基于系統工程的壓氣機調節機構精益研發

■ 張學寶 張一彬 孫登科 陳維葦 李子為 張少平/ 中國航發渦輪院

基于系統工程方法和精益思維，以需求為牽引對發動機的壓氣機靜葉調節機構進行改進研發，提高了產品精度和可靠性，將該方法固化至流程中可支撐研發體系的建設。

通過壓氣機調節機構調節靜子葉片的工作角度，是保證壓氣機在各種飛行工況下穩定工作的有效措施。但由于調節機構零件數量多，傳動鏈長，配合關系復雜，工作環境惡劣，使得可調葉片實際工作角度與設計預期存在一定偏差。若壓氣機調節機構在工作過程中失效或調節精度不足，可能導致失速、喘振，使發動機性能迅速惡化，甚至造成發動機損壞，嚴重影響飛行安全。創新團隊通過分析壓氣機調節機構的傳統研發模式，發現研發活動僅包含“設計—制造—集成驗證”環節，缺少系統的需求分析和驗證策劃。因此，創新團隊運用系統工程方法（見圖 1），對發動機壓氣機調節機構的研發活動進行了全流程梳理，從需求出發開展了設計及驗證。同時，對各研發子環節進行精益改進，突破了研發過程中的關鍵技術。最終，打通了調節機構正向研發全流程，提高了調節機構可靠性和設計成熟度。

圖1 系統工程方法示意

基于系統工程的精益研發方案

創新團隊以需求為牽引，從需求分析、設計仿真、制造協同、分級驗證多個方面進行研發梳理，對各子環節進行精益改善，最終完成了流程重構。具體內容包括：基于頂層需求和使用場景完成調節機構需求收集、捕獲和分解；針對需求進行關鍵因素分析，找出影響調節機構精度及可靠性的關鍵環節、技術難點、解決途徑和驗證手段；針對梳理出的關鍵因素，分析研制流程，填補現有研制流程中的缺失環節，突破相關設計仿真、裝配檢驗和分級驗證技術；對研發過程進行提煉、梳理與重構，建立基于系統工程的壓氣機靜子葉片調節機構研發流程。調節機構改進及驗證總體方案如圖2所示。

圖2 調節機構改進及驗證總體方案

需求分析

創新團隊對壓氣機調節機構開展了基于使用場景的需求分析，由原先的強度需求拓展出剛度和精度等需求，再向縱深拓展出間隙、阻力等需求。具體包括基于場景進行需求分析的思路，系統地梳理功能、性能、強度、工藝、“六性”等方面的需求；按照功能逐層分析分解的原則，對梳理出的需求進行逐級分解；需求識別和分解完成后，采用卡諾分析方法，將所有的需求進行分析和綜合，確定了改進工作的基本方向。

基于需求分析結果，創新團隊針對壓氣機調節機構研制需求及研發過程中暴露的問題，將需求沿技術路徑轉化為功能要求、技術要求和結構要求。經評估，共識別出3項關鍵技術要素，分別是調節機構強度、剛度和間隙。同時，初步給出對應技術要素的設計標準，以便進行迭代設計，如圖3所示。

圖3 關鍵技術要素分析過程示意

設計仿真

針對識別出的強度、剛度、間隙等關鍵技術要素和初步設計標準，創新團隊對調節機構全傳動鏈的零件進行了改進設計。首先，更換主承力件的材料及優化結構，增強剛性，改進包含的零件，改進前后對比如圖4所示；其次，對運動副間隙進行優化，降低空程；最后，系統開展變形分析，避免運動干涉，降低運動負載等。

圖4 調節機構結構改進示意

為初步驗證改進設計的有效性，降低后續實物驗證的成本和風險，創新團隊基于需求分析得到仿真邊界，通過二次開發軟件，完成了“固”“力”“熱”3場耦合的機構整體多體動力學仿真，獲得了集成環境溫度、材料彈性模量、氣動力、運動副間隙等多種因素下的調節機構仿真結果。該仿真結果較傳統的機構運動學仿真和單體有限元仿真，更準確地模擬了調節機構的真實工作環境，整體仿真精度提升約60%，提高了設計精度和迭代效率。

