基于設(shè)計(jì)FMEA的艦船設(shè)計(jì)質(zhì)量控制技術(shù)研究＊

李 明 劉鵬飛 胡 劍

(中國船舶重工集團(tuán)公司軍工部1) 北京 100192)(海軍駐438廠軍事代表室2) 武漢 430064)

1 引言

艦船的質(zhì)量是設(shè)計(jì)出來的,由建造實(shí)現(xiàn)的,在使用過程中體現(xiàn)出來的,其質(zhì)量的源頭在于設(shè)計(jì),關(guān)鍵也在設(shè)計(jì)。因此,對于艦船質(zhì)量管理工作而言,首當(dāng)其沖的是抓好設(shè)計(jì)質(zhì)量的控制。

當(dāng)前,我國新型艦船研制具有時(shí)間緊、批量小、自主設(shè)計(jì)且邊設(shè)計(jì)邊建造等特點(diǎn)。面對這些新情況、新問題,有必要在總結(jié)現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,加大設(shè)計(jì)質(zhì)量控制方法與手段的研究力度。其目的是在進(jìn)度和費(fèi)用的要求下,盡可能的滿足作戰(zhàn)需求,為部隊(duì)提供可靠、頂用的潛艇裝備,有效提高我海軍的作戰(zhàn)能力。

2 艦船設(shè)計(jì)質(zhì)量概念

2.1 一般產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量

產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量是決定產(chǎn)品最終質(zhì)量的關(guān)鍵,產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量在產(chǎn)品質(zhì)量形成的過程中占據(jù)著主導(dǎo)地位,因此對產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量的研究越來越受到重視。許多學(xué)者都嘗試對產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量作出了定義。

根據(jù)菲利普?克勞斯比的質(zhì)量定義：“質(zhì)量即是符合要求,而不是好”衍生出質(zhì)量其它三原則：

1)質(zhì)量是預(yù)防出來的,而不是檢驗(yàn)出來的。

2)質(zhì)量的工作標(biāo)準(zhǔn)是零缺陷,而不是可接受的質(zhì)量水平。

3)質(zhì)量的衡量標(biāo)準(zhǔn)是“不符合要求的代價(jià)”,而不是指數(shù)。

逯金聲[1]認(rèn)為設(shè)計(jì)質(zhì)量包括市場調(diào)研、研制開發(fā)、適用性設(shè)計(jì)和制造方法設(shè)計(jì)四個(gè)主要方面。袁清珂[2]等指出在傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法學(xué)中,產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量用來表示所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品是否能夠滿足設(shè)計(jì)任務(wù)書中所規(guī)定的產(chǎn)品性能指標(biāo)。羅均等[3]認(rèn)為產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量是指所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品是否能夠滿足市場需求、性能是否最佳、是否易于制造和維護(hù)、經(jīng)濟(jì)性是否合理、對生態(tài)環(huán)境是否造成危害、風(fēng)險(xiǎn)是否最小等,所以說產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量是一個(gè)集技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、市場、環(huán)境等多方面為一體的復(fù)雜的、多層次的、且信息不夠完全的綜合系統(tǒng)。王銀書[4]認(rèn)為產(chǎn)品設(shè)計(jì)是從明確設(shè)計(jì)任務(wù)開始,到完成圖樣和技術(shù)文件為止的技術(shù)作業(yè)過程。它包括對顧客需求的分析、設(shè)計(jì)方案的優(yōu)選、制圖、驗(yàn)證、定型等一系列內(nèi)容。郎代兵[5]認(rèn)為通常情況下產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量包括設(shè)計(jì)的正確性、合理性和規(guī)范性3部分內(nèi)容。

從逯金聲、袁清珂、羅均、王銀書和郎代兵的研究成果來看,五人對設(shè)計(jì)質(zhì)量看法不一。逯金聲主要是從流程上來看待產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量,袁清珂和羅均則是從系統(tǒng)工程的角度來看待產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量,王銀書從作業(yè)過程來定義產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量,郎代兵將產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量分為設(shè)計(jì)的正確性、合理性和規(guī)范性三個(gè)方面進(jìn)行研究。以上定義反映了設(shè)計(jì)質(zhì)量特征,較為客觀地刻畫了設(shè)計(jì)質(zhì)量的特點(diǎn)和內(nèi)容。另外可以看出,上述對產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量的定義更加重視的是設(shè)計(jì)成果的實(shí)用性,即對設(shè)計(jì)質(zhì)量的定義偏重于對設(shè)計(jì)結(jié)果的衡量。

