多質量特性綜合權衡設計方法研究

王春瑤，王曉峰

（北京航空航天大學 可靠性工程研究所，北京 100191）

多質量特性綜合權衡設計方法研究

王春瑤，王曉峰

（北京航空航天大學 可靠性工程研究所，北京 100191）

隨著可靠性等通用質量特性在現代設備中發揮的作用越來越大，傳統設備中的序貫式設計方法已不能很好地滿足多質量特性設計要求，導致設計費用與設計時間大大增加。為使設備的多質量特性設計得到優化，以船用柴油機為對象提出了多質量特性綜合權衡設計方法，闡述其必要性，并根據并行工程理論給出其設計流程；為了與傳統序貫式設計方法進行對比，提出了綜合效能模型的概念，為設備多質量特性綜合技術的進一步發展提供思路。

多質量特性；綜合效能；船用柴油機

0 引言

多質量特性指的是設備的全面質量特性，包括專用質量特性和通用質量特性。專用質量特性反映的是不同設備自身的特點和個性特征，如柴油機的燃油消耗速率、額定功率、缸數等。通用質量特性則表征不同裝備的共性特征，如可靠性、維修性、測試性、保障性、安全性等。隨著現代設備朝著綜合化、系統化、多樣化的方向發展，其復雜程度日益提高，只考慮專用質量特性的傳統設計理念已無法滿足快速發展的現代設備對質量的要求。要減少設備的故障發生率，提高其使用壽命，降低維修成本，就必須在其研制、設計及制造、使用等各個階段將包含可靠性在內的通用質量特性考慮進去。本文以現代船用柴油機為對象說明開展多質量特性綜合權衡與設計分析工作的必要性，并給出了一種提高其綜合效能的模型。

1 問題提出

船用柴油機作為船舶動力系統的核心設備，在船舶安全行駛中起著決定性作用，不僅保證了船舶的運輸安全，更是其高效快捷經濟運行的基本保證。據統計，我國2 000 t以上的船舶中，以柴油機為動力的超過90%，預計船用柴油機的需求量將持續增長[1]。船用柴油機一旦發生故障，將會嚴重影響船舶的正常使用，使海上運營能力大打折扣。然而，柴油機的研制一直是我國設備研制過程中的薄弱環節，隨著現代海上力量的快速增強，現代船用柴油機的復雜程度更是有增無減，這直接導致故障機理復雜、故障模式多樣等諸多難題?？梢哉f，研發船用柴油機所涉及的問題已不僅僅是專用特性的問題，同時也涉及到通用質量特性。倘若柴油機某一子系統的通用質量特性水平不高，不僅會大大增加全壽命周期費用，而且還會影響到專用質量特性的發揮，為此開展船用柴油機多質量特性綜合設計工作是十分必要的。

在傳統的柴油機研發過程中，設計任務主要是由性能設計工程師獨立完成，往往只注重功能設計與性能指標的要求，而常常忽視了通用質量特性，更缺少綜合權衡設計及全壽命周期費用的理念。另外，通用質量特性工程師也無法參與到柴油機的性能設計中，兩者缺乏必要的協作，時常導致出現設計更改、時間和經費浪費的現象，即所謂的“信息孤島”。這大大增加了柴油機的研發周期和全壽命周期費用，浪費許多人力物力。

例如，在MTU595系列柴油機研制過程中只考慮了性能和功能設計，而未開展相應的測試性、可靠性和維修性等通用質量特性工作，不僅使其研發周期長達九年，維修保障困難，同時全壽命周期費用也居高不下。反之，同類型的MTU8000系列機型采用“預測設計”技術，在研發過程中開展了大量通用質量特性的設計工作。同時還采用了“動力單元”的設計技術，比如將氣缸套、氣缸蓋、冷卻水套、活塞及連桿等重要動力零部件組成一個模塊化整體，即“動力單元”，不僅提高了柴油機的剛性，還給維修帶來了方便；并將無冷卻水道、進氣箱與機油道同時鑄在機體中，這種結構形式具有較大的剛性，而且兩側還設有檢查門，給維修保養帶來方便等，從而使研制周期縮短為三年半，大大降低了全壽命周期費用[1-3]。

