丁 杰，陳圣斌，郝宗敏

(中國直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

0 引言

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造過程中，實(shí)施特性分類，是保證產(chǎn)品質(zhì)量與可靠性的重要措施，其目的是讓研發(fā)單位按重要程度對(duì)設(shè)計(jì)特性進(jìn)行選擇、分類、標(biāo)識(shí)和控制，在實(shí)施質(zhì)量控制中分清主次，控制重點(diǎn)，保證產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性和可追溯性，合理安排檢驗(yàn)力量，并作為訂貨方對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量實(shí)施檢查和監(jiān)督的主要內(nèi)容。對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行特性分類的過程即是進(jìn)行關(guān)重特性分析。目前國內(nèi)直升機(jī)及產(chǎn)品的特性分析均是按照GJB 190-1986《特性分類》和HB 5842-90《航空產(chǎn)品特性和單元件分類及質(zhì)量控制原則》兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)要求開展的。標(biāo)準(zhǔn)中提出了要對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行特性分析，包括技術(shù)指標(biāo)分析、設(shè)計(jì)分析和選定檢驗(yàn)單元；確定產(chǎn)品的特性類別，并在設(shè)計(jì)文件上標(biāo)注分類符號(hào)等內(nèi)容。但是在使用過程中，我們發(fā)現(xiàn)仍存在較多的缺失，比如未給出具體的特性分析程序，方法操作性不強(qiáng)，無法支持當(dāng)前武器裝備研發(fā)過程中的關(guān)重特性確定需求等。

本文通過結(jié)合可靠性工程技術(shù)中的FMEA方法和改進(jìn)當(dāng)前的特性分類程序，給出了可操作性強(qiáng)，具備工程應(yīng)用能力的直升機(jī)關(guān)重特性分析方法，以改善當(dāng)前裝備研發(fā)過程中特性分類方法缺失、應(yīng)用性不強(qiáng)、概念模糊不清等現(xiàn)狀。

1 特性分類

在以往的直升機(jī)關(guān)重特性分析過程中，由于對(duì)關(guān)重件、關(guān)重特性等術(shù)語的理解因人而異，或者說受GJB 190等標(biāo)準(zhǔn)的影響，對(duì)這部分的概念往往容易出現(xiàn)誤解，且標(biāo)準(zhǔn)中沒有給定直接可行的特性分析方法，當(dāng)前工業(yè)部門中特性分析方法各不相同。即使在國內(nèi)外的適航規(guī)定中，也僅是提出對(duì)關(guān)鍵件應(yīng)采用失效評(píng)估的方法來確定，同樣存在類似的問題。

以GJB 190為例，將軍工產(chǎn)品的特性分為關(guān)鍵特性、重要特性和一般特性3類：

關(guān)鍵特性，是指如有故障，可能危及人身安全，導(dǎo)致武器系統(tǒng)或完成所要求使命的主要系統(tǒng)失效的特性。重要特性，是指如有故障，可能導(dǎo)致最終產(chǎn)品不能完成所要求使命的特性。一般特性，是指雖與產(chǎn)品質(zhì)量有重要關(guān)系，但如有故障，一般不會(huì)影響產(chǎn)品使用性能的特性。

通過這樣的定義，進(jìn)一步引出關(guān)重件的定義，即：

關(guān)鍵件：具有關(guān)鍵特性的產(chǎn)品；

重要件：具有重要特性的產(chǎn)品；

一般件：僅具有一般特性的產(chǎn)品；

因此，研發(fā)單位對(duì)裝備單元件進(jìn)行失效邏輯分析，通過分析特性失效后的影響，按照關(guān)重特性的定義進(jìn)行分類，若直接影響安全則為關(guān)鍵特性，若直接影響任務(wù)則為重要特性，最后按照產(chǎn)品擁有的最高特性類別確定產(chǎn)品是關(guān)鍵/重要/一般件。比如HB 5842也是采用該方法進(jìn)行關(guān)重件的確定，如圖1。這一方法理論上相對(duì)完整，但經(jīng)過多年的實(shí)踐和使用發(fā)現(xiàn)，這是一套自底向上的邏輯分析方法，與當(dāng)前主流的正向設(shè)計(jì)思路有所違背，無法支持國內(nèi)工業(yè)設(shè)計(jì)的自主創(chuàng)新的新征程。并且，國內(nèi)裝備研發(fā)通常有主機(jī)、系統(tǒng)、成品三個(gè)層次，若在研發(fā)之初就自底向上進(jìn)行特性分析，無異于空中樓閣。比如從主機(jī)的角度，無法在工程研制階段早期就詳細(xì)了解各配套產(chǎn)品的具體特性，如材料性能、表面處理、機(jī)械性能等，也就無法進(jìn)行準(zhǔn)確的邏輯決斷；而如果直接由成品級(jí)開始分析，那配套研制單位會(huì)因?yàn)闊o法獲知其特性的失效對(duì)整機(jī)是否有安全性影響而做出錯(cuò)誤判斷，因此當(dāng)前的特性分析方法亟需得到改進(jìn)。