2.2 艦船設(shè)計(jì)質(zhì)量

圖1 艦船裝備質(zhì)量特性概念模型

為了有效表征艦船裝備的質(zhì)量,其質(zhì)量特性需要表達(dá)軍方、企業(yè)和技術(shù)人員對艦船裝備質(zhì)量的多視角的認(rèn)識(shí)與度量,為此,艦船裝備質(zhì)量特性三層結(jié)構(gòu)的概念模型見圖1。如圖中所示,質(zhì)量特性由反映軍方使用需求的質(zhì)量特性維度、反映企業(yè)評價(jià)與競爭要求的量特性要素和反映工程師設(shè)計(jì)要求的質(zhì)量特性屬性所構(gòu)成,它們構(gòu)成了艦船裝備質(zhì)量特性的集合。

艦船裝備質(zhì)量特性具有多態(tài)性、多維性和演化性特點(diǎn)：多態(tài)性表現(xiàn)在它必須能夠同時(shí)表達(dá)用戶質(zhì)量特性、裝備外在質(zhì)量特性和裝備內(nèi)部質(zhì)量特性;多維性特點(diǎn)主要體現(xiàn)在艦船裝備質(zhì)量特性集合參數(shù)種類和數(shù)量上;演化性特點(diǎn)主要體現(xiàn)在艦船裝備各級質(zhì)量特性信息相互傳遞和反饋過程中。為了讓裝備具備特定的質(zhì)量特性,首先需要在研制策劃階段確定裝備質(zhì)量特性集合,然后在研制階段進(jìn)行質(zhì)量合成,將質(zhì)量特性設(shè)計(jì)進(jìn)入裝備方案。為了將裝備質(zhì)量特性合成到方案中去,需要與裝備研制工程緊密關(guān)聯(lián),從研制過程中形成裝備質(zhì)量特性,實(shí)現(xiàn)質(zhì)量特性維度、質(zhì)量特性要素到質(zhì)量特性屬性等不同層次的質(zhì)量需求的依次轉(zhuǎn)化,明確裝備質(zhì)量保證目標(biāo)。

1)技術(shù)質(zhì)量：指設(shè)計(jì)要求的符合性,設(shè)計(jì)方法和結(jié)果的正確性、可靠性、安全性、經(jīng)濟(jì)性等,一般反映所設(shè)計(jì)產(chǎn)品的質(zhì)量。

2)設(shè)計(jì)驗(yàn)證的質(zhì)量：指設(shè)計(jì)驗(yàn)證的充分性、正確性和可信性。

3)設(shè)計(jì)質(zhì)量的置信度：指設(shè)計(jì)過程的質(zhì)量、可視化程度和質(zhì)量保證級別。

4)“設(shè)計(jì)”描述的質(zhì)量：指設(shè)計(jì)文件的充分性,描述的正確性、可理解性及文件的表觀質(zhì)量等。

5)“設(shè)計(jì)”的使用性：指設(shè)計(jì)的健壯性、可重用性和標(biāo)準(zhǔn)化率。

6)“設(shè)計(jì)”交付的質(zhì)量：指提交設(shè)計(jì)文件的及時(shí)性、設(shè)計(jì)交底的質(zhì)量等。

從以上質(zhì)量構(gòu)成可知定量或定性的設(shè)計(jì)質(zhì)量指標(biāo)是由設(shè)計(jì)的技術(shù)水平、文件質(zhì)量和過程質(zhì)量來度量的。

根據(jù)一般產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量的概念與內(nèi)涵,本文認(rèn)為艦船的設(shè)計(jì)質(zhì)量是一個(gè)逐步形成的過程,是諸多因素共同作用的結(jié)果。

艦船同一般意義上的產(chǎn)品是不同的,體現(xiàn)在其質(zhì)量上主要是指具有比一般意義上的產(chǎn)品質(zhì)量更加嚴(yán)格的要求,因此體現(xiàn)在其設(shè)計(jì)質(zhì)量上是具有諸多方面的特殊性。