再比如美國通過對裝備壽命周期費用統計表明，傳統序貫模式下制造的設備，由于在產品研發過程中，只注重性能和功能的設計，而沒有考慮通用質量特性，從而導致其保障費用占據了較高比例。對船舶而言，前期采購費用約占25%~40%，后期使用保障費用占60%~75%[4]，表明在設備研發過程中必須將專用質量特性與可靠性、維修性和測試性等通用質量特性協同設計。

2 國內外研究現狀

國內對于柴油機諸多質量特性研究中，除了性能指標外，主要針對柴油機可靠性、維修性、測試性等單一質量特性的研究較多，對多質量特性綜合設計方法的研究較少。與此同時，國外對于多質量特性綜合分析技術的研究一直大幅領先國內，提出了很多理論和方法，如多學科優化、并行工程理論、一體化設計方法等，并在一些產品的設計過程中得到了應用。

2.1 船用柴油機可靠性分析技術研究現狀

可靠性技術最早是由美國科學家于20世紀40年代提出，50年代逐漸興起和形成的，至今已走過半個多世紀。研究范圍覆蓋了有限元計算、強度研究、零部件可靠性分析、整機可靠性預計、柴油機全壽命周期的可靠性等方面。如美國約翰迪爾公司于1964年底成立了可靠性研究部門，提出了發動機可靠性指標的目標值[5]。

船用柴油機作為復雜的大型系統，故障模式多種多樣，影響其可靠性的因素繁多，若要提高其可靠性，就必須對其故障機理、故障模式、故障嚴酷度進行深入研究。導致柴油機故障的因素有許多，大致可分為機械故障與電氣故障，如熱應力、熱疲勞、沖擊磨損、狀態監測傳感器及相關電路故障等。在工作過程中，需要分別對各模塊進行故障機理研究，得到各自模塊故障發生規律、故障模式及影響危害分析，從而建立模塊與故障模式、故障發生概率、影響危害分析的映射關系模型。

船用柴油機常用的嚴酷度類別依據最終可能出現的人員傷亡、產品損壞和環境損壞等方面的影響程度分為四類：安全性后果、使用性后果、非使用性后果、隱患性后果。根據對船用柴油機功能模塊的劃分，在分析各功能模塊故障模式及其發生概率的基礎上，針對所有故障模式進行嚴酷度分類，隨后選取故障嚴酷度高、發生概率大的故障模式，研究消除或減少此類故障的設計方法。

國內柴油機可靠性的研究開始于20世紀80年代，因起步較晚，故研究工作開展得還不夠深入，與國外先進水平還具有較大的差距，雖然近年來我國科技工作者對柴油機可靠性的研究傾注了很多心血，有了提高柴油機可靠性的措施，但總體來說收效甚微，其水平還難以滿足實際需求[6-8]。

2.2 船用柴油機維修性設計分析研究現狀

國外對于柴油機的維修性研究起步較早，目前已經明確了維修性在柴油機系統諸多特性中的定位，并基于此形成了一套較為完整的柴油機研制工程中的維修性工作體系。例如美國船用柴油機的研制過程中，海面作戰部與船用柴油機承制商應用裝備全系統、全壽命周期管理原則，堅持綜合保障和專業化修理，在設計中盡量最大化艦員級維修的作用，廣泛應用計算機技術，保障了柴油機維修性參數，并形成了從美國本土、海外軍事基地到艦艇部隊的全方位、高效能的維修網絡[9]。德國MAN公司與丹麥B&M公司合并后成立的MAN B&M公司開發出了一套專門用于柴油機曲軸和缸套的工具，可以在現場加工修理曲柄銷和氣缸套，縮短了維修時間，提高了維修效率，節約了維修成本[10]。

