并行試驗管理技術(shù)在民用飛機全機疲勞試驗中的應(yīng)用

夏峰，牟珊珊

(中國飛機強度研究所 全尺寸飛機結(jié)構(gòu)靜力/疲勞航空科技重點實驗室，西安 710065)

0 引 言

近年來，我國航空武器裝備和民用航空進入了發(fā)展的快車道，規(guī)模不斷擴大。民用飛機研制是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，依據(jù)適航規(guī)章制度，必須通過適航符合性驗證試驗和有試驗支持的分析來表明飛機的設(shè)計、制造和使用維護等滿足相關(guān)適航條例要求。按照國內(nèi)目前的試驗技術(shù)，全機疲勞試驗所需時間一般為8～10年，期間要耗費大量設(shè)備成本、人力成本等。面對全機結(jié)構(gòu)疲勞試驗任務(wù)多、試驗周期緊等情況，為加速全機疲勞試驗進度，將并行工程的理念引入全機疲勞試驗中，把傳統(tǒng)串行工作轉(zhuǎn)化為并行工作，從而縮短試驗周期，降低試驗成本。

對并行工程最具代表性且被廣泛采用的定義是美國防御分析研究所IDA于1988年在其著名的R-338研究報告中給出的：“并行工程是對產(chǎn)品及其相關(guān)過程(包括制造過程和支持過程)進行并行、一體化設(shè)計的一種系統(tǒng)化的工作模式”[1]。這種工作模式要求設(shè)計者從設(shè)計初始就要考慮產(chǎn)品全生命周期(從概念形成到產(chǎn)品報廢)內(nèi)各階段的各種因素，并強調(diào)各部門的協(xié)同工作，最大限度地減少設(shè)計反復(fù)，縮短設(shè)計、生產(chǎn)準備和制造時間。

自19世紀80年代并行工程的概念提出以來，國內(nèi)外學者對其進行了廣泛的研究。D.Schrage等[2]分析了并行工程及其技術(shù)； J.Krammer等[3]介紹了并行工程在飛機研制中的應(yīng)用；P.Gaudenzi[4]，A.Braukhane等[5]介紹了并行工程在航天器設(shè)計中的應(yīng)用；G.Karpati等[6]研究了航空航天并行工程中的資源管理。除了理論研究，并行工程的理念也曾經(jīng)應(yīng)用在具體實例中。比如美國洛克希德公司在研制新型號導(dǎo)彈中通過應(yīng)用并行工程，將研發(fā)周期從5年縮短到2年。美國波音公司研制B777客機時采用并行工程，實現(xiàn)了5年內(nèi)從設(shè)計到試飛的一次成功，與B767客機相比，研制周期縮短了13個月[7]。

國內(nèi)對并行工程的研究工作開展的相對較晚。1995年國家成立由清華大學、上海交大、華工、北航和航天二院組成的聯(lián)合課題組，開始開展并行工程相關(guān)技術(shù)的研究[8]。多年以來，并行工程已經(jīng)在航空航天、船舶、汽車、計算機等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。魏法杰等[9]，于海燕[10]，李乃鑫等[11]分別介紹了并行工程在航空新產(chǎn)品開發(fā)、商用飛機研制、民用飛機維修中的應(yīng)用；方建平等[12]分析了并行工程在航天型號研制中的應(yīng)用與實踐；張涂[13]研究了并行工程在船舶設(shè)計中的應(yīng)用；楊勝統(tǒng)等[14]對汽車研發(fā)中的并行工程實效性進行分析。各領(lǐng)域通過采用并行工程，提高了工作效率，降低了成本，獲得了高額的經(jīng)濟利益。

通過查閱文獻發(fā)現(xiàn)，目前研究中鮮見并行工程在試驗管理尤其是全機疲勞試驗方面的研究。針對疲勞時間耗時長、成本高這一現(xiàn)狀，本文將并行工程理念引入全機疲勞試驗中，總結(jié)并提出并行試驗管理技術(shù)。通過在型號試驗中采用此技術(shù)，縮短試驗時間，試驗效率最高提高30%以上。

1 并行試驗管理技術(shù)及工程應(yīng)用

1.1 全機疲勞試驗

全機疲勞試驗是一項大型系統(tǒng)工程，涉及材料、結(jié)構(gòu)、力學、計算機輔助設(shè)計、電子測量、多通道自動控制、液(氣)壓控制和無損檢測等多個環(huán)節(jié)，需要多專業(yè)、多部門密切配合才能完成。

