夏軍，任金寶

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

0 引言

車門作為地鐵列車的關(guān)鍵子系統(tǒng)之一，其高故障率已經(jīng)引起車門設(shè)計(jì)單位和地鐵運(yùn)營(yíng)公司的高度重視。而可靠性研究已經(jīng)成為現(xiàn)代產(chǎn)品研發(fā)和維修中的重要環(huán)節(jié)，因此對(duì)車門系統(tǒng)進(jìn)行可靠性評(píng)估以找出設(shè)計(jì)中的薄弱環(huán)節(jié)，協(xié)助地鐵運(yùn)營(yíng)單位制定合理的維修決策顯得勢(shì)在必行。

為對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行可靠性評(píng)估找出危害性較大的故障模式，中外學(xué)者已經(jīng)做出了許多努力。尚葳蕤等［1］將基于模糊綜合評(píng)判的FMECA 應(yīng)用于自動(dòng)裝載傳輸系統(tǒng)的故障模式可靠性評(píng)估;李華府等［2］用逼近理想點(diǎn)法TOPSIS(technique for order performance by similarity to ideal solution)理論對(duì)某產(chǎn)品殼體組合加工過程部分工序的故障模式進(jìn)行可靠性分析;朱小娟等［3］提出應(yīng)用故障樹分析方法對(duì)地鐵車門系統(tǒng)進(jìn)行故障模式可靠性評(píng)估。

目前尚未檢索到將模糊TOPSIS 理論應(yīng)用于地鐵車門故障模式可靠性評(píng)估的研究文獻(xiàn)。故本文引入模糊理論構(gòu)建模糊TOPSIS，并應(yīng)用于地鐵車門故障模式的可靠性評(píng)估中。在對(duì)風(fēng)險(xiǎn)因子進(jìn)行模糊評(píng)估的基礎(chǔ)之上，利用模糊TOPSIS 得出車門系統(tǒng)各個(gè)故障模式的相對(duì)貼進(jìn)度，進(jìn)而對(duì)故障模式危害性進(jìn)行排序，找出了地鐵車門系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，為車門的維修決策提供技術(shù)支持。

1 地鐵車門簡(jiǎn)介

車門系統(tǒng)主要由承載導(dǎo)向裝置、基礎(chǔ)部件、電氣控制裝置和驅(qū)動(dòng)鎖閉裝置等子系統(tǒng)組成，其中承載導(dǎo)向裝置主要由長(zhǎng)短導(dǎo)柱、上下導(dǎo)軌和攜門架等組成，基礎(chǔ)部件包括膠條、指示燈和門葉等，電氣控制裝置主要由EDCU、行程開關(guān)和車門控制按鈕等組成，驅(qū)動(dòng)鎖閉裝置包括電機(jī)、絲桿螺母副和帶輪等，地鐵車門系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。

車門系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)由電子門控器EDCU 控制、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。EDCU 在接收到開門信號(hào)后，控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)動(dòng)作，電機(jī)通過帶輪帶動(dòng)絲桿螺母副，引起攜門架、長(zhǎng)導(dǎo)柱、掛架、下滾輪導(dǎo)向部件的動(dòng)作，并最終使得門葉在導(dǎo)向系統(tǒng)的引導(dǎo)下向外做擺出運(yùn)動(dòng)。在達(dá)到完全擺出狀態(tài)后，導(dǎo)向系統(tǒng)控制門葉的直線平移，使門葉平行于車輛側(cè)面運(yùn)動(dòng)。在平移過程中，攜門架使門葉沿著長(zhǎng)導(dǎo)柱自由滑動(dòng)，直到門葉達(dá)到完全打開狀態(tài)［4］。

圖1 地鐵車門工作原理圖

2 模糊TOPSIS 原理及數(shù)學(xué)模型

在傳統(tǒng)車門可靠性評(píng)估中，需要對(duì)發(fā)生度(O)、嚴(yán)重度(S)和難檢度(D)進(jìn)行準(zhǔn)確打分，但由于車門故障數(shù)據(jù)的缺乏，對(duì)此三個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因子準(zhǔn)確打分十分困難，存在較大的模糊性和不確定性，而引入模糊理論則可以用合適的語(yǔ)言變量及模糊數(shù)代替準(zhǔn)確值對(duì)風(fēng)險(xiǎn)因子進(jìn)行評(píng)價(jià)，解決傳統(tǒng)可靠性評(píng)估中風(fēng)險(xiǎn)因子評(píng)價(jià)的模糊性與不確定性，使評(píng)估結(jié)果更具正確性。同時(shí)，TOPSIS 方法是一種多屬性決策方法，它可以克服傳統(tǒng)可靠性評(píng)估中風(fēng)險(xiǎn)因子相乘及風(fēng)險(xiǎn)因子無權(quán)重的問題，為可靠性評(píng)估和危害性的權(quán)衡比較提供科學(xué)的參考依據(jù)，故本文將模糊理論引入TOPSIS，構(gòu)建模糊TOPSIS 理論，以對(duì)車門故障模式進(jìn)行可靠性評(píng)估。

