21-700,Y12F等全機(jī)疲勞試驗(yàn)日常管理的各個(gè)環(huán)節(jié),制定了試驗(yàn)崗位責(zé)任制和操作規(guī)程,如圖3所示。
1.3.3 建立疲勞試驗(yàn)聯(lián)合值班團(tuán)隊(duì)和集中檢查團(tuán)隊(duì)
按照“不同領(lǐng)域技術(shù)人員的全面參與和協(xié)同工作”的并行管理思想,針對(duì)同一廠房?jī)?nèi)多個(gè)型號(hào)疲勞試驗(yàn)并行運(yùn)行的情況,在各型號(hào)疲勞試驗(yàn)管理規(guī)程的基礎(chǔ)上,優(yōu)化人員配置,組建疲勞試驗(yàn)聯(lián)合值班團(tuán)隊(duì),如圖4所示。該團(tuán)隊(duì)由各個(gè)班組抽調(diào)人員組成,包括試驗(yàn)指揮、加載設(shè)備維護(hù)檢查人員、液壓設(shè)備維護(hù)檢查人員、油泵站空壓站運(yùn)行人員、控制系統(tǒng)操作人員,根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)情況,電工和采集系統(tǒng)操作人員視情加入、巡視。
圖4 疲勞試驗(yàn)值班團(tuán)隊(duì)及其職責(zé)
為了提高試驗(yàn)檢查效率,集中有限的人力、物力,組建疲勞試驗(yàn)集中檢查團(tuán)隊(duì),該團(tuán)隊(duì)主要由加載設(shè)備維護(hù)檢查人員組成,與聯(lián)合值班團(tuán)隊(duì)一同工作。
團(tuán)隊(duì)人員每人職責(zé)不同,為了保障疲勞試驗(yàn)安全有效運(yùn)行,對(duì)作業(yè)文件進(jìn)行梳理和優(yōu)化,建立詳細(xì)的人員職責(zé),規(guī)范作業(yè)流程,明確責(zé)任劃分,落實(shí)責(zé)任到個(gè)人。
1.3.4 統(tǒng)籌調(diào)度試驗(yàn)資源,提高試驗(yàn)設(shè)備綜合效率
疲勞試驗(yàn)占用試驗(yàn)設(shè)備數(shù)量多、周期長(zhǎng)。這些試驗(yàn)設(shè)備中的計(jì)量設(shè)備,按照質(zhì)量管理體系要求,需要進(jìn)行定期標(biāo)檢。為了最大程度減小設(shè)備標(biāo)檢對(duì)試驗(yàn)進(jìn)度的影響,可以將標(biāo)檢工作與試驗(yàn)的第三、第四步檢查工作同步進(jìn)行。第三、第四個(gè)檢查階段需要拆除相關(guān)加載設(shè)備和口蓋,內(nèi)容多、周期長(zhǎng),在此階段開展標(biāo)檢工作,可以最大程度減小對(duì)試驗(yàn)進(jìn)度的影響,如表1所示。
另外,按照試驗(yàn)要求,每項(xiàng)疲勞試驗(yàn)需要進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量(實(shí)時(shí)測(cè)量動(dòng)態(tài)跟蹤通道)和定期靜態(tài)測(cè)量(測(cè)量全部測(cè)量通道)。如果每項(xiàng)試驗(yàn)都配置靜態(tài)測(cè)量所需測(cè)量設(shè)備,數(shù)量規(guī)模將會(huì)相當(dāng)龐大,設(shè)備使用效率也會(huì)很低,因此可以根據(jù)各個(gè)廠房每項(xiàng)試驗(yàn)靜態(tài)測(cè)量周期統(tǒng)籌調(diào)度、“削峰填谷”,實(shí)現(xiàn)測(cè)量設(shè)備“錯(cuò)峰”使用,提高設(shè)備綜合效率,如表2所示。