全機疲勞試驗全過程可以劃分為三個主要階段[15]，如圖1所示。第一階段為試驗準備階段，包括試驗策劃、試驗設(shè)計、試驗準備、試驗安裝與調(diào)試等，通常占試驗周期的20%；第二階段為試驗運行階段，包括試驗實施與過程控制、試驗數(shù)據(jù)處理分析等，除按要求完成所施加的循環(huán)載荷外，主要工作為無損檢測、應(yīng)變/位移測量、結(jié)構(gòu)維修，通常占試驗周期的70%；第三階段為試驗總結(jié)階段，包括試驗報告編寫及歸檔等，通常占試驗周期的10%。

圖1 全機疲勞試驗過程

從圖1可以看出：試驗準備和試驗運行這兩個階段包含了試驗90%的工作，在這兩個階段不但需要占用一定的場地、設(shè)備，而且需要多個部門協(xié)調(diào)配合工作。可見，全機疲勞試驗在不同階段都有多項工作，隨著全機疲勞試驗任務(wù)的增多，同一廠房、同一時間內(nèi)會存在多個疲勞試驗同步運行的情況。因此針對全機疲勞試驗各階段的特點，提出并行試驗管理技術(shù)，分別從單項疲勞試驗的并行管理、同一廠房多型號疲勞試驗的并行管理這兩個層面進行論述。

1.2 單項疲勞試驗的并行管理

單項疲勞試驗的并行管理主要針對試驗第一、第二階段的工作任務(wù)，包括試驗的策劃、設(shè)計、準備、安裝、調(diào)試、試運行和正式試驗等階段，按照“設(shè)計過程中各活動并行交叉進行”的同步并行管理思想，盡可能將每項任務(wù)同步并行進行。

1.2.1 試驗策劃階段的并行管理

該階段主要工作是了解試驗種類、性質(zhì)和規(guī)模等，對試驗人員、設(shè)備、場地等試驗資源進行總體規(guī)劃。在編制技術(shù)文件，例如試驗策劃書、試驗計劃總網(wǎng)絡(luò)圖等時，并行開展試驗設(shè)備，例如試驗控制設(shè)備、測量設(shè)備、通用設(shè)備等的市場調(diào)研、采購、生產(chǎn)規(guī)劃等。

1.2.2 試驗設(shè)計階段的并行管理

該階段主要工作是組建試驗團隊，進行人員分工，并行開展試驗設(shè)計工作；明確試驗難點，并行開展試驗技術(shù)攻關(guān)研究；根據(jù)試驗設(shè)計進程，確定試驗所需設(shè)備的種類、數(shù)量等，并行開展專用設(shè)備、通用設(shè)備、新研設(shè)備等生產(chǎn)、采購、驗收工作。

1.2.3 試驗安裝、調(diào)試、試運行的并行管理

該階段主要工作是試驗件驗收、應(yīng)變片粘貼引線、膠布帶粘貼、加載設(shè)備安裝、試驗單點調(diào)試、多點聯(lián)調(diào)等。在試驗件驗收交付前，與試驗件復(fù)裝并行開展部件無損檢測、應(yīng)變片補貼、通用設(shè)備的維護保養(yǎng)、測控系統(tǒng)的維護保養(yǎng)、泵站空壓站的維護保養(yǎng)、機動設(shè)備的維護保養(yǎng)、通用件補充生產(chǎn)、專用件生產(chǎn)驗收等工作。試驗件完成進場驗收標志試驗實施階段工作全面展開，可以并行開展膠布帶粘貼、杠桿系統(tǒng)組裝、承載系統(tǒng)安裝、測控系統(tǒng)調(diào)試、儀器儀表計量等多項工作。

1.2.4 試驗正式運行階段的并行管理

經(jīng)過一段時間的試運行，疲勞試驗轉(zhuǎn)入正式運行階段，這一階段通常占據(jù)整個試驗周期的70%。該階段主要工作是制定管理制度和試驗計劃，完成試驗周期性檢查和適航檢查，完成動態(tài)/靜態(tài)測量，完成儀器儀表計量/標檢、維修試驗件、維護設(shè)備，分析試驗數(shù)據(jù)等日常管理工作。其中部分管理工作可以同步并行開展。比如可以在試驗件維修期間，并行開展儀器儀表的計量/標檢、設(shè)備維護等工作。

1.3 同一廠房多型號疲勞試驗的并行管理

隨著疲勞試驗任務(wù)逐漸增多，同一廠房需要同時運行多個型號疲勞試驗。通過引入并行工程的管理理念，可以更加合理配置有限資源，縮短試驗周期，加速疲勞試驗進度。

1.3.1 建立疲勞試驗實施責任體系

建立“高效率的組織機構(gòu)”是并行管理的主要思想，也是實現(xiàn)并行管理的基礎(chǔ)。建立“高效率的組織機構(gòu)”首先要建立實施責任體系，如圖2所示。該體系要求將每一項具體工作落實到各負責人，管理責任明確化，獎懲辦法透明化，確保人人都管事，事事有人管。

