張樹(shù)忠，曾欽達(dá)

(1.福建工程學(xué)院機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，福州 350108;

2.福建省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，福州 350008)

基于FMEA和變權(quán)AHP的大型起重機(jī)械零部件重要度評(píng)估

張樹(shù)忠1，2，曾欽達(dá)2

(1.福建工程學(xué)院機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，福州 350108;

2.福建省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，福州 350008)

為了更有針對(duì)性地對(duì)大型起重機(jī)進(jìn)行檢測(cè)及維護(hù)，有必要對(duì)其零部件在系統(tǒng)中的重要度進(jìn)行評(píng)估，以確定各零部件的優(yōu)先度。為此，提出基于FMEA(故障模式和影響分析)和變權(quán)AHP(層次分析法)的大型起重機(jī)械零部件重要度評(píng)估。通過(guò)FMEA得到各故障模式的4個(gè)影響因素值，其中生產(chǎn)損失與維修影響采用模糊數(shù)學(xué)量化評(píng)估其風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，安全和環(huán)境影響則為定性方式;采用變權(quán)AHP定量地評(píng)估各個(gè)零部件的風(fēng)險(xiǎn)水平，即重要度;結(jié)合企業(yè)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的可接受程度，找出重點(diǎn)的巡檢部位，提出相應(yīng)的檢測(cè)及維護(hù)對(duì)策。以某大型起重機(jī)械的減速器為例，驗(yàn)證了該方法的有效性和可行性。

故障模式和影響分析;層次分析法;變權(quán);重要度;大型起重機(jī);維護(hù)決策

零部件重要度是指從安全性、任務(wù)性、經(jīng)濟(jì)性等方面綜合考慮，對(duì)系統(tǒng)整體運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生影響的程度。零部件重要度越高，說(shuō)明零部件對(duì)系統(tǒng)整體運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生的影響越大。在維修計(jì)劃的制訂過(guò)程中，選擇檢測(cè)或維修方式的一般步驟是先確定重要功能零部件，從而對(duì)其進(jìn)行重點(diǎn)分析［1］。

大型起重機(jī)械通常由上百甚至上千個(gè)零部件組成。在檢測(cè)及維護(hù)決策分析中，如果逐一對(duì)子設(shè)備零部件進(jìn)行詳細(xì)的分析，將要花費(fèi)大量的人力和物力。因此，有必要通過(guò)零部件重要度評(píng)價(jià)篩選，使維修決策分析人員節(jié)省大量的時(shí)間。另外，由于維修資源的有限性，保持系統(tǒng)所有零部件的高性能指標(biāo)是不可能的，也是不可取的。為此，從設(shè)備整體角度出發(fā)來(lái)確定維修的相對(duì)優(yōu)先權(quán)［2］，即重要度，從而進(jìn)行維修資源的合理配置［3］。

1 變權(quán)原理

層次分析法［5］屬于常權(quán)評(píng)估，常導(dǎo)致評(píng)估的非公正性。這是由于因素之間的重要程度往往會(huì)隨各因素的狀態(tài)值的不同而發(fā)生變化。文獻(xiàn)［6］提出的意義明確的變權(quán)綜合方法(見(jiàn)式(1))是解決這類(lèi)問(wèn)題的有效手段［4，5］。

式(1)中:(x1，x2，…，xm)為各指標(biāo)的狀態(tài)向量; (ω1，ω2，…，ωm)為權(quán)重向量。

2 零部件重要度評(píng)估

針對(duì)大型起重機(jī)械的工作特點(diǎn)，主要從4個(gè)方面來(lái)衡量其零部件的重要度:生產(chǎn)損失(u1)、維修成本(u2)、安全影響(u3)和環(huán)境影響(u4)。因素集記為U={ui}={u1，u2，u3，u4}，其中ui表示影響因素。

大型起重機(jī)械零部件通常具有多種故障模式，而且每個(gè)故障模式一般具有不同的故障后果，直接對(duì)影響因素進(jìn)行量化分析十分困難。因此，在影響因素的評(píng)價(jià)中引入了故障模式與影響分析(FMEA)方法［1］。首先分析零部件常見(jiàn)故障模式的故障后果，由業(yè)內(nèi)專(zhuān)家和維修管理人員共同確定出每一種故障模式的影響因素值(ui);然后采用統(tǒng)計(jì)、模糊化以及變權(quán)層次分析法綜合評(píng)價(jià)每一零部件的重要度。評(píng)估模型見(jiàn)圖1。

圖1 零部件重要度評(píng)估模型

2.1 建立因素集

1)生產(chǎn)損失u1:以年為評(píng)價(jià)單位，零部件故障造成的生產(chǎn)損失為各故障模式造成的生產(chǎn)損失總和，即每年故障模式的誤工時(shí)間與該故障模式每年可能發(fā)生的次數(shù)之積。

式(2)中:u1(h)為零部件故障的年生產(chǎn)損失;u1i(h/次)為每種故障模式的生產(chǎn)影響;pi(次/a)為每種故障模式頻次。

2)維修成本u2:以年為評(píng)價(jià)單位，零部件維修成本的計(jì)算方法與生產(chǎn)損失相同，其中維修成本包括人工成本和備件費(fèi)用。