廠所協同

在試制環節，創新團隊與工藝人員開展點對點聯系，并基于面向制造的設計（DFM）思想，深入開展設計與制造的協同工作。改變了在傳統模式下設計僅關注功能、性能，工藝僅關注產品合格率的現象。設計充分考慮產品的可制造性和裝配性，工藝關注設計需求及使用場景，共同確保設計、制造和裝配一次成功。

創新團隊通過設計過程與制造過程分階段、并行開展，同時按照首件包和“四新”（新結構、新材料、新工藝、新供方）驗證管理辦法等管控研制過程，實現了設計、制造和裝配的協同及過程質量管控。通過以上改善，設計和制造周期可縮短約30%，實現了更改單、超差單數量“雙歸零”，確保了試制一次做對。

分級驗證

創新團隊以需求為牽引，進行壓氣機調節機構分級驗證策劃，從零組件級—部件級—核心機級—整機級的自底向上驗證思路開展驗證工作。通過逐級驗證需求和計劃、實施、檢查、行動（PDCA），提高驗證效率，降低了系統研制風險。

調節機構葉片角度測量驗證

為了驗證結構初始狀態下的精度需求符合性，降低基準偏差對集成驗證的影響，創新團隊自主設計了基于傾角儀的葉片安裝角測量裝置，如圖5所示，實現了部件狀態葉片角度的快速量化和控制，為設計制造迭代提供了數據支撐，大大降低了研發成本。

圖5 基于傾角儀的葉片安裝角測量方案示意

調節機構零部件驗證

為了能夠在部件狀態下獲取調節機構的剛度和間隙對精度的影響，創新團隊開發并首次完成了調節機構剛度試驗，成功捕獲了影響機構精度的薄弱環節，驗證了需求分析的合理性，同時也驗證了改進設計的需求符合性。

此外，研發團隊還舉一反三，在剛度試驗方案基礎上，開發出調節機構間隙、阻力和摩擦系數等測試方法，為支持調節機構改進提供了重要支撐。

調節機構集成驗證

為進一步驗證調節機構在真實工作環境下的工作能力，創新團隊按系統工程逐級驗證思路，開展了核心機平臺葉片工作角度測量技術開發，以進一步提高驗證效率，降低驗證風險。

通過在核心機試驗中，測量可調葉片角度，實現了試驗狀態下的葉片角度實時測量和記錄。在獲取了可調葉片真實工作角度的同時，還額外捕獲了調節機構精度影響因素，如作動筒支架剛性、套齒間隙等影響較大的因素，增加了需求捕獲的完整性，為調節機構改進迭代提供了強力支撐，如圖6所示。

圖6 壓氣機可調葉片角度測試示意

核心機驗證完成后，隨整機進行了長時間試驗驗證，試驗結果表明，按照系統思維精益改進后的調節機構，可滿足功能、性能等需求，前期因調節機構異常導致故障的試驗參數信號未再現。

目前，改進后的壓氣機靜葉調節機構已完成剛度試驗、角度測量試驗及整機驗證，試驗結果表明系統綜合剛度符合設計預期，葉片工作角度精度明顯提高，滿足設計需求。

流程重構

研發流程是產品研發的指導地圖，是項目順利實施的保障和管控依據。創新團隊依據系統工程理論，以“正向設計驅動產品創新”為指導戰略，開展研制流程分析，重構壓氣機靜葉調節機構研制流程。新的調節機構研發流程，以需求為導向，逐級分解需求并驗證需求，貫徹PDCA和精益改進思想，較傳統的研發流程補充了精度分析、動力學仿真分析、工藝控制和分級驗證環節，如圖7所示。

圖7 調節機構研發流程

結束語

創新團隊通過系統工程的方法和精益研發的思想，以壓氣機調節機構為研究對象，開展需求分析、設計仿真、廠所協同、分級驗證等方面研究，突破了設計仿真和分級驗證領域的多項關鍵技術，使發動機壓氣機調節機構精度提升了60%，并通過了發動機考核驗證。同時，創新團隊總結項目成果，重構調節機構研發流程，總結出了一系列設計標準、指南和規范，為研發體系建設提供了有力支撐。