圖2 疲勞試驗實施責任體系

1.3.2 建立全機疲勞試驗日常管理制度

圍繞責任體系，細化實化作業(yè)文件，標準化試驗各環(huán)節(jié)，確保執(zhí)行到位。通過技術(shù)協(xié)調(diào)會、交底會、班前會等形式建立協(xié)同作業(yè)機制。針對MA600，ARJ21-700，Y12F等全機疲勞試驗日常管理的各個環(huán)節(jié)，制定了試驗崗位責任制和操作規(guī)程，如圖3所示。

1.3.3 建立疲勞試驗聯(lián)合值班團隊和集中檢查團隊

按照“不同領(lǐng)域技術(shù)人員的全面參與和協(xié)同工作”的并行管理思想，針對同一廠房內(nèi)多個型號疲勞試驗并行運行的情況，在各型號疲勞試驗管理規(guī)程的基礎(chǔ)上，優(yōu)化人員配置，組建疲勞試驗聯(lián)合值班團隊，如圖4所示。該團隊由各個班組抽調(diào)人員組成，包括試驗指揮、加載設(shè)備維護檢查人員、液壓設(shè)備維護檢查人員、油泵站空壓站運行人員、控制系統(tǒng)操作人員，根據(jù)試驗現(xiàn)場情況，電工和采集系統(tǒng)操作人員視情加入、巡視。

圖4 疲勞試驗值班團隊及其職責

為了提高試驗檢查效率，集中有限的人力、物力，組建疲勞試驗集中檢查團隊，該團隊主要由加載設(shè)備維護檢查人員組成，與聯(lián)合值班團隊一同工作。

團隊人員每人職責不同，為了保障疲勞試驗安全有效運行，對作業(yè)文件進行梳理和優(yōu)化，建立詳細的人員職責，規(guī)范作業(yè)流程，明確責任劃分，落實責任到個人。

1.3.4 統(tǒng)籌調(diào)度試驗資源，提高試驗設(shè)備綜合效率

疲勞試驗占用試驗設(shè)備數(shù)量多、周期長。這些試驗設(shè)備中的計量設(shè)備，按照質(zhì)量管理體系要求，需要進行定期標檢。為了最大程度減小設(shè)備標檢對試驗進度的影響，可以將標檢工作與試驗的第三、第四步檢查工作同步進行。第三、第四個檢查階段需要拆除相關(guān)加載設(shè)備和口蓋，內(nèi)容多、周期長，在此階段開展標檢工作，可以最大程度減小對試驗進度的影響，如表1所示。

另外，按照試驗要求，每項疲勞試驗需要進行動態(tài)測量(實時測量動態(tài)跟蹤通道)和定期靜態(tài)測量(測量全部測量通道)。如果每項試驗都配置靜態(tài)測量所需測量設(shè)備，數(shù)量規(guī)模將會相當龐大，設(shè)備使用效率也會很低，因此可以根據(jù)各個廠房每項試驗靜態(tài)測量周期統(tǒng)籌調(diào)度、“削峰填谷”，實現(xiàn)測量設(shè)備“錯峰”使用，提高設(shè)備綜合效率，如表2所示。

同樣，每個廠房油源油路有限，需要根據(jù)廠房內(nèi)每項試驗規(guī)模、所需油源流量及進度，合理安排每個試驗的油泵、油路，如圖5所示。

圖5 全機疲勞試驗油泵、油路安排示意圖

表2 2017年測量設(shè)備統(tǒng)計

1.4 工程應(yīng)用

在疲勞試驗第一階段、第二階段中，采用單項疲勞試驗的并行管理技術(shù)，將各個階段可以并行進行的步驟盡量同步進行，并可在試驗設(shè)計階段根據(jù)需求適當采用新技術(shù)。通過采用并行試驗管理技術(shù)，試驗環(huán)節(jié)的總體效率得到整體提高。以MA600F貨運型飛機后機身疲勞試驗為例，從2013年2月24日收到試驗任務(wù)書到6月19日疲勞試驗正式運行僅用不到4個月時間，為以前同類型試驗的三分之二，提高效率30%以上。

在型號疲勞試驗日常管理中，采用多型號疲勞試驗的并行試驗管理技術(shù)，可達到優(yōu)化試驗管理流程，提高試驗效率的目的。以2017年106廠房疲勞試驗完成情況為例，MA600型飛機全機疲勞試驗提前20天完成10 000起落年度試驗計劃；MA600貨運型飛機后機身疲勞試驗提前64天完成3倍壽命試驗，提前100天超額完成19 000起落年度試驗計劃(原計劃16 000起落)。實踐表明多型號疲勞試驗并行運行的整體效率提高了10%以上。