TOPSIS 方法由Hwang 和Yoon 于1981 年首次提出，是一種逼近理想方案的序數(shù)偏好方法，根據(jù)評(píng)價(jià)對(duì)象與正負(fù)理想方案的相對(duì)貼近度進(jìn)行相對(duì)優(yōu)劣的評(píng)價(jià)［5］，模糊TOPSIS 的識(shí)別原理框圖如圖2 所示。

圖2 模糊TOPSIS 識(shí)別原理框圖

2.1 加權(quán)決策矩陣的構(gòu)建

1)構(gòu)建模糊決策矩陣

本文中引入模糊理論與TOPSIS 結(jié)合形成模糊TOPSIS 理論，引入模糊理論便于專家對(duì)風(fēng)險(xiǎn)因子進(jìn)行評(píng)價(jià)，避免了評(píng)價(jià)時(shí)需給出準(zhǔn)確值的缺點(diǎn)，使得評(píng)價(jià)更具合理性和可操作性。建立發(fā)生度(O)、嚴(yán)重度(S)和難檢度(D)三個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因子評(píng)價(jià)等級(jí)的語(yǔ)言變量與三角模糊數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如表1 所示［6］。

表1 評(píng)價(jià)指標(biāo)語(yǔ)言變量及三角模糊數(shù)

假設(shè)可靠性評(píng)估小組專家數(shù)量為K，用X={x1，x2，…，xn}表示故障模式集，A={a1，a2，a3}表示故障模式O、S 和D 所構(gòu)成的風(fēng)險(xiǎn)因子集，故障模式xi對(duì)風(fēng)險(xiǎn)因子aj的評(píng)價(jià)值用ij來表示，對(duì)于n 個(gè)故障模式的決策矩陣可表示［7］:

2)模糊決策矩陣的歸一化

3)確定風(fēng)險(xiǎn)因子權(quán)重

對(duì)各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因子進(jìn)行評(píng)估時(shí)，專家的主觀判斷通常具有模糊性，因此本文利用模糊AHP 方法對(duì)三個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因子進(jìn)行權(quán)重確定。為使專家能充分表達(dá)其主觀判斷的評(píng)估值，運(yùn)用三角模糊數(shù)表示風(fēng)險(xiǎn)因子比較變量，如表2所示［9］。

表2 風(fēng)險(xiǎn)因子重要性比較變量及三角模糊數(shù)

構(gòu)造判斷矩陣:

4)構(gòu)建加權(quán)決策矩陣

結(jié)合歸一化的決策矩陣B=(bij)nx3和風(fēng)險(xiǎn)因子的權(quán)重W=(w1，w2，w3)T，求加權(quán)決策矩陣

2.2 故障模式危害性的排序

1)理想方案的確定

危害性正理想方案是故障模式危害性達(dá)到最小的方案，而危害性負(fù)理想是故障模式危害性達(dá)到最大的方案。如果有一個(gè)故障模式最接近危害性負(fù)理想方案，同時(shí)又最遠(yuǎn)離危害性正理想方案，則該故障模式的危害性最大［10］。

將所有故障模式的正負(fù)理想方案確定如下:

危害性正理想方案為X+=(M1+，M2+，M3+)，

危害性負(fù)理想方案為:X－=(M1－，M2－，M3－)，

2)故障模式到理想方案的距離

每個(gè)故障模式到危害性正理想方案X+的距離為:

第一種類型，即“批評(píng)與自我批評(píng)要經(jīng)常開展，讓咬耳朵、扯袖子，紅紅臉、出出汗成為常態(tài)”[2]。這種類型的監(jiān)督執(zhí)紀(jì)特征：監(jiān)督、執(zhí)紀(jì)的對(duì)象從行為上說是黨員輕微的不適當(dāng)行為，即行為沒有違紀(jì)但有違紀(jì)的苗頭或傾向；執(zhí)紀(jì)的手段或方式是“咬耳朵、扯袖子”式的而且要達(dá)到“紅紅臉、出出汗”效果的批評(píng)教育；監(jiān)督執(zhí)紀(jì)運(yùn)用的理想狀態(tài)是“常態(tài)”化，即這種監(jiān)督、執(zhí)紀(jì)應(yīng)經(jīng)常性、普遍性開展，被提醒、被教育的黨員人數(shù)相對(duì)其它三種類型都要多。這一形態(tài)針對(duì)的對(duì)象是具有違紀(jì)傾向、苗頭性問題的黨員，處理原則是按照黨性標(biāo)準(zhǔn)加以提醒、教育、批評(píng)、管理，以防止一些傾向性、苗頭性問題發(fā)展實(shí)質(zhì)性問題。

每個(gè)故障模式到危害性負(fù)理想方案X－的距離為:

