六西格瑪設(shè)計(jì)方法在射流預(yù)冷裝置設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

劉旭峰， 薛洪科， 常鴻雯， 佟堯

（中國航發(fā)沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，沈陽110015）

0 引言

六西格瑪設(shè)計(jì)（DFSS）方法起源于系統(tǒng)工程領(lǐng)域，它是一種正向的精細(xì)化的設(shè)計(jì)方法，適用于新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和現(xiàn)有產(chǎn)品的改進(jìn)工作。它已成功地應(yīng)用于國外航空裝備產(chǎn)品研制和生產(chǎn)過程。DFSS的內(nèi)涵是一種靈活的綜合性系統(tǒng)方法論，它關(guān)注于顧客的需求，強(qiáng)調(diào)在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)初期預(yù)防缺陷，用數(shù)據(jù)說話和無邊界合作也是DFSS方法的顯著特點(diǎn)。

1 項(xiàng)目背景

高速渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)是未來航空領(lǐng)域的制高點(diǎn)，為迎合高速渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的迫切需求，近年來我國也在開展相關(guān)技術(shù)研究。從國外典型的高速渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品及研制路徑可知，高速渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的表現(xiàn)特征為：以現(xiàn)有的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)，采用組合循環(huán)方式或采用進(jìn)氣預(yù)冷卻擴(kuò)包線技術(shù)[1]。其中射流預(yù)冷技術(shù)即是進(jìn)氣預(yù)冷卻擴(kuò)包線技術(shù)的典型代表。

射流預(yù)冷裝置是射流預(yù)冷系統(tǒng)的重要組成部件，關(guān)系著射流預(yù)冷技術(shù)的安全性和可靠性。所謂射流預(yù)冷技術(shù)就是在常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇前端進(jìn)氣道內(nèi)加裝噴射預(yù)冷裝置，通過將冷卻介質(zhì)噴入到進(jìn)氣道內(nèi)，介質(zhì)蒸發(fā)吸熱，降低進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)入口的氣流溫度，同時(shí)還可以增加氣流的密度，影響進(jìn)氣質(zhì)量流量，進(jìn)而改善發(fā)動(dòng)機(jī)的推力性能[2]。

2 設(shè)計(jì)路徑

DFSS方法提供了精益的設(shè)計(jì)路徑，雖然該設(shè)計(jì)路徑迄今尚無統(tǒng)一的模式，但是在內(nèi)容上，都包含了“需求識(shí)別（簡稱I）”、“概念設(shè)計(jì)（簡稱C）”、“結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（簡稱D）”、“優(yōu)化階段（簡稱O）”、“設(shè)計(jì)驗(yàn)證（簡稱V）”等共性的步驟，如圖1所示。

圖1 DFSS方法論的共性步驟

本文依據(jù)的ICDOV的設(shè)計(jì)路徑如圖2所示，DFSS設(shè)計(jì)本質(zhì)上遵循了公理設(shè)計(jì)基本原理，即“需求域→功能域→結(jié)構(gòu)域→流程/工藝域”的設(shè)計(jì)邏輯。該路徑顯示了ICDOV設(shè)計(jì)路徑與公理設(shè)計(jì)的關(guān)系，明確了各階段的活動(dòng)內(nèi)容和輸出物。同時(shí)，還體現(xiàn)了項(xiàng)目管理和設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)控制與DFSS方法的內(nèi)在聯(lián)系。本論文沿用該設(shè)計(jì)路徑完成了射流預(yù)冷裝置的精細(xì)化設(shè)計(jì)工作。

3 實(shí)施過程

圖2 DFSS設(shè)計(jì)路徑

通過采用DFSS方法，找到影響射流預(yù)冷裝置噴射能力、溫度場均勻性、流阻特性、降溫能力的關(guān)鍵因子，采用有效的方法對其控制、優(yōu)化并驗(yàn)證，最終實(shí)現(xiàn)射流預(yù)冷裝置的低流阻系數(shù)、出口溫度場均勻性好、降溫量大的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

3.1 需求識(shí)別（I）階段

首先組建了10人多功能團(tuán)隊(duì)，確定了上游顧客、下游顧客和約束條件等8種顧客，并獲得40項(xiàng)需求，通過對需求的親和與卡諾分析，整理成12類需求。通過對需求項(xiàng)說明、衡量指標(biāo)確定、需求驗(yàn)證規(guī)劃的匯總，形成需求定義表，作為顧客需求的管理和追蹤基線文件。通過對顧客需求和射流預(yù)冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的理解，團(tuán)隊(duì)匯總形成37條技術(shù)要求。最終通過質(zhì)量功能展開（QFD）工具，實(shí)現(xiàn)了顧客需求與技術(shù)要求之間的相關(guān)性評價(jià)，并確定射流流量范圍、噴射介質(zhì)的霧化粒徑、射流裝置的總壓損失、壓力和溫度畸變指數(shù)、降溫量和蒸發(fā)率作為該階段的關(guān)鍵質(zhì)量特性，確認(rèn)以上關(guān)鍵質(zhì)量特性的目標(biāo)值之后作為該階段射流預(yù)冷裝置的設(shè)計(jì)目標(biāo)，如表1所示。

