基于系統(tǒng)工程的壓氣機(jī)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)精益研發(fā)

■ 張學(xué)寶 張一彬 孫登科 陳維葦 李子為 張少平/ 中國航發(fā)渦輪院

基于系統(tǒng)工程方法和精益思維，以需求為牽引對發(fā)動機(jī)的壓氣機(jī)靜葉調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)研發(fā)，提高了產(chǎn)品精度和可靠性，將該方法固化至流程中可支撐研發(fā)體系的建設(shè)。

通過壓氣機(jī)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)靜子葉片的工作角度，是保證壓氣機(jī)在各種飛行工況下穩(wěn)定工作的有效措施。但由于調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)零件數(shù)量多，傳動鏈長，配合關(guān)系復(fù)雜，工作環(huán)境惡劣，使得可調(diào)葉片實(shí)際工作角度與設(shè)計(jì)預(yù)期存在一定偏差。若壓氣機(jī)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)在工作過程中失效或調(diào)節(jié)精度不足，可能導(dǎo)致失速、喘振，使發(fā)動機(jī)性能迅速惡化，甚至造成發(fā)動機(jī)損壞，嚴(yán)重影響飛行安全。創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)通過分析壓氣機(jī)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的傳統(tǒng)研發(fā)模式，發(fā)現(xiàn)研發(fā)活動僅包含“設(shè)計(jì)—制造—集成驗(yàn)證”環(huán)節(jié)，缺少系統(tǒng)的需求分析和驗(yàn)證策劃。因此，創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)運(yùn)用系統(tǒng)工程方法（見圖 1），對發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的研發(fā)活動進(jìn)行了全流程梳理，從需求出發(fā)開展了設(shè)計(jì)及驗(yàn)證。同時，對各研發(fā)子環(huán)節(jié)進(jìn)行精益改進(jìn)，突破了研發(fā)過程中的關(guān)鍵技術(shù)。最終，打通了調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)正向研發(fā)全流程，提高了調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)可靠性和設(shè)計(jì)成熟度。

圖1 系統(tǒng)工程方法示意

基于系統(tǒng)工程的精益研發(fā)方案

創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)以需求為牽引，從需求分析、設(shè)計(jì)仿真、制造協(xié)同、分級驗(yàn)證多個方面進(jìn)行研發(fā)梳理，對各子環(huán)節(jié)進(jìn)行精益改善，最終完成了流程重構(gòu)。具體內(nèi)容包括：基于頂層需求和使用場景完成調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)需求收集、捕獲和分解；針對需求進(jìn)行關(guān)鍵因素分析，找出影響調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)精度及可靠性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)、技術(shù)難點(diǎn)、解決途徑和驗(yàn)證手段；針對梳理出的關(guān)鍵因素，分析研制流程，填補(bǔ)現(xiàn)有研制流程中的缺失環(huán)節(jié)，突破相關(guān)設(shè)計(jì)仿真、裝配檢驗(yàn)和分級驗(yàn)證技術(shù)；對研發(fā)過程進(jìn)行提煉、梳理與重構(gòu)，建立基于系統(tǒng)工程的壓氣機(jī)靜子葉片調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)研發(fā)流程。調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)改進(jìn)及驗(yàn)證總體方案如圖2所示。

圖2 調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)改進(jìn)及驗(yàn)證總體方案

需求分析

創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)對壓氣機(jī)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)開展了基于使用場景的需求分析，由原先的強(qiáng)度需求拓展出剛度和精度等需求，再向縱深拓展出間隙、阻力等需求。具體包括基于場景進(jìn)行需求分析的思路，系統(tǒng)地梳理功能、性能、強(qiáng)度、工藝、“六性”等方面的需求；按照功能逐層分析分解的原則，對梳理出的需求進(jìn)行逐級分解；需求識別和分解完成后，采用卡諾分析方法，將所有的需求進(jìn)行分析和綜合，確定了改進(jìn)工作的基本方向。

