航空技術論文：航空發動機技術及運用透析

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本文作者：尹正楊海成工作單位：西北工業大學

發動機裝配技術狀態數據模型的概念

針對航空發動機型號，現有的PDM技術已經可以較好的對其進行技術狀態管理。由于實際裝配中，單臺航空發動機技術狀態強調可追溯性，即對于每一臺發動機在排故、維修、大修時需要明確其裝配技術狀態歷史，就必須對單臺發動機進行裝配技術狀態管理。進行單臺發動機裝配技術狀態管理的基礎是結構化的數據模型，裝配環境下的技術狀態數據可以分為三大部分：物料信息、工藝信息與檢驗信息。這里的物料信息是指產品基本信息及組成產品的各種零/組/部件的信息；工藝信息是指裝配各級物料節點所執行的工藝/工序/工步的信息；檢驗信息是指執行裝配的關鍵項進行檢驗，具體表現為相對應的檢驗項的規定值與實際值。物料信息、工藝信息、檢驗信息都可表示為樹形結構。它們間也具有復雜的對應關系，其中包括：工藝與部件或組件對應、檢驗表與工藝對應、檢驗項與工序對應、子檢驗項與工步對應等。由于航空發動機的多裝多試的特點，單臺發動機在其生命周期的多次裝配中會頻繁的發生物料信息、工藝信息和檢驗信息的改變，集中表現在由于串換件、壽命件的到期等，發生各級物料（部件/組件/零件）的變化；由于采用不同版次的工藝、針對個別發動機裝配下發的技術文件、技術通知、工藝更改單等會產生工藝信息的變化；物料或工藝信息改變同時也伴隨產生了檢驗信息的變化。因此單臺發動機的裝配技術狀態不僅與同型號同批次的其他發動機的技術狀態不同，在其生命周期內本身的技術狀態也隨時間變化。所以，航空發動機裝配技術狀態數據模型必須包含兩個方面，從空間上說，要用盡可能用簡單的模型表示出錯綜復雜的物料、工藝、檢驗信息的對應關系；從時間上說，要準確地刻畫出發動機裝配技術狀態隨時間變化的情況。

發動機裝配技術狀態數據模型的定義

以下對發動機裝配技術狀態在時間條件約束下的物料、工藝、檢驗等信息進行定義。定義1：航空發動機裝配技術狀態模型，C={M，PAC，R，T}。其中M為物料信息集合、PAC為工檢信息集合、R為關系集合、T為時間。當物料信息集合為整臺發動機的物料信息時，C表示單臺次發動機T時刻的技術狀態；當物料信息為整臺發動機物料信息子集時，C表示相應部件、組件等的技術狀態。定義2：物料節點集合M：航空發動機某一時刻物料集合為：M={m1，m2，m3…，mn}，n∈N，N為自然數；mi={IDmi，a1，a2，a3，…，ak}，k∈N，mi∈M。M中mi可以是產品、部件、組件或者零件，為產品任意級物料節點。mi中IDmi為物料節點的唯一標識，a1，a2，a3，…，ak為這一物料節點屬性，比如關鍵尺寸、物料壽命、是否為關重件的標識等，可靈活的根據需要進行實例化。定義3：工檢信息集合PAC：PAC={pac0，pac1，pac2，…，pacl}，l∈N；Paci={IDpaci，b1，b2，b3，…，bl}，t∈N，paci∈PAC。由上面的分析可知，雖然物料信息和工藝信息節點不是同級一對一的關系，對于具體的發動機產品，工藝及檢驗信息節點也總是伴隨著唯一的物料節點出現，這里不妨將相對應的兩種節點合并為工藝及檢驗信息節點，也是適應了許多先進發動機制造廠商實行的“工檢合一”的需要。對于每一個工藝及檢驗信息節點paci，IDpaci為工藝及檢驗信息節點的唯一標識。類似于定義1，b1，b2，b3，…，bt亦為paci（1≤i≤l）工藝信息節點的屬性，當paci為不同級別的工藝信息節點時，屬性可以實例化為工藝版本、關鍵工序標識等。當paci為工序級節點，若bj={IDbj，CheckContentbj，CheckStandardbj，CheckValuebj}表示一個子檢驗項，其中，IDbj唯一標識了該子檢驗項，CheckContentbj為子檢驗項的具體內容，CheckStandardbj為檢驗項的規定值，CheckValuebj為檢驗項的實際值，該屬性可給出單件產品由于每次裝配產生的檢驗項信息，一般表示執行一個工步產生的檢驗信息。定義4：關系集合R=MR∪PR∪MPR其中：MR={r|r=（mi,mj）,若堝mi和mj的父子關系，mi,mj∈M};PR={r|r=（paci,pacj）,若堝paci和pacj的父子關系，paci,pacj∈PAC}；MPR={r|r=（mi，pacj），若堝mi和pacj的對應關系，mi∈M，pacj∈PAC}；該集合可以確定出技術狀態模型中存在的物料信息節點之間、工藝及檢驗信息節點之間、物料信息節點與工藝及檢驗信息節點之間三種關系。圖2展示了一個簡化了的技術狀態模型的具體例子，該模型具有三層物料信息結構。左面的部分為單臺發動機產品的物料狀態，右邊的部分為與之相對應物料的工檢信圖1航空發動機裝配技術狀態息，用連線表示存在相關的關系。