根據(jù)以上分析,定義艦船設(shè)計(jì)質(zhì)量時(shí),應(yīng)該注意以下幾個(gè)方面的內(nèi)容：

1)與一般產(chǎn)品相比,具有明確的目標(biāo)性。這是武器裝備設(shè)計(jì)的根本出發(fā)點(diǎn),也是其最重要的特點(diǎn)之一,因此也是艦船設(shè)計(jì)質(zhì)量的重要特點(diǎn)。在艦船的設(shè)計(jì)過程中,其任務(wù)和目標(biāo)都是明確的,也就是通常所說的作戰(zhàn)任務(wù)書。從這一意義上說,艦船的設(shè)計(jì)質(zhì)量必須具有明確的目標(biāo)性。

2)具有一定的時(shí)效性。時(shí)效性即對時(shí)間有一定的要求,設(shè)計(jì)質(zhì)量是一個(gè)過程質(zhì)量,然而這個(gè)過程不是無限的,體現(xiàn)在一般產(chǎn)品上就是要盡快占領(lǐng)市場,對于武器裝備來說就是要盡快形成戰(zhàn)斗力。武器裝備設(shè)計(jì)通常要求是在一定的時(shí)間范圍內(nèi)完成,以保證武器裝備及時(shí)形成戰(zhàn)斗力。即艦船設(shè)計(jì)要在一定的時(shí)間范圍內(nèi),得到達(dá)到軍方要求的設(shè)計(jì)成果,因此,艦船的設(shè)計(jì)質(zhì)量是具有一定的時(shí)效性的。

3)可以通過預(yù)先分析、評估和反饋加以提高,這是設(shè)計(jì)質(zhì)量與制造質(zhì)量、檢驗(yàn)質(zhì)量和使用質(zhì)量最本質(zhì)的區(qū)別。艦船的設(shè)計(jì)質(zhì)量是可以通過設(shè)計(jì)過程的質(zhì)量控制、不斷的評審與反饋得以提高的。

艦船的設(shè)計(jì)質(zhì)量定義為：在一定條件下,設(shè)計(jì)人員運(yùn)用各種知識(shí)和工具,將軍方的需求(即戰(zhàn)術(shù)技術(shù)任務(wù)書),轉(zhuǎn)化為設(shè)計(jì)方案(即一系列可操作的圖樣和技術(shù)文件)的過程中,所消耗的時(shí)間與費(fèi)用,所形成的設(shè)計(jì)方案以及該方案的工業(yè)可制造性等方面的綜合衡量。該設(shè)計(jì)質(zhì)量是一個(gè)動(dòng)態(tài)的質(zhì)量,它依據(jù)軍方需求的變化而變化,唯一不變的是它以滿足軍方需求為根本宗旨。

2.3 艦船設(shè)計(jì)質(zhì)量的影響因素分析

從對艦船設(shè)計(jì)質(zhì)量定義的理解,艦船設(shè)計(jì)質(zhì)量可以說是一個(gè)多方面綜合的反映,歸納起來可以將艦船設(shè)計(jì)質(zhì)量影響因素分為輸入型和輸出型兩種。輸入型影響因素包括設(shè)計(jì)人員、設(shè)計(jì)理念、設(shè)計(jì)方法、技術(shù)條件和設(shè)計(jì)環(huán)境,輸出型影響因素包括設(shè)計(jì)方案所體現(xiàn)的技術(shù)與性能水平及設(shè)計(jì)方案的制造可行性。艦船設(shè)計(jì)質(zhì)量影響因素如圖2所示。

因?yàn)槲墨I(xiàn)[10]將資源浪費(fèi)作為首要優(yōu)化條件，然后在不影響主目標(biāo)的前提下盡量降低布線長度，所以本文采用同樣的方式，選取w1=Resmax，w2=1，w3=1的參數(shù)配置，按照這樣的目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，意味著在找到最少資源浪費(fèi)的布局中挑選一個(gè)布線長度最短的作為最終布局結(jié)果.

