基于QFD及FMEA的艦船動(dòng)力裝置設(shè)計(jì)質(zhì)量改進(jìn)模型構(gòu)建方法及應(yīng)用

王泰翔，劉金林，曾凡明，尹紅升

海軍工程大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院，湖北武漢430033

0 引 言

艦船動(dòng)力裝置的生產(chǎn)、裝配、使用、維護(hù)保養(yǎng)等一系列過程所產(chǎn)生的故障均與最初設(shè)計(jì)有關(guān)，70%以上的費(fèi)用、性能和功能在設(shè)計(jì)階段就已確定?，F(xiàn)代化作戰(zhàn)要求對艦船動(dòng)力裝置性能提出了更高的設(shè)計(jì)要求，在現(xiàn)有設(shè)計(jì)方法中按照可靠性、維修性、保障性、測試性、安全性和環(huán)境適應(yīng)性這6項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)評估［1］?！傲浴钡乃饺Q于設(shè)計(jì)，采用有效的方法進(jìn)行質(zhì)量和可靠性分析可以使動(dòng)力裝置滿足設(shè)計(jì)需求并且減少故障的發(fā)生，對于提高艦船動(dòng)力裝置的設(shè)計(jì)質(zhì)量具有重要意義。周宏等［2-4］將質(zhì)量功能展開（QFD）引入潛艇的總體研制、潛艇指揮自動(dòng)化系統(tǒng)開發(fā)和艦船動(dòng)力裝置概念設(shè)計(jì)，為其提供了可靠的質(zhì)量依據(jù)。劉金林等［5］將QFD理論和創(chuàng)新問題解決理論（TRIZ）結(jié)合應(yīng)用到了艦船動(dòng)力裝置概念設(shè)計(jì)中，TRIZ理論的應(yīng)用可以徹底消除系統(tǒng)沖突，獲得理想解決方法。曾凡明等［6］提出開展動(dòng)力裝置多學(xué)科集成優(yōu)化，能夠提高設(shè)計(jì)的質(zhì)量。但是對于艦船動(dòng)力裝置的可靠性設(shè)計(jì)并沒有進(jìn)行針對性的研究，對于艦船動(dòng)力裝置的可靠性提升和質(zhì)量控制沒有提供理論支撐，由此提出將QFD與故障模式與影響分析（Failure Mode and Effect Analysis，F(xiàn)MEA）理論集成應(yīng)用于艦船動(dòng)力裝置設(shè)計(jì)。因此，從設(shè)計(jì)需求入手，通過一系列瀑布式展開的矩陣框圖進(jìn)行權(quán)重計(jì)算和相關(guān)性分析，明確艦船動(dòng)力裝置各個(gè)設(shè)計(jì)階段的質(zhì)量控制依據(jù)，集中規(guī)劃艦船動(dòng)力裝置質(zhì)量設(shè)計(jì)和問題預(yù)防。

FMEA是一種分析潛在故障的可靠性分析方法，分析設(shè)計(jì)產(chǎn)品的故障原因、影響以及提出針對性措施以降低故障帶來的風(fēng)險(xiǎn)。本文將針對現(xiàn)有FMEA分析方法中的不足進(jìn)行改進(jìn)，提出基于QFD的分析評估方法，為風(fēng)險(xiǎn)評估提供系統(tǒng)性的集成理論，同時(shí)引入依賴型二元語義加權(quán)幾何平均算子，解決專家對于多屬性決策中不公平評價(jià)的影響。最后，以艦船軸系設(shè)計(jì)為例，驗(yàn)證基于QFD的FMEA分析方法的有效性。

1 基于QFD的FMEA設(shè)計(jì)質(zhì)量改進(jìn)模型

QFD與FMEA是兩種質(zhì)量管理工具。QFD主要從質(zhì)量保證角度，將需求通過矩陣逐步轉(zhuǎn)換成各個(gè)過程的實(shí)施步驟或者產(chǎn)品的性能和屬性；FMEA主要從故障模式識別入手，分析故障原因、影響以及應(yīng)對措施，可以進(jìn)行預(yù)防性的分析，減少故障帶來的風(fēng)險(xiǎn)［7］。因此將QFD與FMEA分析方法進(jìn)行集成，通過QFD分析得出工程措施、零部件、工藝方法的權(quán)重和相關(guān)關(guān)系，將其輸入FMEA模型從而分析列舉出所有失效模式，將質(zhì)量重要度轉(zhuǎn)變成故障模式重要度，對風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先系數(shù)（Risk Priority Number，RPN）進(jìn)行修正，得出產(chǎn)品關(guān)鍵部分和薄弱環(huán)節(jié)，并提出預(yù)防措施。