發動機裝配技術狀態數據模型的基本操作

單臺發動機單次裝配執行其間，發動機裝配技術狀態會因裝配的執行隨時間動態變化著，表現為技術狀態模型中各集合元素的變化。集合元素的變化可以歸結為兩種基本操作，令Ci={Mi，PACi，Ri，Ti}為Ti時刻的產品/部件/組件的技術狀態，Ci={Mi+1，PACi+1，Ri+1，Ti+1}為Ti+1時刻的技術狀態，Cpa1={Mpa1，PACpa1，Rpa1，Tpa1}為pa1部件/零件某時刻的技術狀態，用兩種算子進行表示：加法操作算子+：+（Ci，Cpa1）={Mi∪Mpa1，PACi+1，Ri∪Rpa1∪Rst，Ti+1}加法操作為發動機裝配時增加技術狀態物料節點的操作，附帶了工藝節點的增加和對應關系的增加。減法操作算子-：-（Ci，Cpa1）={Mi-Mpa1，PACi+1，Ri-Rpa1-Rst，Ti+1}減法操作為拆卸發動機零部件的操作，該操作會產生發動機技術狀態物料節點的減少，而且附帶了工藝節點的減少和對應關系的消失。由以上的兩種基本操作函數，可以得到更加復雜的技術狀態改變的操作。例如，對于航空發動機的換件技術狀態變化，可視為經過了-（Ci，Cpa1）和+（Ci，Cpa2）操作，用pa2替換了pa1部件。對于單臺發動機的每段或每次裝配，可以認為其技術狀態經歷了數個加法、減法操作。例如C1為某次裝配前的產品的技術狀態，C1={{m1，m2，m3，m4，m5}，{pac1，pac2}，（{m1，m2），（m1，m3），（m2，m4），（m2，m5），（pac1，pac2），（m1，pac1），（m2，pac2），T1}，首先拆卸掉部件，pa1，Cpa1={{m2，m4，m5}，{pac2}，（{m2，m4），（m2，m5），（m2，pac2）}，T1}，即進行了操作-（C1，Cpa1），得到C1′={{m1，m3}，{pac1′}，（{m1，m3），（m1，pac1′）}，T1′}；然后進行了操作+（C1′，Cpa2），裝配上部件pa2，pa2的技術狀態為Cpa2={{m6，m7，m8}，{pac6}，（{m6，m7），（m6，m8），（m6，pac6）}，T2}；得到C1={{m1，m3，m6，m7，m8}，{pac1″，pac6}，（{m1，m6），（m1，m3），（m6，m7），（m6，m8），（pac1″，pac6），（m1，pac1″），（m6，pac6）}，T2}；如圖3所示。實際中的操作可能會拆卸到零件級，這里適當簡化為拆卸到部件級。4沿時間軸發動機裝配技術狀態快照序列的生成單臺發動機首次裝配自T0時刻開始，在其生命周期內會經歷數個加法、減法操作，形成關于時間軸TS=（T0，T1，T2，T3，…）的發動機單機技術狀態快照序列CS=（C0，C1，C2，C3，…）。首次裝配過程中，零件裝配成組件，組件裝配成部件，進而裝配成發動機整機，這期間發生的對裝配技術狀態的操作體現為大量的加法操作，由零部件的技術狀態合成為發動機的技術狀態；非首次裝配，則還會發生大量技術狀態減法操作，最終表現為整機技術狀態隨時間不斷的更新。與其他復雜產品不同，航空發動機生命周期中要經歷多次拆卸-裝配的過程。這樣可以把時間軸劃分為若干個階段，包括新機一裝、新機二裝、舊機排故的一、二裝、舊機大修的一、二裝等。TS中時間Ti的取值不同，會引起技術狀態記錄詳細程度不同。記錄的密度越大，對技術狀態追蹤的也就越詳細，但占用的存儲空間就越多。當Ti取值為裝配執行過程中若干時刻時，序列CS可以對裝配過程進行記錄。現設Ti為每次裝配結束的時間，（Ti-1，Ti）時間段則為兩次裝配間的時間段，在本時間段內，假定不對微小的技術狀態變化進行記錄，得到的覆蓋全時間軸技術狀態快照序列如圖4所示。

應用舉例

該模型已經應用于“航空發動機裝配現場綜合管理系統”，裝配技術狀態管理是它的一個重要功能。現以某航空發動機為例，在它的產品制造和應用階段，已經歷過新機一裝、新機二裝、第一次維修的維修一裝、第一次維修二裝，共四次裝配，其間伴隨著該發動機物料、工藝和檢驗信息的改變，用本文所提模型記錄了每次的裝配技術狀態。通過關于時間的查詢，可由記錄模型得到發動機的技術狀態快照，快照反映了距此前最近一次裝配結束時單臺發動機的物料、工藝和檢驗信息。圖5上半部分反映了該發動機裝配技術狀態沿時間軸的演變，下半部分三行分別反映了三個時間點發動機物料狀態，工藝狀態、檢驗狀態。