式(3)中:u2(元)為零部件的維修成本;u2i(元/次)為每種故障模式的維修成本。

武陵民族地區(qū)目前存在著很多具有典型意義的傳統(tǒng)聚落。其分布往往以宗族聚落為主，我們選擇了以下共21個(gè)村落作為研究對(duì)象。在鄂西地區(qū)，重要的傳統(tǒng)聚落有：魚(yú)木寨、舍米湖、唐崖土司城、戽口村、麻柳溪村、彭家寨等。其中，魚(yú)木寨被譽(yù)為土家族第一寨。在湘西，重要的傳統(tǒng)聚落有：鳳凰古城、黃絲橋、王村、洗車(chē)河、老司城等。而在重慶地區(qū)也分布著很多古村落。比較著名的有：酉陽(yáng)云居村、龔灘古鎮(zhèn)、黔江后壩、秀山大寨、民族村、彭水鞍子苗寨、彭家寨、豐都暨龍黃家大院等。貴州銅仁地區(qū)，主要村落有云舍村、寨沙侗寨等。其中屬于土家族聚落的有12個(gè)，苗寨6個(gè)，侗族村落2個(gè)，羌族村落1個(gè)。

3)安全影響u3和環(huán)境影響u4:由于安全和環(huán)境影響為定性因素，不宜采用定量衡量，故采用最大危險(xiǎn)度原則。u3和u4分別取所有故障模式中最嚴(yán)重的安全和環(huán)境影響。

式(4)、(5)中:u3、u4分別為零部件故障的安全和環(huán)境影響;u3i、u4i分別表示每種故障模式造成的安全和環(huán)境影響。

2.2 建立評(píng)價(jià)集

評(píng)價(jià)集是由評(píng)價(jià)者對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象作出的評(píng)判結(jié)果所組成的集合。零部件重要度分為5級(jí):非常不嚴(yán)重(V1)、不嚴(yán)重(V2)、一般(V3)、嚴(yán)重(V4)、非常嚴(yán)重(V5)，可表示為V={Vi}={V1，V2，V3，V4，V5}。

2.3 建立評(píng)價(jià)矩陣

應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)的基本概念，生產(chǎn)損失影響和維修成本采用三角形隸屬度函數(shù)(見(jiàn)圖2)，從而建立從因素集到評(píng)價(jià)集之間映射的評(píng)價(jià)矩陣，由評(píng)價(jià)值ui代入隸屬函數(shù)計(jì)算得出隸屬度。安全影響u3和環(huán)境影響u4分別按照表1、2來(lái)定性確定。

圖2 生產(chǎn)損失和維修成本的隸屬函數(shù)

表1 安全影響

表2 環(huán)境影響

零部件重要度評(píng)價(jià)中的4個(gè)因素與評(píng)價(jià)集中的5個(gè)等級(jí)構(gòu)成了4×5維的評(píng)價(jià)矩陣，即

式(6)中:R為4×5維的評(píng)價(jià)矩陣;ui為第i個(gè)影響因素;rij為第i個(gè)影響因素與評(píng)價(jià)集中第j個(gè)等級(jí)間的隸屬關(guān)系。對(duì)某大型起重機(jī)起升減速器進(jìn)行FMEA，得到其主要故障模式對(duì)應(yīng)的故障后果和頻次(見(jiàn)表3)。根據(jù)式(2)得出減速器的年生產(chǎn)損失為63.6 h，代入隸屬函數(shù)(見(jiàn)圖2(a))，得到減速器生產(chǎn)損失歸屬5個(gè)損失級(jí)別的隸屬度，即對(duì)起升減速器u1的模糊評(píng)判為

類(lèi)似地，根據(jù)年維修成本u2及其隸屬函數(shù)(見(jiàn)圖2(b))得到起升減速器維修成本的隸屬度和模糊評(píng)判。

表3 起升機(jī)構(gòu)減速器FMEA

最終得到該減速器的重要度評(píng)價(jià)矩陣，即

2.4 確定權(quán)重向量

1)確定常權(quán)。層次分析法是一種廣泛應(yīng)用的權(quán)重向量確定方法。本文采用層次分析法來(lái)確定模糊綜合評(píng)價(jià)中的各因素權(quán)重，邀請(qǐng)專(zhuān)家、使用人員以及維修人員共同參與，根據(jù)4個(gè)因素之間的相對(duì)重要度取值來(lái)確定判斷矩陣，并通過(guò)計(jì)算得出4個(gè)影響因素的權(quán)重向量:

對(duì)于大型起重機(jī)械來(lái)說(shuō)，零部件故障的嚴(yán)重程度中各影響因素的權(quán)重并不相同。其中，安全和環(huán)境影響是最重要的，其次是生產(chǎn)損失，最后是維修費(fèi)用。采用層次分析法，建立零部件重要度評(píng)價(jià)因素集中影響因素的權(quán)重判斷矩陣，求出4個(gè)影響因素的權(quán)重向量:

2)變權(quán)。變權(quán)首先要得到各指標(biāo)的狀態(tài)向量(x1，x2，x3，x4)。由式(11)求出u1和u2的狀態(tài)量x1和x2，且x3=u3，x4=u4。

2.5 綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

由評(píng)價(jià)矩陣和權(quán)重向量確定綜合評(píng)判矩陣:

對(duì)于故障模式嚴(yán)重程度評(píng)估中的4個(gè)影響因素，任何一個(gè)等級(jí)數(shù)過(guò)大都會(huì)使故障模式處于危險(xiǎn)水平，即它們的權(quán)重應(yīng)隨等級(jí)數(shù)的增大而增大。故應(yīng)采用激勵(lì)型變權(quán)綜合，即k＞1。借鑒已有安全評(píng)價(jià)的研究成果［5］，采用專(zhuān)家調(diào)查法［7－8］確定變權(quán)系數(shù)k為2.5。

再采用加權(quán)平均法得出綜合評(píng)價(jià)結(jié)果，即重要度為

式(14)中Vj為評(píng)價(jià)集中的等級(jí)。令V1=1，V2= 2，V3=3，V4=4和V5=5。

根據(jù)上述分析，通過(guò)計(jì)算得到起升機(jī)構(gòu)減速器的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果S(重要度)為3.34。

根據(jù)零部件重要度評(píng)價(jià)結(jié)果，對(duì)重要度進(jìn)行4級(jí)劃分(見(jiàn)表4)，并基于不同的重要度等級(jí)提出相應(yīng)的檢測(cè)及維護(hù)建議，從而避免或減少零部件故障的發(fā)生。通過(guò)綜合評(píng)估可知:起升機(jī)械減速器屬于“很重要”等級(jí)，應(yīng)采取必要的措施對(duì)其監(jiān)控。如采用在線(xiàn)振動(dòng)監(jiān)測(cè)，當(dāng)振動(dòng)較大時(shí)發(fā)出危險(xiǎn)信號(hào)提示及時(shí)維護(hù)，從而滿(mǎn)足安全可靠運(yùn)行的要求。

表4 基于重要度的維護(hù)

3 結(jié)論

1)根據(jù)生產(chǎn)損失、維修費(fèi)用、安全影響以及環(huán)境影響4個(gè)因素，引入FMEA、模糊綜合評(píng)價(jià)、變權(quán)、層次分析等方法來(lái)評(píng)估零部件重要度，降低了主觀不確定性，提高了所得到的零部件重要度的準(zhǔn)確性和可信度。

2)得到零部件的重要度，確定起重機(jī)械的重點(diǎn)巡檢部位，提出相應(yīng)的檢測(cè)及維護(hù)建議。

3)以某起重機(jī)起升減速器的重要度評(píng)估為例進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明該方法是可行、有效的。

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(責(zé)任編輯 劉舸)

Components Importance Degree Evaluation of Large Crane Based FMEA and Variable Weight AHP

ZHANG Shu－zhong1，2，ZENG Qin－da2
(1.School of Mechanical and Automotive Engineering，F(xiàn)ujian University of Technology，F(xiàn)uzhou 350108，China;2.Fujian Special Equipment Inspection and Research Institute，F(xiàn)uzhou 350008，China)

It is necessary to evaluate the importance degree of large crane’s components for the reasonable arrangement of equipment inspection and maintenance.Hence，the equipment importance degree evaluation of large crane based failure mode and effect analysis(FMEA)and variable weight analytic hierarchy process(AHP)was proposed.Through FMEA，values of four impact factors about each failure mode were obtained.The risk levels of two factors，production loss and repair costs，were quantitative evaluated using fuzzy mathematics，and the other two factors，safety affection and environ－ment impact，were qualitative decided.Furthermore，variable AHP synthesizing was introduced into the quantitative evaluation of components’importance degree.Based on the risk acceptances of the enterprise，the important components to inspect were discovered，and relevant maintenance strategy was brought forward.A case study for large crane＇s reducer was presented to illustrate the potential applications of the proposed approach.And the result shows that it is effective and feasible.

FMEA;AHP;variableweigh;importancedegree;largecrane;maintenance decision－making

TH17

A

1674－8425(2014)05－0034－05

10.3969/j.issn.1674－8425(z).2014.05.007

2014－02－27

國(guó)家質(zhì)檢總局科技計(jì)劃項(xiàng)目(2012QK025);福建工程學(xué)院科研啟動(dòng)基金資助項(xiàng)目(GY－Z14005)

張樹(shù)忠(1980—)，男，福建周寧人，博士，講師，主要從事機(jī)電液一體化及維護(hù)策略?xún)?yōu)化方面的研究。

張樹(shù)忠，曾欽達(dá).基于FMEA和變權(quán)AHP的大型起重機(jī)械零部件重要度評(píng)估［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2014(5):34－38.

format:ZHANG Shu－zhong，ZENG Qin－da.Components Importance Degree Evaluation of Large Crane Based FMEA and Variable Weight AHP［J］.Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2014(5): 34－38.