式中，d(..，..)是兩個(gè)模糊數(shù)之間的距離測(cè)度。設(shè)A=(a1，a2，a3)和B=(b1，b2，b3)是兩個(gè)三角模糊數(shù)，則A 和B 之間的距離測(cè)度的計(jì)算公式為:

3)相對(duì)貼近度的計(jì)算

4)危害性排序

按di值從小到大進(jìn)行排序，di值越小，則對(duì)應(yīng)的故障模式的危害性越大。

3 實(shí)例分析

本文對(duì)某地鐵公司某車輛段28 列車18 個(gè)月的正線運(yùn)營(yíng)和檢修中記錄的車門故障信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，選取車門系統(tǒng)故障率較高的10 個(gè)故障模式利用模糊TOPSIS 進(jìn)行可靠性評(píng)估，選取的地鐵車門故障模式如表3 所示。

表3 車門系統(tǒng)常見故障模式

可靠性評(píng)估小組由5 名來自設(shè)計(jì)、裝配與維修等不同部門的專家組成，對(duì)10 個(gè)故障模式的風(fēng)險(xiǎn)因子的模糊評(píng)價(jià)如表4 所示。根據(jù)式(1)，可以得知車門10 個(gè)故障模式的風(fēng)險(xiǎn)因子的綜合模糊評(píng)價(jià)信息如表5 所示。根據(jù)式(2)可以得到10 個(gè)故障模式的模糊決策矩陣為:

利用模糊AHP 方法對(duì)風(fēng)險(xiǎn)因子進(jìn)行權(quán)重分析。根據(jù)5 個(gè)專家分別給出的判斷矩陣，根據(jù)公式進(jìn)行整合，可以得知三個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因子的模糊權(quán)重分別為:

對(duì)模糊權(quán)重去模糊化并歸一化得到三個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因子的權(quán)重為:

表4 車門系統(tǒng)故障模式風(fēng)險(xiǎn)因子模糊評(píng)價(jià)

表5 故障模式綜合模糊評(píng)價(jià)信息

利用式(3)和式(4)對(duì)模糊決策矩陣進(jìn)行歸一化，并根據(jù)式(5)和所得的風(fēng)險(xiǎn)因子權(quán)重，可以得到車門系統(tǒng)10個(gè)故障模式的加權(quán)決策矩陣:

根據(jù)式(6)、式(7)、式(8)計(jì)算每一個(gè)故障模式到危害性正理想方案和負(fù)理想方案的距離，如表6 所示。

根據(jù)式(9)計(jì)算相對(duì)貼進(jìn)度，得到10 個(gè)故障模式的相對(duì)貼近度和危害度排序如表7 所示。

表6 故障模式到理想方案的正負(fù)距離

表7 車門系統(tǒng)故障模式危害度排序

由表7 可以得知10 個(gè)故障模式對(duì)車門系統(tǒng)危害性從大到小依次為:4(EDCU 功能失效)、9(螺母組件破損)、5(行程開關(guān)S1 破損)、6(行程開關(guān)S3 功能失效)、7(行程開關(guān)S4 破損)、1(壓輪間隙失調(diào))、3(攜門架有裂紋)、2(滾輪磨損)、10(中間解鎖組件潤(rùn)滑不良)和8(傳動(dòng)絲桿支撐座松動(dòng))。此外，EDCU 功能失效、螺母組件破損和開關(guān)S1 破損三種故障模式的相對(duì)貼進(jìn)度遠(yuǎn)小于其他幾種，應(yīng)視為影響車門系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵，應(yīng)重點(diǎn)進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)改進(jìn)并在日常維修中重點(diǎn)關(guān)注。另外，也應(yīng)結(jié)合實(shí)際維修情況，對(duì)行程開關(guān)S3 功能失效和S4 破損、壓輪間隙失調(diào)、攜門架有裂紋和滾輪磨損等故障模式采取相應(yīng)的改進(jìn)措施。

4 結(jié)語(yǔ)

利用模糊TOPSIS 理論進(jìn)行可靠性評(píng)估程序簡(jiǎn)便、易于操作，具有較好的合理性和適用性，在工程應(yīng)用上可以作為傳統(tǒng)可靠性評(píng)估方法的補(bǔ)充。本文應(yīng)用模糊TOPSIS理論對(duì)車門系統(tǒng)故障模式進(jìn)行可靠性評(píng)估，得知EDCU 功能失效、螺母組件破損和行程開關(guān)S1 破損等3 個(gè)故障模式對(duì)車門系統(tǒng)具有較大的危害性，應(yīng)得到維修部門的重點(diǎn)關(guān)注。該評(píng)估結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際檢修工程師經(jīng)驗(yàn)保持一致，驗(yàn)證了本文方法的有效性，將為地鐵車門的改進(jìn)設(shè)計(jì)與維修決策的制定提供技術(shù)支持。

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