六西格玛设计在民机产品研发中的应用研究

文 /胡雪明 程 雄 郝宗敏

一、民用机载产品研发现状

开展民用飞机设计时，要求每个灾难性失效状态的发生概率不超过1e-9/Fh[1]。对于实现这些关键飞机功能的设备，如舵机、泵和油箱等，都需定义其研制保证级别，分配设备失效概率（有时候需要达到或者小于1e-6/Fh，确保机载产品能安全地实现预期功能。目前，国内的机载产品研发流程源于军机模式，顾客需求收集不全面，需求分析不深入，确定设计参数时的输入过程不清晰，导致设计质量难以控制，产品使用中时有外场故障出现。在产品研发的前期，全面收集顾客要求，将关键重要特性落实到实际设计和工艺中去，对于产品质量提升尤为关键。相比已有的设计流程，六西格玛设计（DFSS）在产品前期投入了很多资源，实现现有产品/流程的更新设计或者新产品/流程的初始设计，达到六西格玛质量水平，即DMPO（百万机会缺陷数）出现3.4个缺陷。

在DFSS模型的基础上，参考乔杜里的IDDOV（即：识别、定义、开发、优化、设计与验证）模型，考虑民机机载产品的适航要求，建立了民机机载产品的研发流程，包括识别阶段、定义阶段、设计阶段、优化阶段和验证阶段。最后，以液压油箱的研发流程为例进行应用研究，跟以前的研发流程相比，过程可追溯且流程显性化，能够主动控制液压油箱的研制质量，降低研发过程中设计错误的出现概率。

二、基于DFSS的民机机载产品研发过程

1. DFSS流程

DFSS流程在设计前期从顾客需求出发，采用系统化的工具和方法，实现突破性的六西格玛质量目标。DFSS的工作内容：在识别阶段寻找市场机会，识别顾客需求，拟定项目特许任务书；在定义阶段确定并展开顾客需求，对产品总体设计方案进行论证；在设计阶段进行初步设计，开展全尺寸样机的设计，进行过程设计和样机的试制；在优化阶段优化产品设计和过程设计；在验证阶段验证设计质量、验证过程质量并且验证产品。

2. 民机机载产品研发的要求

民机机载产品的设计、制造和使用过程有一套全寿命周期的适航审定要求[2]。对于研制保证级别为A级和B级的设备，RTCA/DO-254:2000《机载电子硬件设计保证指南》（以下简称“DO-254”）要求从需求获取、概要设计、详细设计、实现过程和产品转化这五个阶段证明其设备研发过程符合其认证要求 。

DFSS的目标是DPMO为3.4个缺陷，DO-254要求降低硬件设计错误发生的概率，两者的目标是一致的。DO-254标准给出了大体的硬件设计五个步骤，未提出详细的实现过程和工具方法；IDDOV流程给出了五个阶段，其中需求获取和识别阶段工作内容都是收集整理顾客需求，概要设计和定义阶段主要内容都是确定产品方案并整理产品功能，详细设计和设计阶段工作内容都是落实功能要求，开展具体参数设计。DO-254中实现过程使用详细设计数据来产生硬件项目，而IDDOV流程中的优化阶段则关注产品设计和过程设计的优化，两者存在差异。DO-254中产品转化需检查制造数据、测试设备和常规资源以确保生产准备，而验证阶段主要验证设计质量和过程质量。可见，这两个过程的工作内容相当，本文将在IDDOV模型的基础上建立民机机载产品研发流程。

3. 基于DFSS的民机机载产品研发流程

DFSS流程需花费较多的时间和成本，因此将DFSS研发项目界定为影响飞行安全的关键机载产品。在识别阶段主要应用质量功能展开（QFD）、卡诺分析等方法识别顾客需求并论证和确定要开展DFSS的项目，开展需求评审，将这些需求映射到相应的技术要求上去；在定义阶段，采用发明问题的解决理论（TRIZ）中的冲突矩阵，生成实现顾客需求初步可行的方案，使用QFD将技术要求映射到功能要求；在设计阶段，根据以往产品设计时的相关设计参数，使用QFD将功能要求映射到设计参数，开展集成计算器辅助制造（IDEF）建模、故障树分析（FTA）、故障模式影响和危害性分析（FMECA），为设计参数优化做准备；在优化阶段，以IDEF建模中的目标变量、输入变量和噪声变量为基础，开展实验设计（DOE），采集实验数据分析实验结果，获得最佳参数组合的设计方法；在验证阶段，检查顾客需求、技术要求和功能要求在实际产品设计中的落实情况，也需给出适航条例的符合性验证说明。

三、实践应用

以液压油箱为例，介绍DFSS在液压油箱设计改进过程中的应用。

1. 液压油箱的背景介绍

某型直升机的液压油箱为自供式增压液压油箱，其主要作用是储存供主、尾桨舵机的液压油，并在整个飞行包线中向液压泵提供具有恒定增压压力的液压油。液压油箱大泄漏后，不能为液压系统提供符合要求的液压油，这将极大降低直升机的飞行安全裕度，增大飞行员的工作负荷。某型机原装机的自供式增压液压油箱内漏量约为1滴/10次循环，渗漏的液压油滴到机库和直升机安装平台上，需要维护人员定期进行清洗维护。本项目对自供式增压油箱进行设计改进，提高液压油箱密封效果，减少液压油箱内漏量，改善液压油箱使用维护工作量。