現代船用柴油機維修性設計分析技術研究應以維修性要求為基礎，以縮短基層級維修時間和提升船用柴油機可用度為目標，對維修級別和維修策略進行分析，同時根據故障模式影響及其發生概率分析、嚴酷度分析，選取柴油機系統中故障發生頻繁，故障危害大的功能模塊，研究需要進行基層級維修的功能模塊的維修要求，為建立船用柴油機的故障診斷方案提供依據。

我國維修性工程直到上世紀80年代以后才開始起步，由于飛機及其他設備系統的復雜性迅速增加，維修工作量日益增加，人們愈發意識到提高維修性的重要性。于是對柴油機的可維修性和維修性建模應用等方面都有研究成果。

第二代柴油機以MTU956柴油機為例，其維修計劃為預防性維修計劃，分為W1至W6的維修等級，其中W1維修等級——日常的運行監控；W2、W3和W4維修等級——周期性的維修工作，不需對發動機解體，可在運行間歇進行；W5維修等級——中修，部件修整，需對發動機部分解體；W6維修等級——大修，需對發動機全部拆開。

第三代柴油機維修要求規劃也是按照W1~W6級別，但維修間隔會極大提高。

2.3 船用柴油機測試性設計分析研究現狀

船舶柴油機由于自身結構特點與故障影響關聯耦合等原因并不能如電子裝備那樣廣泛采用機內測試（BIT），絕大部分測試需要通過外部測試設備或人工觀測的方式來完成，且絕大部分零部件無法脫離機器本身進行獨立的功能測試，因此，船用柴油機在測試性設計時應立足于原位，不解體檢測。

國內開展測試性的研究與推廣應用工作比國外晚得多，在我國原有船舶設備研制工程中，并未提及測試性要求的內容，沒有開展測試性工作。雖然對船用柴油機配備了先進的狀態監控系統，但卻得不到相應的回報。如某船主機運行不到300 h，即發生軸瓦嚴重磨損、曲軸裂紋等故障[11]。但監控系統卻顯示正常，說明這些柴油機設計時測試性考慮不足，不能及時準確反映故障隱患。因此只有全系統全壽命周期地考慮船舶柴油機的測試性問題，才能使其在全壽命周期內發揮出最優的性能。

總之，國內對于船用柴油機質量特性設計分析技術往往局限于單一質量特性，而對多質量特性綜合設計分析技術關注不足，實際應用較少。

3 綜合效能模型建立

船用柴油機是較為復雜的大型系統，影響其實際工作的因素繁多，相關技術指標多種多樣，若要建立船用柴油機綜合效能模型，應當對綜合效能模型的定義及影響因素進行深入研究。

3.1 船用柴油機綜合效能研究

在人們沒有對綜合效能形成足夠的重視之前，總是更看重柴油機性能與功能的表現，甚至在設計中犧牲其他特性如可靠性、維修性，這在實際應用中會產生很多問題。例如某船用柴油機在一段過程中能夠順利完成任務，但發生故障后的維修要長達數月甚至幾年的周期，這不僅耽誤時間，降低工作效率，毫無疑問還增加了費用，因此提高船用柴油機的綜合效能就變得至關重要。如圖1所示，在對船用柴油機進行研制時，除了傳統的性能、功能之外，還應當考慮可靠性、測試性、維修性、保障性及經濟性等指標，這些都是影響綜合效能的主要質量特性。

圖1　影響綜合效能的主要質量特性

什么是綜合效能？為了表征綜合效能比傳統單一特性設計方法有所提升，需對兩者進行量化比較。因此將單項特性的效能定義為其設計費用與設計時間的乘積。例如可靠性設計，用可靠性的設計費用與設計所需時間的乘積來表征其效能，顯而易見，其數值越小，說明效能越好。用公式表示如下：