同樣,每個(gè)廠房油源油路有限,需要根據(jù)廠房?jī)?nèi)每項(xiàng)試驗(yàn)規(guī)模、所需油源流量及進(jìn)度,合理安排每個(gè)試驗(yàn)的油泵、油路,如圖5所示。
圖5 全機(jī)疲勞試驗(yàn)油泵、油路安排示意圖
表2 2017年測(cè)量設(shè)備統(tǒng)計(jì)
在疲勞試驗(yàn)第一階段、第二階段中,采用單項(xiàng)疲勞試驗(yàn)的并行管理技術(shù),將各個(gè)階段可以并行進(jìn)行的步驟盡量同步進(jìn)行,并可在試驗(yàn)設(shè)計(jì)階段根據(jù)需求適當(dāng)采用新技術(shù)。通過(guò)采用并行試驗(yàn)管理技術(shù),試驗(yàn)環(huán)節(jié)的總體效率得到整體提高。以MA600F貨運(yùn)型飛機(jī)后機(jī)身疲勞試驗(yàn)為例,從2013年2月24日收到試驗(yàn)任務(wù)書到6月19日疲勞試驗(yàn)正式運(yùn)行僅用不到4個(gè)月時(shí)間,為以前同類型試驗(yàn)的三分之二,提高效率30%以上。
在型號(hào)疲勞試驗(yàn)日常管理中,采用多型號(hào)疲勞試驗(yàn)的并行試驗(yàn)管理技術(shù),可達(dá)到優(yōu)化試驗(yàn)管理流程,提高試驗(yàn)效率的目的。以2017年106廠房疲勞試驗(yàn)完成情況為例,MA600型飛機(jī)全機(jī)疲勞試驗(yàn)提前20天完成10 000起落年度試驗(yàn)計(jì)劃;MA600貨運(yùn)型飛機(jī)后機(jī)身疲勞試驗(yàn)提前64天完成3倍壽命試驗(yàn),提前100天超額完成19 000起落年度試驗(yàn)計(jì)劃(原計(jì)劃16 000起落)。實(shí)踐表明多型號(hào)疲勞試驗(yàn)并行運(yùn)行的整體效率提高了10%以上。
通過(guò)研究全機(jī)疲勞試驗(yàn)全過(guò)程不同階段的應(yīng)用,可以總結(jié)并行試驗(yàn)管理技術(shù)的主要內(nèi)容就是在各項(xiàng)試驗(yàn)開始前做好試驗(yàn)的策劃、設(shè)計(jì)、準(zhǔn)備、安裝調(diào)試、運(yùn)行等各環(huán)節(jié)的規(guī)劃及各項(xiàng)工作安排,包括技術(shù)創(chuàng)新、工作流程、工作計(jì)劃等,將串行工作盡可能轉(zhuǎn)換為并行工作,并且每項(xiàng)工作內(nèi)容都能按照節(jié)點(diǎn)要求完成,否則會(huì)打亂計(jì)劃,導(dǎo)致試驗(yàn)不能順利進(jìn)行,甚至影響其他試驗(yàn)的進(jìn)度。
在試驗(yàn)中要實(shí)現(xiàn)并行作業(yè),需要對(duì)各項(xiàng)工作進(jìn)行精細(xì)化管理,確保每個(gè)環(huán)節(jié)都能按節(jié)點(diǎn)保質(zhì)保量完成。通過(guò)精細(xì)化管理,積極提高試驗(yàn)水平,縮短試驗(yàn)各環(huán)節(jié)時(shí)間,才能在真正意義上實(shí)現(xiàn)同步并行。