基于需求分析結(jié)果，創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)針對壓氣機(jī)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)研制需求及研發(fā)過程中暴露的問題，將需求沿技術(shù)路徑轉(zhuǎn)化為功能要求、技術(shù)要求和結(jié)構(gòu)要求。經(jīng)評估，共識別出3項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)要素，分別是調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)強(qiáng)度、剛度和間隙。同時，初步給出對應(yīng)技術(shù)要素的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，以便進(jìn)行迭代設(shè)計(jì)，如圖3所示。

圖3 關(guān)鍵技術(shù)要素分析過程示意

設(shè)計(jì)仿真

針對識別出的強(qiáng)度、剛度、間隙等關(guān)鍵技術(shù)要素和初步設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)對調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)全傳動鏈的零件進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)。首先，更換主承力件的材料及優(yōu)化結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)剛性，改進(jìn)包含的零件，改進(jìn)前后對比如圖4所示；其次，對運(yùn)動副間隙進(jìn)行優(yōu)化，降低空程；最后，系統(tǒng)開展變形分析，避免運(yùn)動干涉，降低運(yùn)動負(fù)載等。

圖4 調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)改進(jìn)示意

為初步驗(yàn)證改進(jìn)設(shè)計(jì)的有效性，降低后續(xù)實(shí)物驗(yàn)證的成本和風(fēng)險，創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)基于需求分析得到仿真邊界，通過二次開發(fā)軟件，完成了“固”“力”“熱”3場耦合的機(jī)構(gòu)整體多體動力學(xué)仿真，獲得了集成環(huán)境溫度、材料彈性模量、氣動力、運(yùn)動副間隙等多種因素下的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)仿真結(jié)果。該仿真結(jié)果較傳統(tǒng)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)仿真和單體有限元仿真，更準(zhǔn)確地模擬了調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的真實(shí)工作環(huán)境，整體仿真精度提升約60%，提高了設(shè)計(jì)精度和迭代效率。

廠所協(xié)同

在試制環(huán)節(jié)，創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)與工藝人員開展點(diǎn)對點(diǎn)聯(lián)系，并基于面向制造的設(shè)計(jì)（DFM）思想，深入開展設(shè)計(jì)與制造的協(xié)同工作。改變了在傳統(tǒng)模式下設(shè)計(jì)僅關(guān)注功能、性能，工藝僅關(guān)注產(chǎn)品合格率的現(xiàn)象。設(shè)計(jì)充分考慮產(chǎn)品的可制造性和裝配性，工藝關(guān)注設(shè)計(jì)需求及使用場景，共同確保設(shè)計(jì)、制造和裝配一次成功。

創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)通過設(shè)計(jì)過程與制造過程分階段、并行開展，同時按照首件包和“四新”（新結(jié)構(gòu)、新材料、新工藝、新供方）驗(yàn)證管理辦法等管控研制過程，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)、制造和裝配的協(xié)同及過程質(zhì)量管控。通過以上改善，設(shè)計(jì)和制造周期可縮短約30%，實(shí)現(xiàn)了更改單、超差單數(shù)量“雙歸零”，確保了試制一次做對。

分級驗(yàn)證

創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)以需求為牽引，進(jìn)行壓氣機(jī)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)分級驗(yàn)證策劃，從零組件級—部件級—核心機(jī)級—整機(jī)級的自底向上驗(yàn)證思路開展驗(yàn)證工作。通過逐級驗(yàn)證需求和計(jì)劃、實(shí)施、檢查、行動（PDCA），提高驗(yàn)證效率，降低了系統(tǒng)研制風(fēng)險。

調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)葉片角度測量驗(yàn)證

為了驗(yàn)證結(jié)構(gòu)初始狀態(tài)下的精度需求符合性，降低基準(zhǔn)偏差對集成驗(yàn)證的影響，創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)自主設(shè)計(jì)了基于傾角儀的葉片安裝角測量裝置，如圖5所示，實(shí)現(xiàn)了部件狀態(tài)葉片角度的快速量化和控制，為設(shè)計(jì)制造迭代提供了數(shù)據(jù)支撐，大大降低了研發(fā)成本。