3.2 概念設(shè)計(jì)（C）階段

根據(jù)對顧客需求的理解，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)通過技術(shù)檢索確定出實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵質(zhì)量特性的關(guān)鍵技術(shù)4項(xiàng)，針對關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行概念碎片的搜集，概念碎片組合后形成8種概念方案，如圖3所示。團(tuán)隊(duì)使用PUGH矩陣和層次分析法，最終選擇了方案8（直桿型等間距布置噴桿＋離心霧化噴嘴）為最終方案。應(yīng)用運(yùn)行使用構(gòu)想的方法，確定噴水、不噴水、性能檢查、接口檢查等7個(gè)運(yùn)行使用場景，并以文檔形式完成任務(wù)描述、原理框圖分析、系統(tǒng)正常的功能流程以及功能異常情況及處理。完成了功能定義表，針對異常情況及處理完成了功能危害性分析（FHA），將預(yù)防措施落實(shí)至設(shè)計(jì)準(zhǔn)則當(dāng)中；基于功能流程圖建立功能-結(jié)構(gòu)的映射關(guān)系，通過QFD分析重要結(jié)構(gòu)部件為噴嘴、噴桿為關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。

表1 設(shè)計(jì)質(zhì)量表

圖3 概念方案

3.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（D）階段

使用了IDEF建模方法針對所有結(jié)構(gòu)識(shí)別了35個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)，由“結(jié)構(gòu)-設(shè)計(jì)參數(shù)”的質(zhì)量功能展開（QFD）分解，確定反映顧客需求的技術(shù)指標(biāo)和關(guān)鍵質(zhì)量特性的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)；關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)為噴桿個(gè)數(shù)、噴嘴個(gè)數(shù)、噴嘴流量、噴桿布局截面間距、噴桿截面型狀、噴嘴霧化粒徑6個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。對噴嘴、噴桿和接頭等零件進(jìn)行硬件FEMCA分析，制定改進(jìn)和補(bǔ)償措施。建立了數(shù)據(jù)收集計(jì)劃，收集并初步確定了重要結(jié)構(gòu)參數(shù)取值范圍，明確下一步的工作目標(biāo)，確定對總壓損失該質(zhì)量特性開展優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.4 優(yōu)化設(shè)計(jì)（O）階段

通過采用實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（DOE）、雙響應(yīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)，對射流預(yù)冷裝置的總壓恢復(fù)系數(shù)作為響應(yīng)變量，將噴桿的截面型狀和布置截面間距作為因子，分析了各因子及因子相互作用，確定關(guān)鍵因子及最優(yōu)設(shè)置水平，構(gòu)建傳遞函數(shù)，最終得到最優(yōu)的設(shè)計(jì)參數(shù)，噴桿采用翼型截面設(shè)計(jì)，通過整體鑄造再精加工的工藝方案，噴桿布置間距選為250 mm。至此階段，射流預(yù)冷裝置的所有結(jié)構(gòu)參數(shù)全部確定，射流預(yù)冷裝置模型如圖4所示。

3.5 設(shè)計(jì)驗(yàn)證（V）階段

首先建立驗(yàn)證計(jì)劃，通過對全尺寸試驗(yàn)件地面模擬試驗(yàn)，得到了射流預(yù)冷裝置降溫和總壓恢復(fù)系數(shù)等參數(shù)，通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析結(jié)果可知，射流裝置射流流量范圍、噴射介質(zhì)的霧化粒徑、射流裝置的總壓損失、壓力和溫度畸變指數(shù)、降溫量和蒸發(fā)率都達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

4 結(jié)論

圖4 射流預(yù)冷裝置模型

“需求識(shí)別”、“概念設(shè)計(jì)”、“結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”、“設(shè)計(jì)優(yōu)化”、“設(shè)計(jì)驗(yàn)證”——ICDOV5個(gè)步驟可以與我國航空武器裝備研制現(xiàn)狀和約束條件相融合，在射流預(yù)冷裝置上的應(yīng)用結(jié)果顯示，通過QFD工具和關(guān)鍵質(zhì)量特性的識(shí)別，為顧客需求向產(chǎn)品的轉(zhuǎn)換提供了方法和技術(shù)路徑；通過FHA分析、硬件FEMICA分析、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的建立實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)的規(guī)避和控制；通過需求定義、功能定義和接口定義的建立，為項(xiàng)目管理提供方法。

DFSS方法注重顧客需求的識(shí)別、分析與轉(zhuǎn)化，其核心是面向可靠性的系統(tǒng)化設(shè)計(jì)，關(guān)注設(shè)計(jì)過程的風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別。DFSS方法不僅提高了設(shè)計(jì)效率還保證了設(shè)計(jì)質(zhì)量，具有較好的示范和工程推廣價(jià)值。

[參考文獻(xiàn)]

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