运用产品设计质量工程技术提升航空发动机质量

徐俊恩

（中航工业航空动力机械研究所，湖南 株洲 412002）

据统计，航空发动机质量问题中75%是在产品设计开发阶段产生的，通常情况下，80%的质量问题的发现与纠正，是在制造和使用阶段。同样一个质量问题在航空发动机研制各阶段的影响是不同的，由此产生的质量损失是成几何级数增加的。假如某个质量问题在设计阶段被发现，采取纠正措施的代价是1元钱的话，那么在生产阶段纠正的代价可能就是100元，在外场使用中（发生质量事故）纠正该问题的代价可能就是100 000元甚至数百万元，如果设计不完善，存在重大缺陷，造成方案颠覆，就会在经济上造成巨大损失。因此，航空发动机的设计开发质量是产品质量保证的基础，必须应用系统的技术和方法在设计阶段将产品符合性和适用性的质量特性设计出来，从而确保航空发动机全寿命周期内质量的稳定性和可靠性。

1 传统航空发动机设计与质量控制存在的问题

传统的航空发动机设计过程的质量管理活动主要是为了确保设计过程按照确定的程序进行，对于保证产品设计质量是必要的，但很被动，无法解决目前航空发动机设计开发中存在如下问题：

1.1 设计开发前期对发动机的定义不完善

航空发动机的质量不是表现在某一个局部或某几个具体的技术指标上，而是通过性能、功能、可靠性、维修性、保障性、安全性、经济性、环保性、适应性、时间性等一系列相互影响、相互制约的特性来体现。目前在发动机研制过程中存在对用户需求了解不准确、不全面，对发动机多维质量特性认识不够，出现对发动机定义不准确或不完善，不能满足用户的需求，导致在研制过程各阶段都会出现大量的反复修改和重新验证，既费钱、又费时间，还给组织带来不良的社会影响。

1.2 发动机设计过程缺乏系统的设计质量工程技术支持

目前，航空发动机行业的研发组织都实现了“甩图板”工作，对于发动机可靠性设计、健壮设计、产品质量功能展开、试验设计等设计质量工程技术的应用却很薄弱，在进行产品设计时，通常在已有零部件图样的基础上进行参考设计，这样设计的产品其可靠性、安全性、适应性等很难满足发动机的使用要求，产品设计过程缺乏系统的方法和技术支持。

1.3 设计工作对发动机制造和使用环境下的质量影响考虑不足

设计开发人员通常比较专注于设计开发阶段本身技术层面的工作，没有或很少考虑工艺、设备、材料、使用环境等对产品质量特性的影响，在后续制造、使用过程中造成大量设计更改，影响研制周期和用户使用。

1.4 符合性质量控制下的发动机质量不能完全满足用户的需求

航空发动机的质量是以适用性和符合性两个层次构成的多维质量特性来体现。传统的符合性的质量控制是以发动机技术规范、设计图样、验收技术条件等设计阶段的输出作为质量控制的依据和标准，对设计工作本身的质量无法控制，只能表征其“符合性”，也就是发动机的固有质量，而不能表征其“适用性”，也就是不能满足用户动态的需求，如在各种环境下发动机性能的稳定性等。

如何改善航空发动机的设计质量，从而保持航空发动机全寿命周期的质量特性呢？在航空发动机设计过程中系统运用产品设计质量工程技术是从根本上有效提升航空发动机设计质量的关键。

2 产品质量工程

2.1 产品质量工程的定义

日本质量管理专家Taguchi（田口玄一）认为，质量工程（Quality Engineering简称QE）是用于改善产品性能、减小因各种干扰（包括内部和外部环境干扰以及制造过程处于非理想状态造成的干扰），而对产品性能发生变化的技术。美国国家标准与技术研究所（NIST）及500多个工业界、学术界及政府部门参加的“下一代制造（Next Generation Manufacturing）”项目对质量工程的界定是：质量工程是将现代质量管理的理论及其实践，与现代科学和工程技术相结合，以控制、保证和改进产品质量为目标的一系列方法和技术的总称。因此，质量工程是一个融合管理与工程技术最新成果的交叉领域。