圖5 基于傾角儀的葉片安裝角測量方案示意

調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)零部件驗(yàn)證

為了能夠在部件狀態(tài)下獲取調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的剛度和間隙對精度的影響，創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)開發(fā)并首次完成了調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)剛度試驗(yàn)，成功捕獲了影響機(jī)構(gòu)精度的薄弱環(huán)節(jié)，驗(yàn)證了需求分析的合理性，同時也驗(yàn)證了改進(jìn)設(shè)計(jì)的需求符合性。

此外，研發(fā)團(tuán)隊(duì)還舉一反三，在剛度試驗(yàn)方案基礎(chǔ)上，開發(fā)出調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)間隙、阻力和摩擦系數(shù)等測試方法，為支持調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)改進(jìn)提供了重要支撐。

調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)集成驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)在真實(shí)工作環(huán)境下的工作能力，創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)按系統(tǒng)工程逐級驗(yàn)證思路，開展了核心機(jī)平臺葉片工作角度測量技術(shù)開發(fā)，以進(jìn)一步提高驗(yàn)證效率，降低驗(yàn)證風(fēng)險。

通過在核心機(jī)試驗(yàn)中，測量可調(diào)葉片角度，實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)狀態(tài)下的葉片角度實(shí)時測量和記錄。在獲取了可調(diào)葉片真實(shí)工作角度的同時，還額外捕獲了調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)精度影響因素，如作動筒支架剛性、套齒間隙等影響較大的因素，增加了需求捕獲的完整性，為調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)改進(jìn)迭代提供了強(qiáng)力支撐，如圖6所示。

圖6 壓氣機(jī)可調(diào)葉片角度測試示意

核心機(jī)驗(yàn)證完成后，隨整機(jī)進(jìn)行了長時間試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果表明，按照系統(tǒng)思維精益改進(jìn)后的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，可滿足功能、性能等需求，前期因調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)異常導(dǎo)致故障的試驗(yàn)參數(shù)信號未再現(xiàn)。

目前，改進(jìn)后的壓氣機(jī)靜葉調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)已完成剛度試驗(yàn)、角度測量試驗(yàn)及整機(jī)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)綜合剛度符合設(shè)計(jì)預(yù)期，葉片工作角度精度明顯提高，滿足設(shè)計(jì)需求。

流程重構(gòu)

研發(fā)流程是產(chǎn)品研發(fā)的指導(dǎo)地圖，是項(xiàng)目順利實(shí)施的保障和管控依據(jù)。創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)依據(jù)系統(tǒng)工程理論，以“正向設(shè)計(jì)驅(qū)動產(chǎn)品創(chuàng)新”為指導(dǎo)戰(zhàn)略，開展研制流程分析，重構(gòu)壓氣機(jī)靜葉調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)研制流程。新的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)研發(fā)流程，以需求為導(dǎo)向，逐級分解需求并驗(yàn)證需求，貫徹PDCA和精益改進(jìn)思想，較傳統(tǒng)的研發(fā)流程補(bǔ)充了精度分析、動力學(xué)仿真分析、工藝控制和分級驗(yàn)證環(huán)節(jié)，如圖7所示。

圖7 調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)研發(fā)流程

結(jié)束語

創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)通過系統(tǒng)工程的方法和精益研發(fā)的思想，以壓氣機(jī)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)為研究對象，開展需求分析、設(shè)計(jì)仿真、廠所協(xié)同、分級驗(yàn)證等方面研究，突破了設(shè)計(jì)仿真和分級驗(yàn)證領(lǐng)域的多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，使發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)精度提升了60%，并通過了發(fā)動機(jī)考核驗(yàn)證。同時，創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)總結(jié)項(xiàng)目成果，重構(gòu)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)研發(fā)流程，總結(jié)出了一系列設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、指南和規(guī)范，為研發(fā)體系建設(shè)提供了有力支撐。