譚 倫，李艷艷

(中國直升機設(shè)計研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

0 引言

六西格瑪是一套系統(tǒng)的、集成的業(yè)務(wù)改進方法體系，是旨在持續(xù)改進組織業(yè)務(wù)流程，實現(xiàn)顧客滿意的管理方法，通過系統(tǒng)地、集成地采用業(yè)務(wù)改進流程，實現(xiàn)無缺陷的六西格瑪設(shè)計(Design for Six Sigma, DFSS)[1-2]。

直升機著艦裝置是供直升機快速安全著艦并系留在飛行甲板上的裝置，主要有兩種形式：拉降式和魚叉格柵式。拉降式著艦裝置：直升機準(zhǔn)備著艦時，機上放出主探管，從中用引索將艦上的拉降索引入直升機內(nèi)并卡定后，艦上拉降絞車收緊拉降索拉直升機下落；魚叉格柵式著艦裝置：由設(shè)在直升機底部的魚叉鎖緊機構(gòu)和艦艇飛行甲板上的一個直徑約2.5m的格柵構(gòu)成，直升機通過魚叉裝置著艦并快速系留。由于魚叉格柵式具有重量輕、體積小、安裝方便和易于維護等特點，目前小型直升機在艦船上的著艦裝置普遍采用魚叉格柵式。本文主要應(yīng)用六西格瑪方法對直升機魚叉液壓系統(tǒng)進行改進設(shè)計。

根據(jù)用戶使用情況，直升機魚叉液壓系統(tǒng)存在附件拆裝不便、維護性較差、可靠性低、重量大等問題，因此借綜合改進型號的研發(fā)機會，對直升機魚叉液壓系統(tǒng)進行改進優(yōu)化設(shè)計，采用六西格瑪設(shè)計(design for six sigma,DFSS)中的科學(xué)邏輯，開展精細化設(shè)計，減小重量，并提高產(chǎn)品的維護性和可靠性。

1 六西格瑪改進優(yōu)化

六西格瑪設(shè)計一般以項目的形式開展，并遵循一定的流程，最常見的流程是：I(識別)C(概念)D(設(shè)計)O(優(yōu)化)V(驗證)[3]。

1.1 識別階段

識別階段通過對客戶識別，需求識別，對顧客需求進行整理并親和，得到了6類顧客需求(表1)，確定了本次改進設(shè)計目標(biāo)：重量和可靠性。

表1顧客需求

通過QFDⅠ(Quality Function Depioyment 質(zhì)量功能展開)(圖1)打分，得到6個重要技術(shù)要求：魚叉液壓系統(tǒng)壓力、魚叉液壓系統(tǒng)流量、工作壓力上限、重量、MTBF、強度。

通過魚叉液壓系統(tǒng)設(shè)計質(zhì)量表(表2)，并結(jié)合QFDⅠ的打分結(jié)果，確定了重點改進指標(biāo)，確定了本項目的工作目標(biāo)。

表2 設(shè)計質(zhì)量表

圖1 QFDⅠ

1.2 概念階段

概念階段首先對魚叉液壓系統(tǒng)的功能實現(xiàn)和主要構(gòu)件進行梳理(圖2)，清理它們之間的映射關(guān)系。

通過對魚叉液壓系統(tǒng)系統(tǒng)邊界的分析(圖3)，明確魚叉液壓系統(tǒng)的輸入和輸出及內(nèi)外部交聯(lián)關(guān)系。

通過多功能團隊頭腦風(fēng)暴及技術(shù)檢索，得到了對魚叉液壓系統(tǒng)減重的三種方法：集成化技術(shù)、新型材料的應(yīng)用、高壓系統(tǒng)的應(yīng)用，并分析了各自的優(yōu)缺點，得出了采用集成化技術(shù)對魚叉液壓系統(tǒng)進行減重的措施。利用PUGH矩陣(表3)，篩選得到魚叉附件板上附件集成的減重方案。

1.3 設(shè)計階段

設(shè)計階段首先對目前的魚叉液壓系統(tǒng)進行結(jié)構(gòu)梳理和重量梳理(表4)。

通過概念階段確定的魚叉附件板集成減重方案，魚叉附件板組件結(jié)構(gòu)如圖4所示，魚叉附件板集成為魚叉組合閥。

圖2 功能架構(gòu)圖

圖3 系統(tǒng)邊界圖

表4 結(jié)構(gòu)重量梳理

通過QFDⅢ(圖5)，魚叉組合閥中的傳感器、減壓閥、電磁閥Ⅰ、電磁閥Ⅱ及蓄壓器為重要的零組件。通過QFDⅢ-1，額定壓力、耐壓壓力、額定流量是必須重點控制的參數(shù)，重量、MTBF是設(shè)計改進的重要參數(shù)。

如圖6所示，對設(shè)計要求分解至成品廠家，其中QFD III-1識別出的重要設(shè)計要求通過技術(shù)指標(biāo)論證—設(shè)計輸入可達性分析—機載產(chǎn)品協(xié)議書的形式確認(rèn)。