圖2 艦船設(shè)計(jì)質(zhì)量影響因素

3 魚刺圖與設(shè)計(jì)FM EA結(jié)合的方法

3.1 基于魚刺圖及設(shè)計(jì)FMEA的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤原因及對策分析技術(shù)

用因果分析圖(魚刺圖)分析問題的因果關(guān)系,能指出可能引起問題出現(xiàn)的原因,通過識(shí)別癥狀、分析原因、尋找措施、促使問題解決[6]。在設(shè)計(jì)質(zhì)量管理中,根據(jù)質(zhì)量的影響因素,用于設(shè)計(jì)分析的魚刺圖可從“人” 、“法”、“技” 、“環(huán)”、“管”等五個(gè)方面予以分析(圖3)。

圖3 常用魚刺圖的形式

由于這5個(gè)因素的每一方面又包含了許多具體的因素,這些因素又是其它因素作用的結(jié)果,因此在設(shè)計(jì)過程中,分析影響質(zhì)量的原因時(shí),要把對質(zhì)量發(fā)生作用的各種因素條理化,把原因和結(jié)果的關(guān)系搞清楚,才能采取相應(yīng)的措施,控制質(zhì)量水平。在實(shí)際分析中,首先應(yīng)找出影響質(zhì)量問題的大原因,然后尋找到大原因背后的中原因,再從中原因找到小原因和更小的原因,最終查明主要的直接原因。魚刺圖法是一種分析影響設(shè)計(jì)質(zhì)量各種原因的有效方法之一。

故障模式影響分析(Failure Mode and Effects Analysis,簡記為FMEA)是分析系統(tǒng)中每一產(chǎn)品所有可能產(chǎn)生的故障模式及其對系統(tǒng)造成的所有可能影響,并按每一個(gè)故障模式的嚴(yán)重程度、檢測難易程度以及發(fā)生頻度予以分類的一種歸納分析方法。故障模式影響及危害性分析(Failure Mode,Effects and Criticality Analysis,簡記為FMEA)是故障模式影響分析(FMEA)和危害性分析(Criticality Analysis-CA)的組合分析方法[7～8]。

設(shè)計(jì)FMEA(Processing Failure Mode&Effect Analysis)是一種對設(shè)計(jì)過程進(jìn)行分析的方法,可對設(shè)計(jì)過程進(jìn)行量化分析。它與傳統(tǒng)用于產(chǎn)品設(shè)可靠性設(shè)計(jì)的FMEA方法不同,傳統(tǒng)的FMEA主要用于硬件可靠性分析,是從產(chǎn)品自身故障分析出發(fā),已經(jīng)形成標(biāo)準(zhǔn)。

設(shè)計(jì)FMEA分析包括設(shè)計(jì)錯(cuò)誤模式影響分析(FMEA)和危害性分析(CA)兩個(gè)步驟。FMEA又包括設(shè)計(jì)錯(cuò)誤模式分析、設(shè)計(jì)錯(cuò)誤原因分析、影響分析、檢測方法分析與補(bǔ)償措施分析等步驟。錯(cuò)誤模式分析是找出設(shè)計(jì)修中(包括設(shè)計(jì)要素、設(shè)計(jì)流程、設(shè)計(jì)人員等)所有可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤模式。錯(cuò)誤原因分析是找出每一個(gè)錯(cuò)誤模式產(chǎn)生的原因。錯(cuò)誤影響分析是找出設(shè)計(jì)中所有可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤所產(chǎn)生的影響,并按這些影響的嚴(yán)重程度進(jìn)行分類。錯(cuò)誤檢測方法分析是分析每一種錯(cuò)誤模式是否存在特定的發(fā)現(xiàn)該錯(cuò)誤模式的檢測方法,從而為系統(tǒng)的錯(cuò)誤檢測與隔離設(shè)計(jì)提供依據(jù)。補(bǔ)償措施分析是針對錯(cuò)誤影響嚴(yán)重的故障模式,提出設(shè)計(jì)改進(jìn)的措施。

CA是對設(shè)計(jì)錯(cuò)誤嚴(yán)重程度進(jìn)行評估。

通過FMEA可以確定維修的各個(gè)階段可能出現(xiàn)的質(zhì)量問題點(diǎn),FMEA結(jié)果可作為改善對象加入設(shè)計(jì)計(jì)劃之中,從而有利于設(shè)計(jì)質(zhì)量問題的預(yù)防。FMEA實(shí)施步驟如圖4所示。

