航空發動機葉片專業化能力建設方法研究

李金芝，張 波

（中國航空規劃設計研究總院有限公司，北京 100120）

渦輪葉片是航空發動機上的關鍵、易損、難加工部件，研發、生產難度極大[1-3]，能夠直接決定發動機的性能、安全與壽命，是發動機的關鍵部件之一。我國航空工業經過多年的投資建設，總體上已形成了較強的葉片研制、生產能力，基本能夠滿足國內發動機的研制、生產需要，但也存在一定問題。主要表現在國內葉片的生產技術水平與國外存在較大差距（尤其是先進的定向、單晶葉片[4，5]），生產模式與管理方面存在混線生產、業務分工定位不甚合理、重復建設多等多種問題，這使得葉片成為我國航空發動機高效發展的瓶頸之一[6，7]。國外優秀的航空制造企業，如GE、空客等，通過專業化發展的手段，以優異中心（COE，Center of Excellence）模式實現資源優化整合，使企業核心競爭力得以提升[8]。

COE是產生于核心競爭力理論盛行背景之下的一種全新的組織架構形式，它吸取了稍前的流程再造、時下的并行工程、產品全壽命管理等多種理論思潮，直接從組織架構方式的改變來實現對競爭能力的獲取，將專業化發展與組織建設緊密結合在一起。COE的主要優勢體現在可以實現資源的整合，從而降低生產成本，提高生產效率；可以降低企業的投資風險，改進組織結構，實現優秀資源的聯盟；同時COE模式具有良好的實用性，可以提高企業的核心競爭力。以資源的整合為例，采用COE模式不但可以避免重復建設產生的成本浪費等問題，同時還可以集中技術等優勢開展相關研制生產工作，進而提高企業的核心競爭力。借鑒國外的先進經驗，國內也開始探討采用COE模式解決目前生產管理方面存在的問題，降本增效，實現資源整合[9]。

開展航空發動機渦輪葉片COE建設，必須結合生產現狀。當前，中航工業渦輪葉片的生產主要集中在各主機廠、渦輪葉片專業化生產廠和研究院所等單位，各單位的專業化能力建設是目前首要解決的核心問題之一。本文采用供應鏈管理領域中的目標規劃模型和綜合評價模型[10]對專業化能力建設開展深入分析，以期為葉片的專業化建設提供科學、合理的方法指導。值得注意的是，作為一個方法研究，本文對一些技術細節進行了簡化和處理。例如，忽略了同一種葉片在不同制造企業制造設備和工藝上的差異性；為保護相關企業的內部信息，有關產量和價格信息也做了一定的隨機化處理。此外，本研究屬于2013年航空基金支持項目，文中所述情況可能與行業內的當前現實有所出入，因此得到的具體結論與建議可能并不適合當前。

1 目標規劃模型

目標規劃可以根據各個目標的相對重要程度，給出最大程度滿足多個優化目標的解決方案。本文將通過建立目標規劃模型給出各單位生產不同類型葉片產品的參考方案。

由于影響各單位業務分工的因素很多，本文采用德爾菲法開展調研分析，最終確定重點考察技術、質量、效率、成本這幾方面因素。為不失一般性，我們可以將問題描述為：有m個葉片廠分別生產n種葉片產品供應發動機公司，現擬確定分工方案，以質量、產能利用率和成本為目標，建立目標規劃模型如下：

其中，

Zij=0或 1，

Xij≥0并且為整數

i=1，…，m

j=1，…，n

決策變量：

Xij：葉片廠i生產葉片產品j的產量的決策變量（單位：件/年）；

Zij：葉片廠i是否生產葉片產品j的0-1決策變量，該變量取1表示葉片廠i生產葉片產品j，取0表示不生產；

，：表示決策結果與目標之間差距的偏移變量。

模型參數：

i=1，…，m，表示葉片廠的集合；

j=1，…，n，表示葉片產品品種的集合；

Dj：市場對葉片產品j的需求量，單位：件/年；

pij：葉片廠i生產葉片產品j時的合格率；

kij：葉片廠i能夠用于生產葉片產品j的總產能，單位：件/年；

β：產能利用率的目標值，根據一般設備投資決策所參考的產能利用率要求，將此目標值設為80%；

γ：利潤率；

Ri：葉片廠i的期望年銷售收入，單位：元/年；

vcij：葉片廠i生產葉片產品j時的可變成本，單位：元/件；

fcij：葉片廠i生產葉片產品j時的固定成本，單位：元/年；

w1，w2，w3：各目標的權重，依據專家建議，本文取0.74，0.14，0.12。

根據實際情況，葉片生產單位主要包括5家，分別用A、B、C、D、E表示，葉片產品類型包括低壓導向葉片、高壓導向葉片、低壓工作葉片、高壓工作葉片共四類。對葉片產品合格率、產品利潤率、市場需求量、生產總產能、可變成本、固定成本以及年期望銷售收入等相關參數開展調研，得到以下結論：

市場對高壓工作葉片的需求量高于其他三類葉片，對低壓導向葉片的需求量最小；高壓工作葉片的產品利潤率高于其他三類葉片；D廠的期望年銷售收入遠高于其他四家單位；A廠、C廠高壓工作葉片的合格率較高，B廠低壓工作葉片合格率較高，D廠高壓導向和高壓工作葉片合格率較高，E廠低壓工作和高壓工作葉片合格率較高；A廠各類型葉片產能相同，B廠高壓葉片的產能高于低壓葉片，C廠低壓工作葉片產能最高，D廠高壓葉片和低壓工作葉片產能相同，且高于低壓導向葉片，E廠高壓工作葉片產能較高；A、B、C廠的可變成本相同，D、E廠的高壓導向葉片可變成本較高；從固定成本角度，各廠在高壓工作葉片上的固定成本最高。將調研數據分析計算，得到下表1～表7。