式中，m為設計費用；t為設計時間；A為效能。

綜合效能則定義為所有影響綜合效能的質量特性效能的總和。公式表示即為：

式中，H為每個特性對應的指標要求；V為綜合效能；b為影響綜合效能的主要質量特性。

滿足綜合效能還有兩個約束條件：1）所有影響綜合效能的特性都必須考慮在內；2）所有特性都必須滿足指標要求。

傳統的柴油機設計方法采用的是序貫式設計方法，按照順序先設計好一個特性，再去考慮下一個特性，如圖2所示。

這樣在設計b2時便會與已設計好的b1產生沖突，同理，后面特性的設計也會受到前面已設計好特性的制約。這導致若要使每個特性都滿足指標要求，則需花費大量的費用與時間。因此給出了一個綜合權衡模式設計方法，如圖3所示。

圖2　傳統序貫模式設計流程

圖3　綜合權衡模式設計流程

該設計流程采用并行工程理論的思想[12]，將多個質量特性同時進行設計，例如，每個特性b設計都分為多個階段，在b1特性設計一個階段后（而不是全部完成）進入到b2特性的設計，b2特性設計一個階段后，進入b3特性的設計，或返回b1特性繼續設計，以此類推，每個特性在設計時都可以返回到任意一個特性模塊繼續設計。綜合權衡模式以整個系統的綜合效能最優為出發點，綜合統籌考慮多質量特性，既能縮短研制的周期，減少一些不必要的重復工作，還可以降低研制的費用。

3.2 船用柴油機綜合效能模型

為了進一步反應綜合效能比傳統方式效能有所提升，建立了綜合效能模型，如圖4所示。

圖4　綜合效能模型

式中，a1、a2、a3等為傳統模式下對應的單項質量特性的效能；c1、c2、c3等為綜合權衡下的單項質量特性的效能，數值越大，效能越差；V1為傳統模式下的總效能；V2為綜合效能。

傳統序貫式設計方法的總效能等于每個單項質量特性效能的和，即：

而在綜合權衡模式下，每個單項特性在滿足指標的情況下并不能都達到最優，其考慮的是整體綜合效能最優，即：

很明顯，新型船用柴油機多質量特性綜合建模方法滿足工程實際需求，其總體效果要優于傳統序貫設計方法。傳統設計方法得到的效能為V1，綜合設計方法得到的效能為V2，因此(V1-V2)/V1的百分比即為應用多質量特性綜合設計方法得到的綜合效能提升率。

由該模型可知，只要船用柴油機從設計研制初期就從綜合效能的角度出發，在整個設計研制階段更好地考慮多質量特性，既能提高船用柴油機的整體效能，縮短研制時間，又能降低全壽命周期費用。

4 結論

在對船用柴油機進行綜合效能分析，得到綜合效能模型之后，還可以制定出一個多質量特性綜合權衡設計方法的通用規范，為其他設備進行多質量特性綜合分析提供參考。

目前包括船用柴油機在內的大多數設備的通用質量特性研究還處在起步發展階段，多質量特性綜合權衡與設計分析方法能夠有效解決傳統單一特性獨立設計時所達不到的優化效果，從設計、研制、制造以及使用中全面提升設備的多質量特性，降低全壽命周期成本，大大提高研究效率，增加設備的綜合效能，對設備的發展起到非常重要的作用。

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Study on Comprehensive Trade-off Design Method of Multiple Quality Characteristics

Wang Chun-yao,Wang Xiao-feng

(Institute of Reliability Engineering,Beihang University,Beijing 100191,China)

With general quality characteristics such as reliability playing a more and more important role in modern weapons,the traditional sequential design has not well fulfilled the multiple quality characteristics design requirement,which makes design fee and time largely increase.In order to optimize multiple quality characteristics design of equipment,the paper treats marine diesel engine as an object,comes up with trade-off design of multiple quality characteristics,states its necessity and gives design process according to concurrent engineering.To compare with traditional sequential design,the paper also puts forward the concept of comprehensive effectiveness model,which provides thread for the further development of multiple quality characteristics technique of equipment.

multiple quality characteristics; comprehensive effectiveness; marine diesel engine

F273.2

A DOI：10.14141/j.31-1981.2016.05.012

王春瑤（1992—），男，碩士研究生，研究方向：測試性與故障診斷。