圖5 QFDⅢ

圖6 設(shè)計要求分解傳遞

圖7所示為魚叉附件板組件與魚叉組合閥的對比，其中魚叉附件板組件重量為10.724 Kg，集成后的魚叉組合閥設(shè)計重量為7.4 Kg，魚叉組合閥較原魚叉附件板組件設(shè)計減重3.324Kg。

對魚叉附件板組件與魚叉組合閥分別進行建模仿真，通過結(jié)果對比可以看出，集成之后的魚叉組合閥的壓力流量較之前基本一致，能夠滿足魚叉收放功能要求(圖8-圖10)。

圖7 魚叉附件板組件與魚叉組合閥

圖8 方案模型對比

圖9 方案壓力性能對比

圖10 方案流量性能對比

通過對魚叉組合閥做可靠性預(yù)計分配，滿足系統(tǒng)MTBF要求，并對魚叉組合閥進行硬件FMECA，確認(rèn)合理有效的糾正措施并落實到產(chǎn)品設(shè)計中，對產(chǎn)品維修和保障工作提供相應(yīng)的依據(jù)。

通過QFDⅢ(圖11)可見，結(jié)構(gòu)尺寸、結(jié)構(gòu)強度是附件板設(shè)計改進的重要結(jié)構(gòu)要求。通過QFDⅣ可得：總長度、總寬度、厚度是附件板設(shè)計改進的重要參數(shù)。

如圖12所示，新魚叉附件板與原魚叉附件板相比，保持總長度不變，總寬度由440mm減小到250mm,厚度由1.5mm減小到1.2mm,材料為 2A12 保持不變,局部增加加強槽。原魚叉附件板重量為0.88 Kg，新魚叉附件板設(shè)計重量為0.38 Kg，新魚叉附件板較原魚叉附件板設(shè)計減重0.5Kg。

如圖13所示，集成后的新魚叉組合閥組件比原魚叉附件板組件共計設(shè)計減重3.824Kg。

圖11 QFDⅢ

圖12 原魚叉附件板與新魚叉附件板

圖13 魚叉附件板組件與魚叉組合閥組件

為了在設(shè)計階段就充分考慮制造、裝配、成本等的約束和困難，提高產(chǎn)品的可制造性、可裝配性，把制造、裝配、成本等要素的有關(guān)知識和標(biāo)準(zhǔn)整理成具體的設(shè)計準(zhǔn)則，用設(shè)計準(zhǔn)則指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計，對設(shè)計要素進行分析、優(yōu)化和評價，以確定合適的材料、公差要求和工藝方案，對魚叉組合閥和附件板進行DFMA(Design for Manufacture and Assembly)，見表5、表6，魚叉組合閥DFMA一共列出了24項，主要涉及零組件裝配檢查12項，檢驗核查3項，材料和加工工藝檢查7項，防錯設(shè)計檢查2項。附件板DFMA一共列出了17項，主要涉及零組件裝配檢查6項，檢驗核查3項，材料和加工工藝檢查5項，防錯設(shè)計檢查2項。

表5 DFMA-魚叉組合閥

1.4 優(yōu)化階段

優(yōu)化階段采用部分因子試驗，確定響應(yīng)變量Y1附件板重量、Y2附件板強度儲備系數(shù)，自變量X1總寬度，2水平，X2厚度，2水平，通過DOE分析，用MINITAB軟件自動生成標(biāo)準(zhǔn)順序進行因子試驗計劃表(表7)，取X1、 X1低水平，達到最大減重，并檢驗Y2是否滿足要求。

如圖14，由計算工況得最大應(yīng)力為330MPa(工況1)，最大變形13.7mm(工況4)，滿足設(shè)計要求，優(yōu)化結(jié)果：X1：總寬度250mm，X2：厚度1.2mm。

表7 因子試驗計劃表

圖14 魚叉組合閥組件計算結(jié)果

1.5 驗證階段

驗證階段通過魚叉組合閥功能、性能試驗及環(huán)境性試驗，魚叉液壓系統(tǒng)試驗以及直升機機上試驗，魚叉組合閥集成方案滿足設(shè)計要求，魚叉收放試驗結(jié)果如表8所示。

2 總結(jié)

項目目標(biāo)達成情況：

表8 魚叉收放試驗結(jié)果

1) 重量減少4.35Kg；

2) 可靠性滿足要求。

本項目成功優(yōu)化了直升機魚叉液壓系統(tǒng)，同時滿足了可靠性與性能指標(biāo)。DFSS方法改變了以往設(shè)計人員單靠個人經(jīng)驗的慣性設(shè)計思維，使之轉(zhuǎn)變?yōu)樗伎夹偷膱F隊專業(yè)設(shè)計思維。DFSS從I、C、D、O階段一直到項目的驗證階段，都規(guī)定了需要思考并需定性和定量表達的內(nèi)容。DFSS過程中，通過一系列工具和方法，量化各階段的參數(shù)的重要性，然后對重要參數(shù)進一步優(yōu)化和驗證。