圖1 HB 5842特性分類邏輯決斷法

2 引入正向思維的關(guān)重件判別方法

為解決以往特性分析方法無法適應(yīng)當(dāng)前研發(fā)體系需要的問題，本文引入系統(tǒng)工程中的正向設(shè)計(jì)理念，重新建立自上而下的特性分析流程方法：以功能失效為核心輸入，用于識(shí)別關(guān)重件，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析性能指標(biāo)與產(chǎn)品的功能故障的關(guān)聯(lián)性，以得出關(guān)鍵特性。該方法主要分關(guān)鍵件和重要件判別、關(guān)鍵和重要特性識(shí)別和選定檢驗(yàn)單元三個(gè)步驟。

1) 關(guān)鍵件和重要件判別

對(duì)結(jié)構(gòu)件，根據(jù)功能危險(xiǎn)分析或故障模式影響及危害性分析和疲勞強(qiáng)度分析結(jié)果，按照結(jié)構(gòu)件關(guān)鍵件和重要件判別程序初步識(shí)別關(guān)重件。對(duì)機(jī)載設(shè)備，在對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行功能FMECA的基礎(chǔ)上，應(yīng)按機(jī)載設(shè)備特性分析決斷邏輯圖進(jìn)行分析，初步識(shí)別關(guān)重件。

2) 關(guān)鍵和重要特性識(shí)別

關(guān)鍵和重要特性識(shí)別包含技術(shù)指標(biāo)分析和設(shè)計(jì)分析兩個(gè)部分。由于初步確定了關(guān)鍵件和重要件，因此通過分析性能指標(biāo)與產(chǎn)品的功能故障的關(guān)聯(lián)性，可以得出關(guān)鍵特性。 此外還應(yīng)進(jìn)行進(jìn)一步的設(shè)計(jì)分析，找出性能指標(biāo)外是否還有其他關(guān)重特性，如材料、工藝過程、配合、機(jī)械性能、電性能、環(huán)境適應(yīng)性、壽命以及可靠性、安全性、維修性、測(cè)試性、保障性等。

3) 形成關(guān)重件清單

依據(jù)技術(shù)指標(biāo)分析和設(shè)計(jì)分析所需保證的關(guān)鍵或重要特性以及該特性在零件或裝配件上檢驗(yàn)的可能性和經(jīng)濟(jì)性，進(jìn)行綜合分析后，選定檢驗(yàn)單元，并形成關(guān)重件清單。

對(duì)結(jié)構(gòu)零件、組件、部件的關(guān)鍵件和重要件的分類判別按圖2程序進(jìn)行，根據(jù)功能危險(xiǎn)分析、故障模式影響及危害性分析和疲勞強(qiáng)度分析結(jié)果初步識(shí)別關(guān)重件。

圖2 結(jié)構(gòu)件關(guān)鍵件和重要件判別程序

對(duì)于機(jī)載設(shè)備，在對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行FMECA的基礎(chǔ)上，應(yīng)按圖3要求填寫特性分類邏輯決斷，初步識(shí)別關(guān)重件。

通過以上方法可以在設(shè)計(jì)早期通過功能特性識(shí)別出全機(jī)關(guān)鍵件和重要件，同時(shí)作為產(chǎn)品技術(shù)要求通過產(chǎn)品技術(shù)協(xié)議傳遞給配套研制單位。需要注意的是，我們此時(shí)分析的是功能故障，因此在傳遞時(shí)不應(yīng)該僅傳遞關(guān)重件要求，而應(yīng)同時(shí)將分析過程中得出的關(guān)重功能往下傳遞，以便進(jìn)行下一步工作。這部分內(nèi)容將在第4章詳細(xì)描述。而相應(yīng)的研制單位在獲得研發(fā)產(chǎn)品的關(guān)重功能后，只需對(duì)自身的特性進(jìn)行進(jìn)一步分析，即可得出相應(yīng)的關(guān)鍵和重要特性。但關(guān)鍵和重要特性的得出，即怎么通過關(guān)重功能得出相應(yīng)的特性，同樣缺乏成熟的方法。本文推薦利用層次化FMEA成果，將FMEA表格中的故障模式、故障原因、故障影響等要素與特性分類程序相結(jié)合，從而順利地得出關(guān)重件中的關(guān)重特性。