2.2 质量工程的发展

质量工程的发展经历了质量检验阶段、统计质量控制（SQC）阶段和全面质量管理（TQM）阶段。在全面质量管理的发展下，质量工程的有关技术和方法得到迅速发展。如在20世纪80年代出现的以用户需求为依据开发产品的系统方法——质量功能展开（QFD）方法，在工业发达国家得到广泛应用，获得巨大的经济效益和社会效益；健壮设计、可靠性设计、实验设计、故障模式和影响分析（FMEA）及失效树分析（FTA）等产品设计质量工程技术在产品设计阶段的迅速发展和推广应用，从而使以预防为主的事先控制，由产品制造阶段延伸到产品设计阶段；并行工程的应用，使产品开发人员从一开始就考虑到从概念形成到产品报废的产品全生命周期中的所有因素，包括质量、成本、进度和用户需求等；进入20世纪90年代以后，大批量定制（Mass Cus—tomization）、敏捷制造（Agile Manufacturing）、适时生产（Just in time）、精益制造（Lean Production）等技术不断涌现，使质量工程技术得到进一步发展。

2.3 产品设计质量工程

产品设计质量工程所涉及的方法和工具可以分为3类：质量规划工具、质量设计工具及质量验证工具（见图1）。

2.3.1 质量规划工具

质量规划工具主要包括以用户需求为依据开发产品的系统方法——质量功能展开（Quality Function Deployment 简称QFD）和以解决质量问题为主的质量改进工具。

2.3.1.1 质量功能展开（QFD）

质量功能展开（QFD）是把用户（用户、使用方）对产品的需求进行多层次的演绎分析，转化为产品的设计要求、零部件特性、工艺要求、生产要求的质量策划、分析、评估的工具，可用来指导产品的稳健设计和质量保证。QFD是准确定义产品的较好的技术和方法之一。其作用包括如下几个方面：

针对这种情况，一位在市医药公司工作的有多年药品销售经验的工作人员坦言，某一种西药的市场占有率在很大程度上决定了它的价格，如果这种药属于大众药，也就是说很多公司都生产的话，它的价格定位相对就较低。如果这种药属于新特药，而生产公司又少的话，相对价格就会定得很高，其次，尽管新药上市前依照有关法规，经过严格的毒性实验和临床试验，但由于使用时间有限，不良反应很难得到充分暴露，依旧可能带来潜在的不良反应。相比之下，“老药”的药性相对清楚多了。现在销售的“老药”是被证明副作用较少、较轻、疗效肯定的药物，一旦发生不良反应，很容易诊断和对症治疗。

● 在产品开发的全过程传递用户的需求，有助于改进企业不同部门之间的协作和联系，打破部门之间的管理、技术与信息交流壁垒，促进并行工程的开展，缩短产品研制与开发周期。

● 尽早明确开发设计目标，有助于提前考虑产品的生产或制造方法，有效地减少后期的设计更改，提高产品的先天设计质量与可靠性，降低设计风险，从而使新开发的产品（包括相应的工艺及生产过程）乃至整个企业更具竞争优势。

● 在产品开发的早期进行低成本设计，有助于降低企业的管理费用。同时，通过突显与产品设计有关的主要技术与管理问题，有助于优化企业资源的展开效率，显著提升企业的质量竞争能力。

● QFD技术的深入应用还能为企业开展诸如实验设计、故障模式与影响分析、故障树分析以及统计过程控制（SPC）等其他方面的质量管理与质量改进工作提供有益的质量信息。此外， QFD技术还是进行六西格玛设计（DFSS）的重要支撑工具，能够帮助企业显著改善其产品与过程性能，从而实现其六西格玛改进计划。

2.3.1.2 质量改进工具

在不同的过程或者过程的不同阶段，借助一些必要的质量改进技术和工具，对产品研制过程中的问题、数据、信息等进行收集、分析，以便作出正确的决策或制定针对性的措施进行质量保证、质量控制和质量改进，会有效地提高产品质量、增强顾客满意。质量管理工作中常用的技术和工具见表1。

表1 不同阶段质量改进工具和技术一览表

2.3.2 质量设计工具

质量设计工具主要包括可靠性设计、健壮性设计、质量设计优化技术及实验设计（Design Of Experiment，DOE）等。

2.3.2.1 可靠性设计

可靠性设计是指在遵循系统设计规范的基础上，采用专门的技术和方法，运用可靠性原理将可靠性设计到系统中去。目的就是在综合考虑产品的性能、可靠性、费用和时间等因素的基础上，通过采用相应的设计技术，使产品符合所规定的可靠性要求。

可靠性定性设计要求包括：制定和贯彻型号发动机可靠性设计准则；开展简化设计和单元体设计，余度设计，降额设计，防错设计，确定关键件和重要件，环境防护设计，包装、装卸、运输、储存等设计，采用工程保证、生产质量保证等措施。可靠性定性分析要求包括：故障模式和影响分析（FMEA）；故障模式、影响及危害性分析（FMECA）；故障树分析（FTA）；区域安全性分析等。