1.5 小 結(jié)

通過研究全機疲勞試驗全過程不同階段的應(yīng)用，可以總結(jié)并行試驗管理技術(shù)的主要內(nèi)容就是在各項試驗開始前做好試驗的策劃、設(shè)計、準備、安裝調(diào)試、運行等各環(huán)節(jié)的規(guī)劃及各項工作安排，包括技術(shù)創(chuàng)新、工作流程、工作計劃等，將串行工作盡可能轉(zhuǎn)換為并行工作，并且每項工作內(nèi)容都能按照節(jié)點要求完成，否則會打亂計劃，導(dǎo)致試驗不能順利進行，甚至影響其他試驗的進度。

2 應(yīng)用并行試驗管理技術(shù)應(yīng)當注意的問題

2.1 在試驗安裝、調(diào)試、試運行中落實精細化管理

在試驗中要實現(xiàn)并行作業(yè)，需要對各項工作進行精細化管理，確保每個環(huán)節(jié)都能按節(jié)點保質(zhì)保量完成。通過精細化管理，積極提高試驗水平，縮短試驗各環(huán)節(jié)時間，才能在真正意義上實現(xiàn)同步并行。

在試驗安裝、調(diào)試及試運行階段，對試驗各項工作內(nèi)容進行細化，對每一個試驗做預(yù)先評估，梳理細化工作內(nèi)容，制定切實可行的日計劃、周計劃、月計劃，盡可能按計劃完成對應(yīng)工作。同時需要合理調(diào)配設(shè)備，彈性安排職工作息時間，解決人員、設(shè)備和場地緊張等問題。全面落實精細化管理實踐，現(xiàn)場工作要做細做精，排查安全隱患，保證后續(xù)試驗運行的順利進行。精細化管理實踐主要包括油路循環(huán)清洗、合理安排導(dǎo)線并保護、舷窗玻璃粘貼防爆膜、安裝放氣管路消音器、充氣管路更改和更換、充壓點監(jiān)視等，如圖6所示。

(a) 油路循環(huán)清洗 (b) 合理安排導(dǎo)線并保護

(c) 舷窗玻璃粘貼防爆膜 (d) 充壓點監(jiān)視

圖6 精細化管理實踐

Fig.6 Elaborate management practice

2.2 并行開展試驗技術(shù)研究

按照“設(shè)計時同時考慮產(chǎn)品生命周期的所有要素”的并行管理思想，試驗設(shè)計時不僅要考慮設(shè)計的正確性、合理性，還要考慮這種設(shè)計的工藝性、可制造性、可生產(chǎn)性、可維護性等。在MA600，ARJ21-700等全機疲勞試驗設(shè)計中，進行了一系列的技術(shù)改進及創(chuàng)新，比如三維設(shè)計技術(shù)、一體化框架技術(shù)、大容積充氣加載技術(shù)、機身氣密地板加載技術(shù)等，如圖7所示。

(a) 一體化框架 (b) 大容量充氣臺

圖7 試驗新技術(shù)

Fig.7 New test technologies

通過試驗技術(shù)的改進，縮短了試驗周期，提高了試驗質(zhì)量。也只有試驗技術(shù)的提高，才能保證試驗任務(wù)按計劃進行。

2.3 嚴格按照計劃完成每項工作

在疲勞試驗日常管理中，要嚴格按照計劃完成每項工作，才能確保整體試驗計劃的順利實施。但在疲勞試驗實際運行過程中，由于試驗件疲勞損傷、意外損傷等情況，常常會打亂預(yù)先計劃，而國內(nèi)全機疲勞試驗一般都存在維修效率較低的問題，主要是維修預(yù)案制定不充分，拖延了試驗件維修時間。目前試驗件維修通常由試驗委托方完成，在后續(xù)研究中應(yīng)當關(guān)注試驗件維修問題，積極配合試驗委托方制定完善的維修預(yù)案，加強試驗件損傷維修工作，減少停機等待時間，提高試驗效率。

3 結(jié)束語

民用飛機全機疲勞試驗是一項大型的綜合工程，通過將并行工程理念引入到全機疲勞試驗管理中，最大程度合理分配有效資源，在一定程度上能夠達到縮短疲勞試驗周期、減少試驗成本的目的。由于理論與實際的差異，并行工程在實施中仍然存在需要注意的問題，在今后的研究中應(yīng)當總結(jié)經(jīng)驗，完善并行試驗管理技術(shù)。