RPN是最常用的評估故障模式風(fēng)險(xiǎn)的辦法，RPN值一般由故障的嚴(yán)重度（Severity，S）、發(fā)生率（Occurrence，O）和被檢測率（Detectability，D）的乘積得到，RPN值受到上述3個(gè)決策因子的影響，乘積越大危害性風(fēng)險(xiǎn)越大。馬彥輝等［8］將功能模型和FMEA相結(jié)合，通過功能建模分析故障模式，較好地解決了對大型復(fù)雜系統(tǒng)不能全面描述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能、目標(biāo)等問題。耿秀麗等［9］利用工藝FMEA與因果矩陣分析，根據(jù)RPN值評價(jià)零部組件生產(chǎn)檢驗(yàn)點(diǎn)的設(shè)置，提出了改進(jìn)措施建議。陳政平等［10］引入因果鏈分析故障模式，改進(jìn)RPN計(jì)算方法，對機(jī)械隔膜計(jì)量泵制定了維修策略。

傳統(tǒng)RPN分析方法存在3個(gè)方面的不足。

1）RPN不連續(xù)。S，O，D這3個(gè)因子通常取1～10之間的整數(shù)，所以RPN取值范圍在1～1 000。RPN值實(shí)際只能取得其中12%的值，個(gè)別值之間的差值，如54與56的差值和56與70的差值，不能判斷有什么意義和區(qū)別。

2）RPN的重復(fù)性。RPN值是S，O，D因子的乘積，所以存在很多重復(fù)的RPN值，相同乘積的RPN值意義不一定相同，所以不應(yīng)該同等對待。

3）RPN的靈敏度過高。S，O，D其中一個(gè)微小的變化對結(jié)果的影響都很大。這3個(gè)因子都是由專家打分，所以專家的偏見會對風(fēng)險(xiǎn)評估造成很大影響［9］。針對第2和第3點(diǎn)，曹嘉容等［11］利用二元語義和灰色關(guān)聯(lián)決策對FMEA分析方法進(jìn)行改進(jìn)，消除多粒度影響，消除S，O，D因子的相關(guān)性。針對上述第3點(diǎn)，古瑩奎等［12］利用TOPSIS理論進(jìn)行屬性敏感度分析，使RPN具有良好的穩(wěn)健性，減少主觀因素對決策結(jié)果的影響。王曉暾等［13］針對第1點(diǎn)，提出基于DLOWG算子將RPN的3個(gè)因子用語言變量來評價(jià)，對故障模式進(jìn)行評估。

RPN作為危害性分析方法相對于危害性矩陣圖的最大特點(diǎn)是定量分析，對每種故障模式進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)排序，再通過相應(yīng)措施避免風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生。在改進(jìn)的FMEA模型中，QFD為FMEA改進(jìn)模型提供輸入因子以及相應(yīng)權(quán)重，對FMEA輸出進(jìn)行加權(quán)；引入依賴型二元語義加權(quán)幾何平均（DT-WGA）算子，以減少專家不平衡評價(jià)，降低RPN的靈敏度。

針對艦船動(dòng)力裝置設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，構(gòu)建基于QFD的FMEA艦船動(dòng)力裝置設(shè)計(jì)質(zhì)量改進(jìn)模型，如圖1所示。

圖1 基于QFD的FMEA改進(jìn)模型Fig.1 FMEA improvement model based on QFD

2 模型相關(guān)算法

2.1 二元語義表述

對于一些不能明確定量的屬性進(jìn)行評價(jià)，通常使用“差”、“中”、“好”和“非常好”等定性的評價(jià)詞。定性的評價(jià)不能直接進(jìn)行定量計(jì)算，在集結(jié)和運(yùn)算中每個(gè)人理解程度也不同，因此會造成決策信息丟失、結(jié)果不精確［14］。二元語義具有能夠解決復(fù)雜屬性評價(jià)和對事物認(rèn)識不夠的特點(diǎn)。以（Si，αi）構(gòu)成二元語義，其中Si表示語言評價(jià)集S 中第i個(gè)評價(jià)，αi∈［-0.5，0.5）表示集結(jié)或計(jì)算語言信息與最貼近的語言評價(jià)Si之差。

式中，round表示四舍五入。

符合下列性質(zhì)：1）若 i＞j，則 Si＞Sj；2）若i+j=t，則neg（Si）=Sj，其中，neg為求補(bǔ)運(yùn)算。

2.2 DT-WGA算子

基于WGA算子，提出DT-WGA算子。

2.3 基于QFD的FMEA風(fēng)險(xiǎn)分析方法

按照修正的RPN值進(jìn)行排序，可以識別關(guān)鍵的故障模式，進(jìn)而找出關(guān)鍵零部件、子系統(tǒng)和工藝方法。對零部件對應(yīng)的工程措施RPN值求綜合屬性平均值，然后進(jìn)行排序，風(fēng)險(xiǎn)值較大的，可以在選材、工藝方法、檢修規(guī)劃和日常維修保養(yǎng)等方面采取措施，降低風(fēng)險(xiǎn)值?；赒FD的FMEA風(fēng)險(xiǎn)分析方法流程如圖2所示。