可靠性定量设计要求是指选择和确定产品的可靠性参数、指标以及验证时机和验证方法，以便在设计、生产、试验验证、使用过程中用量化方法来评价或验证发动机的可靠性水平。可靠性指标是可靠性参数要求的量值。

2.3.2.2 健壮性设计

所谓健壮性是指产品抵抗由于制造和使用过程中环境因素，或由于在规定寿命内材料或结构发生老化和变质而引起质量特性波动的能力。健壮性设计是一种把质量与可靠性设计到产品中去的先进设计思想和设计方法，它的目的就是使产品具有健壮性，对于内外各种干扰因素的影响不敏感，具有很强的抵抗能力，在规定的时间内和规定的条件下均能正常工作。

2.3.2.3 产品设计优化技术

产品质量设计是一个系统的多变量、多目标优化过程，即从提出设计要求（输入）开始，经过一系列设计工作（转换），且到产品定型鉴定形成成套技术文件（输出）的系统过程。按照系统工程原理，运用质量设计优化技术的线性规划和目标规划模型、随机模型法等方法，实现质量特征的优化，对设计要求、边界条件、时间、空间和资源的限制进行综合和权衡。

2.3.2.4 实验设计

实验设计是以概率论、数理统计和线性代数为基础，科学地安排实验方案，正确地分析实验结果的一种多因素选优方法。实验设计的方法很多，其中正交实验设计是一种简便易行、行之有效的实验设计方法，它利用一种规格化的表——“正交表”，科学的选择试验条件、分析试验结果。特点是可以考虑多因素、多指标的选优问题；试验周期短，效率高；方法简易、规范。

2.3.3 质量验证工具

质量验证工具主要包括故障模式及影响分析、故障模式、影响及危害性分析、故障树分析法。

故障模式、影响分析（FMEA）是一项基本的可靠性设计分析方法，也是其他故障分析技术的基础。通过故障模式及影响分析，可以迅速暴露比较明显的故障模式并确定单点故障，其中有些故障可以用少量的设计更改予以消除。能够帮助研究人员准确地分析产品故障对系统工作所产生的后果，并按照严酷度指标对每一潜在故障模式进行归类，从而获得制定设计、工艺改进和使用补偿措施的依据。故障模式、影响及危害性分析（FMECA），是在FMEA的基础上再增加一层任务，即判断这种故障模式影响的致命程度有多大，使分析量化。因此，FMECA可以看作是FMEA的一种扩展与深化。

故障树分析法（FTA）是通过对可能造成产品（或过程）故障的硬件、软件、环境或人为因素等进行分析，画出故障树，从而确定产品（或过程）故障原因的各种可能组合方式和／或其发生概率的一种分析技术。故障树分析能够帮助研究人员发现潜在的故障，揭露设计（或使用与维修中）的薄弱环节以便改进设计（或改进使用与维修方案）。

3 设计质量工程支持的航空发动机设计流程

航空发动机的设计过程一般分为战术技术指标论证、方案论证、初步设计、详细设计4个阶段，为了控制航空发动机设计质量，必须在设计过程中按照一定的设计质量工程方法和程序，最大限度地使用户需求和质量特征在各个设计阶段的合理实现。图2为航空发动机设计过程各阶段质量工程技术和方法对应流程。

图2 航空发动机设计过程各阶段质量工程技术和方法

通过在航空发动机设计过程的不同阶段综合运用设计质量工程技术和方法，第一可以全面准确的确认用户的要求，做好发动机的定义；第二可以将质量真正“设计”到发动机中，使发动机在环境因素的影响下依然能具有最佳的质量特征，提高产品质量的“稳定性”和“适用性”；第三可以缩短研制周期，节约费用，减少或避免发动机在制造和使用维护阶段的质量风险；第四可以将设计质量工程技术和方法的应用作为提高和改进航空发动机质量的长效机制，规范到发动机的设计流程和设计规范中，真正转变由事后质量控制到事前质量预防，彻底避免在后续制造、使用过程中造成大量设计更改，影响研制周期和用户使用等问题。

[1] 健壮设计手册编委会编著.健壮设计手册.国防工业出版社，2002，9.

[2] 林志航主编.产品设计与制造质量工程[M].北京：机械工业出版社，2005，3.

[3] 曾声奎等编著.系统可靠性设计分析教程[M].北京：航空航天大学出版社，2001，1.

[4] 韩之俊，许前编著.质量管理[M].北京：科学出版社，2003，3.