2. DFSS在液压油箱设计改进中的应用研究

① 识别阶段。研制液压油箱涉及到设计部门、制造部门、试验单位和使用单位，通过顾客定义，共得到3类11个顾客。通过评审意见收集、用户沟通和使用问题整理，收集并整理顾客需求，得到6类33个顾客要求。在此基础上，开展第一次QFD团队活动，将顾客需求转换成可量化的技术要求，完成技术重要度排序后得到排序前5的重要技术要求为：液压油箱增压压力、外部是否漏油、储油量、内部渗油量和摩擦力。

约定的设计目标：增压压力，（0.25±0.02）Mpa；标准试验工况下，内部泄露量≤1滴/400次循环；液压油箱外部泄露量≤1滴/10 min；摩擦力≤500 N。

② 定义阶段。通过咨询液压专业技术专家，查询国内外液压油箱设计资料，将液压油箱DFSS项目的关键技术设定为增压压力设计技术、摩擦力控制技术、密封结构设计技术和排气技术。然后，对这4个关键技术进行细分，得到11个概念碎片。选取原有的设计方案为基线方案，结合技术成熟度、进度和成本因素，对所有方案进行评分，完成PHUGH矩阵，筛选出3个方案。延续识别阶段的技术要求，开展第二次QFD团队活动，将技术要求转化为功能要求，重要度排序后得到几个重要功能要求：隔离液压油、储存液压油、形成外观和散热。另外，通过功能FMECA和液压油箱FHA，分析出储存液压油和隔离液压油功能失效后会造成危险性的影响，设计时需给出设计保证措施。

③ 设计阶段。液压油箱DFSS项目是在已大量装备直升机的液压油箱基础上做的改进设计。因此，像内筒、弹簧、芯杆、低油面开关、油箱端盖等结构设计借用原液压油箱，只需要对活塞、外筒和组合密封圈进行重新设计。确定关键设计参数后，进行3次QFD转化，得出3个重要设计参数（活塞密封槽槽宽、活塞密封槽槽内径、活塞密封槽表面粗糙度）影响活塞设计质量，2个重要设计参数（密封圈表面粗糙度和密封圈截面厚度）影响组合密封圈设计质量，外筒表面粗糙度影响外筒设计质量。将FHA中的“液压油快速流失且不能探测”设为顶事件，开展故障树分析FTA，得到26个底事件。同时，针对液压油箱的零部件开展故障模式和影响分析FMEA，分析了34个故障模式，给出了设计保证措施，涵盖26个底事件。

④ 优化阶段。液压油箱实验设计的目标是减少液压油箱渗油量，具体可量化的响应变量为Y1增压压力和Y2摩擦力，两个约束条件为Y3内部渗漏量和Y4外部渗漏量。影响目标实现的输入变量为X1活塞密封槽槽宽、X2活塞密封槽槽内径、X3活塞密封槽表面粗糙度、X4密封圈表面粗糙度、X5密封圈截面厚度和X6外筒内表面粗糙度。在这个试验计划的基础上，按照因子和水平的选择进行实验，采集实验数据，筛选因子，最后得出活塞、密封槽和外筒设计参数的最佳组合。

⑤ 验证阶段。在液压油箱转入批量生产之前，需要对识别阶段提出的要求给出符合性说明。通过开展液压油箱的原理性试验和液压系统地面全模拟试验，发现问题并优化设计，分别检查功能要求、性能要求、重量要求、接口要求、寿命要求和研制保证级别的符合性。经过地面验证试验结果分析，确认满足所有这些设计要求，液压油箱转入后续制造过程。截至2017年4月底，该型直升机共完成飞行试验2 151 Fh，识别阶段的设计目标（增压压力、内部泄漏量、外部泄漏量和摩擦力）符合要求，与液压油箱相关的故障1项——地面开车时报“左液压油箱增压故障”，经检查确认为压力开关内的内部电路设计不合理，经设计改进已完成故障归零。基于现有液压油箱试飞数据的点估计，其可靠性指标MTBF预计2151 Fh，比改进前的1 785 Fh有大幅度提升。

四、结 论

本文以液压油箱的研发为例，阐述了DFSS在民机机载产品研发过程中的应用。跟以前的液压油箱研发流程相比，基于DFSS的机载产品研发流程建立了从顾客需求到设计参数的详细转化过程，通过实验设计优化设计参数，过程显性化可追溯。论文建立的流程可主动控制设计质量，将硬件设计错误降低到可接受的水平。在民机机载产品研发时，需着重考虑研制保证级别要求的输入，适航条款的符合性要求，产品的质量保证计划以及验证阶段的各项事宜。论文只是列举了机械产品的一个例子，后续应以民用飞机电子硬件设计为例进行分析，在实际的工程实践中，不断完善民机DFSS机载产品研发流程。