圖3 機(jī)載設(shè)備特性分類決斷邏輯圖

3 基于層次化FMEA的關(guān)重特性分析方法

初步確定了關(guān)鍵件和重要件之后，為了分析得出關(guān)鍵重要性能指標(biāo)作為關(guān)鍵重要特性，還應(yīng)繼續(xù)開展技術(shù)指標(biāo)分析。分析技術(shù)指標(biāo)/性能指標(biāo)與產(chǎn)品的功能故障的關(guān)聯(lián)性是其中最關(guān)鍵的一步，那應(yīng)該如何進(jìn)行呢？通常一個(gè)產(chǎn)品或者單元件的技術(shù)指標(biāo)有使用性能參數(shù)、材料性能、工藝過程、配合、機(jī)械性能、環(huán)境適應(yīng)性、壽命等。常規(guī)的方法是將所有技術(shù)指標(biāo)、性能指標(biāo)進(jìn)行逐一分析。若產(chǎn)品中的某一特性如果達(dá)不到設(shè)計(jì)要求或發(fā)生故障，會(huì)迅速導(dǎo)致系統(tǒng)或產(chǎn)品關(guān)鍵功能失效，則該特性為關(guān)鍵特性。若產(chǎn)品中的某一特性如果達(dá)不到設(shè)計(jì)要求或發(fā)生故障，會(huì)迅速導(dǎo)致系統(tǒng)或產(chǎn)品重要功能失效，則該特性為重要特性。此外，還可以考慮加工難度、成本、生產(chǎn)周期、互換性等方面，有特殊要求的同樣可以作為關(guān)鍵或者重要特性。此時(shí)的關(guān)重特性將超出關(guān)鍵/重要功能的限制，可能會(huì)改變產(chǎn)品的關(guān)重件級(jí)別，但這種情況發(fā)生得較少，是生產(chǎn)制造部門根據(jù)工藝制造分析中確定的難點(diǎn)和要點(diǎn)提出的。但是，這一常規(guī)方法的缺陷也較為顯著：分析人員一方面很難將所有的技術(shù)指標(biāo)或性能指標(biāo)羅列完整，可能造成某些特性在分析時(shí)缺漏；另一方面，技術(shù)指標(biāo)/性能指標(biāo)與產(chǎn)品的功能故障的關(guān)聯(lián)性也不是一蹴而就，能夠直接得出的。

基于以上問題，本文提出利用產(chǎn)品層級(jí)的FMEA中故障模式、故障原因以及故障影響等內(nèi)容實(shí)現(xiàn)與關(guān)鍵/重要功能、關(guān)重特性直接的層次化連接。在產(chǎn)品層次，其FMEA表格通常如表1所示。

表1 某產(chǎn)品FMEA表格

而根據(jù)FMEA的層次化原理，各層次間是有關(guān)聯(lián)性的，低層次產(chǎn)品的故障模式是緊鄰上一層次產(chǎn)品的故障原因，低層次產(chǎn)品的故障影響是緊鄰上一層次產(chǎn)品的故障模式，如圖4。

圖4 各層次產(chǎn)品間故障模式、原因和影響的關(guān)系

假定圖4中初始約定層次是直升機(jī)/某系統(tǒng)，約定層次是某供應(yīng)商配套研制的產(chǎn)品，最低約定層次是產(chǎn)品內(nèi)部的零部件。那么在主機(jī)層次，按照第3章關(guān)重件判別方法，我們可以根據(jù)產(chǎn)品的功能進(jìn)行失效分析，即在設(shè)計(jì)早期開展功能FMEA。根據(jù)邏輯決斷圖得到產(chǎn)品的關(guān)重類別和關(guān)重功能，并將相應(yīng)結(jié)論納入配套產(chǎn)品技術(shù)協(xié)議中，傳遞至配套產(chǎn)品研制單位。