圖4 FM EA實(shí)施步驟

因果圖能夠全面地反映設(shè)計(jì)質(zhì)量的因果關(guān)系,它不僅把設(shè)計(jì)質(zhì)量中存在的問題與產(chǎn)生的原因表現(xiàn)出來,而且層次分明,可以從中反映各種質(zhì)量之間的關(guān)系,反映某一原因是通過什么途徑影響其結(jié)果的。但是魚刺圖不能將各原因之間的因果關(guān)系明確的表示出來,同時(shí)對魚刺圖分析得出質(zhì)量問題的原因的破壞程度(致命度)不能做出很好的評估,難以確定各個(gè)質(zhì)量問題原因的重要度順序。設(shè)計(jì)FMEA通過對設(shè)計(jì)中各個(gè)環(huán)節(jié)的分析,找出設(shè)計(jì)過程潛在的故障模式,分析每種錯(cuò)誤模式對設(shè)計(jì)的影響,并能夠評價(jià)出每種錯(cuò)誤模式影響的嚴(yán)重程度,根據(jù)評價(jià)結(jié)果,制定相應(yīng)管理措施和修正方式。但是分析錯(cuò)誤原因沒有魚刺圖那么形象直觀,所以將二者結(jié)合起來,對設(shè)計(jì)質(zhì)量問題的原因及對策進(jìn)行分析,可以取得良好的效果。

3.2 基于設(shè)計(jì)流程卡的質(zhì)量控制

借鑒裝備維修管理中的卡片制度,在裝備設(shè)計(jì)質(zhì)量控制工作中,實(shí)行設(shè)計(jì)作業(yè)卡片制度是保證設(shè)計(jì)質(zhì)量的一項(xiàng)重要舉措。設(shè)計(jì)工作具有很強(qiáng)的規(guī)范性,不規(guī)范很容易導(dǎo)致“錯(cuò)、忘、漏、損”,直接影響著設(shè)計(jì)質(zhì)量。已有的設(shè)計(jì)質(zhì)量經(jīng)驗(yàn)也必須通過嚴(yán)謹(jǐn)、規(guī)范的形式傳遞給現(xiàn)任設(shè)計(jì)師們,這樣經(jīng)驗(yàn)的作用才能得到更好的保證。通過各類專業(yè)的“設(shè)計(jì)流程卡”的制作,將各專業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范以及已有的質(zhì)量經(jīng)驗(yàn)制成卡,要求維修人員熟記,強(qiáng)化條例、法規(guī)和安全觀念。實(shí)施依卡帶教,依卡考核,依卡驗(yàn)收上崗。這樣做,不但使得設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)工作規(guī)范,而且熟記了常用標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范,有效地鑒戒了已有的質(zhì)量經(jīng)驗(yàn),為確保艦船的設(shè)計(jì)質(zhì)量打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

設(shè)計(jì)流程卡主要作用有兩個(gè)方面,一個(gè)是預(yù)防設(shè)計(jì)中錯(cuò)誤事件的出現(xiàn);一個(gè)是確保設(shè)計(jì)流程的規(guī)范、完整。預(yù)防設(shè)計(jì)中錯(cuò)誤出現(xiàn)的流程卡是依據(jù)設(shè)計(jì)FMEA分析的結(jié)果制定;確保設(shè)計(jì)過程規(guī)范、完整,則是各專業(yè)的標(biāo)準(zhǔn),規(guī)范制定的。本題研究設(shè)計(jì)質(zhì)量控制技術(shù),主要是解決如何預(yù)防質(zhì)量事件出現(xiàn)的問題,為此,本題設(shè)計(jì)了能夠起到第一個(gè)作用的設(shè)計(jì)流程卡,如圖5所示。

圖5 設(shè)計(jì)流程卡

實(shí)踐證明,按卡操作是防止和減少差錯(cuò)的有力措施,而那種操作者憑記憶、檢驗(yàn)者憑經(jīng)驗(yàn)的傳統(tǒng)模式已經(jīng)不適應(yīng)現(xiàn)實(shí)新型復(fù)雜裝備設(shè)計(jì)的需要。雖然按卡操作麻煩一些,但對設(shè)計(jì)人員克服隨意性、減少遺忘性,保證設(shè)計(jì)作業(yè)的嚴(yán)肅性、準(zhǔn)確性,培養(yǎng)認(rèn)真負(fù)責(zé)的優(yōu)良作風(fēng)大有好處。

4 結(jié)語

根據(jù)艦船研制的特點(diǎn),結(jié)合魚刺圖和設(shè)計(jì)FMEA,本文提出了一種新的設(shè)計(jì)質(zhì)量控制方法。該方法能夠?qū)υO(shè)計(jì)過程可能產(chǎn)生的錯(cuò)誤、原因、影響及對策予以全面而細(xì)致的分析,并以流程跟蹤卡的形式將分析結(jié)論具體落實(shí)到設(shè)計(jì)工作中。

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