在試驗(yàn)安裝、調(diào)試及試運(yùn)行階段,對(duì)試驗(yàn)各項(xiàng)工作內(nèi)容進(jìn)行細(xì)化,對(duì)每一個(gè)試驗(yàn)做預(yù)先評(píng)估,梳理細(xì)化工作內(nèi)容,制定切實(shí)可行的日計(jì)劃、周計(jì)劃、月計(jì)劃,盡可能按計(jì)劃完成對(duì)應(yīng)工作。同時(shí)需要合理調(diào)配設(shè)備,彈性安排職工作息時(shí)間,解決人員、設(shè)備和場(chǎng)地緊張等問(wèn)題。全面落實(shí)精細(xì)化管理實(shí)踐,現(xiàn)場(chǎng)工作要做細(xì)做精,排查安全隱患,保證后續(xù)試驗(yàn)運(yùn)行的順利進(jìn)行。精細(xì)化管理實(shí)踐主要包括油路循環(huán)清洗、合理安排導(dǎo)線并保護(hù)、舷窗玻璃粘貼防爆膜、安裝放氣管路消音器、充氣管路更改和更換、充壓點(diǎn)監(jiān)視等,如圖6所示。
(a) 油路循環(huán)清洗 (b) 合理安排導(dǎo)線并保護(hù)
(c) 舷窗玻璃粘貼防爆膜 (d) 充壓點(diǎn)監(jiān)視
圖6 精細(xì)化管理實(shí)踐
Fig.6 Elaborate management practice
按照“設(shè)計(jì)時(shí)同時(shí)考慮產(chǎn)品生命周期的所有要素”的并行管理思想,試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)不僅要考慮設(shè)計(jì)的正確性、合理性,還要考慮這種設(shè)計(jì)的工藝性、可制造性、可生產(chǎn)性、可維護(hù)性等。在MA600,ARJ21-700等全機(jī)疲勞試驗(yàn)設(shè)計(jì)中,進(jìn)行了一系列的技術(shù)改進(jìn)及創(chuàng)新,比如三維設(shè)計(jì)技術(shù)、一體化框架技術(shù)、大容積充氣加載技術(shù)、機(jī)身氣密地板加載技術(shù)等,如圖7所示。
(a) 一體化框架 (b) 大容量充氣臺(tái)
圖7 試驗(yàn)新技術(shù)
Fig.7 New test technologies
通過(guò)試驗(yàn)技術(shù)的改進(jìn),縮短了試驗(yàn)周期,提高了試驗(yàn)質(zhì)量。也只有試驗(yàn)技術(shù)的提高,才能保證試驗(yàn)任務(wù)按計(jì)劃進(jìn)行。
在疲勞試驗(yàn)日常管理中,要嚴(yán)格按照計(jì)劃完成每項(xiàng)工作,才能確保整體試驗(yàn)計(jì)劃的順利實(shí)施。但在疲勞試驗(yàn)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中,由于試驗(yàn)件疲勞損傷、意外損傷等情況,常常會(huì)打亂預(yù)先計(jì)劃,而國(guó)內(nèi)全機(jī)疲勞試驗(yàn)一般都存在維修效率較低的問(wèn)題,主要是維修預(yù)案制定不充分,拖延了試驗(yàn)件維修時(shí)間。目前試驗(yàn)件維修通常由試驗(yàn)委托方完成,在后續(xù)研究中應(yīng)當(dāng)關(guān)注試驗(yàn)件維修問(wèn)題,積極配合試驗(yàn)委托方制定完善的維修預(yù)案,加強(qiáng)試驗(yàn)件損傷維修工作,減少停機(jī)等待時(shí)間,提高試驗(yàn)效率。
民用飛機(jī)全機(jī)疲勞試驗(yàn)是一項(xiàng)大型的綜合工程,通過(guò)將并行工程理念引入到全機(jī)疲勞試驗(yàn)管理中,最大程度合理分配有效資源,在一定程度上能夠達(dá)到縮短疲勞試驗(yàn)周期、減少試驗(yàn)成本的目的。由于理論與實(shí)際的差異,并行工程在實(shí)施中仍然存在需要注意的問(wèn)題,在今后的研究中應(yīng)當(dāng)總結(jié)經(jīng)驗(yàn),完善并行試驗(yàn)管理技術(shù)。