圖2 基于QFD的FMEA風(fēng)險(xiǎn)分析方法流程Fig.2 FMEA risk analysis flow based on QFD

3 實(shí)例驗(yàn)證

某型船舶軸系設(shè)計(jì)需選擇保證軸系正常運(yùn)行的部件、工程措施和工藝方法。該軸系安裝的順序是準(zhǔn)備工作、艉軸安裝、螺旋槳安裝、密封裝置安裝和油密實(shí)驗(yàn)下水前安裝工程、主機(jī)吊裝、軸系對接、主機(jī)安裝、安裝中間軸承。根據(jù)已知任務(wù)需求以及船體設(shè)計(jì)的選定，通過專家組進(jìn)行設(shè)計(jì)需求分析，然后通過對質(zhì)量要素的展開得到工程措施。艦船軸系安裝設(shè)計(jì)需求質(zhì)量屋如圖3所示。

根據(jù)質(zhì)量屋的展開，得到工程措施的重要度。重要度最高的是推力軸及推力軸承的安裝，其次是推力中間軸與艉軸對中、中間軸軸承安裝、推力中間軸安裝等，軸系附件安裝相對不重要。軸承承載負(fù)荷以及軸傳遞動(dòng)力和力矩，因此軸承和軸的安裝工作非常重要。

圖3 艦船軸系安裝設(shè)計(jì)需求質(zhì)量屋Fig.3 The house of quality for marine shafting installation design requirement

求得工程措施的重要度后，專家組預(yù)先設(shè)定風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先因子評價(jià)集SS，SO，SD，每種因子的評價(jià)集對應(yīng)5種評價(jià)｛S1=E，S2=L，S3=M，S4=H，S5=VH｝。3個(gè)因子語言評價(jià)具體含義如表1所示。

表1 風(fēng)險(xiǎn)因子語言評價(jià)集Table 1 Language evaluation set of RPN factors

然后進(jìn)行故障模式與影響分析，分析工程措施對應(yīng)的故障模式，以及對嚴(yán)重度、發(fā)生率和被檢測率進(jìn)行評價(jià)，并提出安裝過程中控制和預(yù)防措施。艦船軸系安裝過程FMEA表，如表2所示。

根據(jù)式（4）確定每種工程措施的風(fēng)險(xiǎn)因子S，O，D的權(quán)重：

利用式（6）的DT-WGA算子對故障模式 Fn的

表2 艦船軸系安裝過程的FMEA表Table 2 FMEA of shafting installation process

求得各故障模式的優(yōu)先風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)并對其進(jìn)行排序，可得風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先系數(shù)位于前10名的故障模式，即F10＞F15＞F9＞F4=F6=F14=F18＞F16=F17=F2等?？梢钥闯?，故障模式F10的風(fēng)險(xiǎn)最大，其次是F15和 F9等。但是故障模式 F4，F(xiàn)6，F(xiàn)14和 F18風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先系數(shù)同樣大，這樣必須通過產(chǎn)生故障模式的工程措施的絕對權(quán)重ω’i進(jìn)行加權(quán)。

重新對故障模式排序，可得 F10＞F9＞F15＞F14＞F4＞F2＞F6＞F18＞F16=F17。通過對于設(shè)計(jì)需求的分析來確定工程措施的權(quán)重，進(jìn)而對故障模式風(fēng)險(xiǎn)分析進(jìn)行修正，能夠進(jìn)行準(zhǔn)確的評估和排序。最終得到軸系安裝工藝質(zhì)量控制表，指導(dǎo)技術(shù)人員和工人在工程中實(shí)踐，也為同型艦船動(dòng)力裝置設(shè)計(jì)提供質(zhì)量設(shè)計(jì)依據(jù)，如表3所示。

表3 軸系安裝工藝質(zhì)量控制表Table 3 Quality control of shaft installation process

4 結(jié) 語

1）針對艦船動(dòng)力裝置設(shè)計(jì)中提高安全性、可靠性指標(biāo)性能的問題，將QFD與FMEA相結(jié)合，研究構(gòu)建了基于QFD和FMEA的動(dòng)力裝置設(shè)計(jì)質(zhì)量改進(jìn)模型；

2）針對模型中的相關(guān)算法提出了有效解決方案，主要包括提出基于DT-WGA算子的故障模式與影響分析評估方法，以及利用QFD求得的權(quán)重對故障模式與影響分析結(jié)果進(jìn)行修正，最終通過風(fēng)險(xiǎn)排序?qū)收夏Ｊ教岢隹刂拼胧?/p>

3）針對某推進(jìn)軸系設(shè)計(jì)實(shí)際，開展算例研究，驗(yàn)證了研究方法的有效性。

通過本文的研究，為艦船動(dòng)力裝置設(shè)計(jì)質(zhì)量改進(jìn)及控制提供了新的理論和方法支撐，具有重要的理論意義和廣闊的應(yīng)用前景。