配套產(chǎn)品研制單位在得知產(chǎn)品本身的關(guān)鍵/重要功能后，通過FMEA分析表格，對(duì)零部件開展硬件FMEA分析，對(duì)每一故障模式進(jìn)行窮舉，并分析其對(duì)部件的影響和對(duì)產(chǎn)品最終功能的影響。如果該故障模式影響產(chǎn)品關(guān)鍵/重要功能，那么這一故障模式即為關(guān)鍵/重要故障模式。針對(duì)這一故障模式進(jìn)行故障原因的查找，找到造成這一故障模式的物理、化學(xué)或生物變化過程等方面的直接原因。這些原因也就是我們常說的設(shè)計(jì)缺陷，如選材不合理、技術(shù)要求錯(cuò)誤、強(qiáng)度剛度不足等，或者制造缺陷，如超差、工藝過程不合理、工藝參數(shù)不合理等。這些因素也正好呼應(yīng)了特性分析中的技術(shù)指標(biāo)、性能指標(biāo)。也就是說，找到了關(guān)鍵故障模式的故障原因，就等于找到了產(chǎn)品的關(guān)鍵特性。不過，前文提到的加工難度、成本、生產(chǎn)周期、互換性等特性仍然需要獨(dú)立考慮。此外，結(jié)構(gòu)件通常仍由主機(jī)單位進(jìn)行研發(fā)。主機(jī)單位同時(shí)也是配套產(chǎn)品研制單位，同樣按照該程序進(jìn)行特性分析。主要的分析流程如圖5所示。

圖5 主要的關(guān)重特性分析流程

4 某直升機(jī)飛控系統(tǒng)案例應(yīng)用

以某直升機(jī)飛控系統(tǒng)尾槳舵機(jī)為例進(jìn)行應(yīng)用分析。該機(jī)飛控系統(tǒng)的尾槳操縱系統(tǒng)是將腳蹬操縱位移信號(hào)通過傳感器傳給飛控計(jì)算機(jī)，由飛控計(jì)算機(jī)處理后控制尾槳舵機(jī)，改變尾槳距，從而改變尾槳拉力大小，以平衡旋翼反扭矩及控制直升機(jī)偏航。尾槳舵機(jī)由一個(gè)RDDV組件和一個(gè)作動(dòng)筒組件組成。RDDV閥接收來自計(jì)算機(jī)的指令，輸出流量驅(qū)動(dòng)作動(dòng)筒運(yùn)動(dòng)到指定位置，提供轉(zhuǎn)閥和作動(dòng)筒的位置反饋信號(hào)。

首先對(duì)飛控系統(tǒng)尾槳舵機(jī)進(jìn)行功能失效分析。按照?qǐng)D3邏輯決斷方法判斷出尾槳舵機(jī)的無法接受來自計(jì)算機(jī)的控制信號(hào)和無法操縱尾槳是關(guān)鍵功能，無法提供位置反饋信號(hào)是重要功能，也就首先確定了尾槳舵機(jī)是關(guān)鍵件(如表2所示)。

表2 設(shè)備特性分類決斷表

其次，由尾槳舵機(jī)的研發(fā)單位根據(jù)尾槳舵機(jī)FMEA分析表信息，分析每一故障模式對(duì)部件的影響和對(duì)產(chǎn)品最終功能的影響，找出影響產(chǎn)品關(guān)鍵/重要功能的故障模式，并分析造成這一故障模式的直接原因，從而確定關(guān)重特性(如表3所示)。

表3 產(chǎn)品關(guān)重特性分析表

根據(jù)表3 的過程，可以得知尾槳舵機(jī)的序號(hào)1和2兩個(gè)故障模式的故障影響會(huì)造成無法操縱航向，即對(duì)無法操縱尾槳進(jìn)行航向操縱的關(guān)鍵功能產(chǎn)生了直接影響，因此確定其為關(guān)鍵故障模式。對(duì)應(yīng)地，其故障原因就是我們要尋找的關(guān)鍵特性。例如，造成舵機(jī)破損故障模式的原因是材料強(qiáng)度差和加工精度不足，對(duì)應(yīng)的關(guān)鍵特性即為材料機(jī)械性能和尺寸公差。

此例子是正好在尾槳舵機(jī)這一級(jí)就分析出了造成其故障模式的物理、化學(xué)或生物變化過程等方面的直接原因，即失效機(jī)理。如果由于產(chǎn)品層次劃分問題，存在更為底層的部件和組件，同樣可以按照該思路進(jìn)一步將關(guān)重功能往下分解，直至其故障原因達(dá)到失效機(jī)理層次。

5 總結(jié)

本文通過對(duì)特性分類相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的分析研究，結(jié)合國內(nèi)航空工業(yè)部門實(shí)踐，從裝備研發(fā)的角度提出了基于正向思維的關(guān)重件判別方法和基于層次化FMEA的關(guān)重特性分析方法；以支撐裝備正向研發(fā)過程的關(guān)重特性管理為目的，提出了一套完整的特性分析方法；最后以某直升機(jī)飛控系統(tǒng)尾槳舵機(jī)為例進(jìn)行了應(yīng)用驗(yàn)證分析。