本文選擇應用求解數學規劃問題的專業軟件Lingo（Linear Interactive and General Optimizer）對目標規劃進行求解（圖1），將數據代入，可以得到求解結果輸出報告（圖2）。業務分工方案如表8所示。

表1 市場對葉片產品的需求量

表2 各類產品利潤率

表3 各葉片廠的期望年銷售收入/（萬元/年）

表4 各廠葉片產品合格率

表5 各廠用于生產葉片產品的總產能/（件/年）

表6 各廠生產葉片產品的可變成本/（萬元/件）*

表7 各廠生產葉片產品的固定成本/（萬元/件）

圖1 Lingo程序輸入界面

圖2 Lingo求解結果輸出報告

表8 業務分工方案數據表*

2 綜合評價模型

目標規劃模型的優勢在于可以根據各單位葉片生產相關歷史數據，量化地給出各單位承擔各類葉片產品生產的任務方案。但由于影響專業化建設的因素很多，而目標規劃模型正是由于需要量化數據，導致部分不易量化的數據難以在模型當中考慮。為了彌補目標規劃模型的不足，本文又通過建立綜合評價模型，來考察每個葉片廠在生產不同葉片產品時的優勢。

本文提出一套針對葉片供應鏈的初步評價指標體系，經德爾菲法確定了由技術創新、質量、柔性、生產效率、客戶滿意度、成本和人力資源等七方面組成評價指標體系，各指標的權重通過層次分析法確定，具體結果如表9所示。

根據前面得到的綜合評價指標體系模型，可以對各廠生產不同葉片產品時的績效進行評價。邀請專家根據表9中的各項指標針對各工廠按照10分制進行打分（10分為最優）。將各專家給出的分值進行算術平均，然后乘以對應的權重并累加，最后得到各廠生產不同葉片產品時的綜合績效得分，具體結果如表10所示。

表9 評價指標體系的指標及權重

通過對各廠綜合績效得分情況進行匯總排名，可得到表11。

表11 各廠綜合績效得分及排名匯總表

3 專業化能力建設方案

根據目標規劃模型和綜合評價模型，可以得到航空發動機渦輪葉片產品專業化生產方案如下：

（1）依據綜合評價模型，E廠和D廠在各類產品的排名中都分別位于第一、第二，且目標規劃模型給出的專業化建設方案里，E廠和D廠生產全品類葉片。結合實際情況，E廠在葉片產品研制、材料、工藝等方面具有很強的技術優勢，并且其地理位置在人才的吸引方面也具備一定的優勢，因此，適宜將E廠定位為葉片的專業技術研發單位，將D廠定位為全品類生產廠。

（2）C廠在綜合評價中盡管各品類的排名都在最后，但是從綜合評分的絕對值來看，其在低壓和高壓導向葉片上的得分相比在其它產品上的得分更高。因此，C廠應專注于生產低壓和高壓導向葉片，而這也與目標規劃模型中給出的方案相一致。

（3）根據目標規劃模型給出的專業化建設方案，B廠應重點生產低壓工作葉片和高壓工作葉片。而從綜合評價模型中可見，B廠在各品類產品排名中都位于第三，但從得分的絕對值來看與排名第二的D廠差距并不太大，而其中高壓導向葉片和高壓工作葉片上得分的差距最小。綜合考慮，B廠應專注于生產低壓工作葉片和高壓工作葉片。

（4）A廠在綜合評價中得分較高的兩項是低壓導向和低壓工作葉片，而目標規劃模型給出的方案是生產高壓導向葉片。考慮到前面在安排B廠的業務分工對目標規劃模型給出方案的調整可能對產能約束的影響，A廠應專注于生產高壓導向葉片和低壓導向葉片。

綜上所述，可得到專業化能力建設方案如表12所示。該建設方案，既考慮了各單位的自身特點和優勢，又考慮了生產能力的靈活性，非常適合我國航空工業當前的實際情況，有利于推動葉片專業化生產。

表12 專業化能力建設方案表

參考文獻：

[1] 霍武軍，孫護國.先進的航空發動機渦輪葉片涂層技術[J].航空科學技術，2001，（3）：34-36.

[2] 李海寧，趙，史耀耀，等.航空發動機風扇/壓氣機葉片制造關鍵技術[J].航空制造技術，2013，（16）：34-37.

[3] 透平機械現代制造技術叢書編委會.葉片制造技術[M].科學出版社，2002.

[4] 黃 維，黃春峰，王永明，等.先進航空發動機關鍵制造技術研究[J].國防制造技術，2009，（3）：42-48.

[5] 王增強.先進航空發動機關鍵制造技術[J].航空制造技術，2015，（22）：34-38.

[6] 桂忠樓，張鑫華，鐘振綱，等.高效冷卻單晶渦輪葉片制造技術的發展[J].航空制造工程，1998，（2）.

[7] 李滌塵，吳海華，盧秉恒，等.型芯型殼一體化空心渦輪葉片制造方法[J].航空制造技術，2009，（3）：38-42.

[8] Airbus.Airbus Centers of Excellence[J].Airbus information，2012，6：1-3.

[9]APPLICATION DELIVERY：CENTER OF EXCELLENCE EVOLUTION，WWW.MERCURY.COM.

[10] 馬士華，林 勇.供應鏈管理[M].北京：機械工業出版社，2000.