姜 萌，耿端陽，金誠謙，楊善東，林連華，徐海港

(1.山東理工大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，山東 淄博 255000；2.山東時風(fēng)集團，山東 聊城 252800 )

0 引言

小麥?zhǔn)斋@是小麥生產(chǎn)的最終環(huán)節(jié)，也是保證小麥穩(wěn)產(chǎn)、豐產(chǎn)的關(guān)鍵，而聯(lián)合收獲機在此環(huán)節(jié)發(fā)揮著非常重要作用。由于聯(lián)合收獲機的工況條件復(fù)雜、工作環(huán)境惡劣、收獲時間緊迫使得對其可靠性有著較高要求。國內(nèi)有學(xué)者提出采用故障模式、影響分析(FMEA)和危害性分析(CA)，即FMECA對小麥聯(lián)合收獲機零部件進行分析，找出單點故障，并按故障模式的嚴(yán)重度及其發(fā)生的概率確定其危害性，進而確定對其進行改進設(shè)計或者確定維修保養(yǎng)工作[1-2]。雖然利用FMECA對聯(lián)合收獲機關(guān)鍵零部件進行可靠性分析收到了一定的效果，但FMECA屬于定性分析，分析過程往往存在模糊性和不確定性因素，導(dǎo)致分析結(jié)果具有一定的不確定性[3-4]。為此，本文利用模糊綜合評判法對FMECA進行改進，形成FMECA模糊分析方法，為農(nóng)業(yè)裝備可靠性定量分析提供了重要參考和工具[5-7]。

1 FMECA模糊分析方法基本理論

FMECA模糊分析方法是在FMECA分析方法的基礎(chǔ)上融合模糊綜合評判法形成的一種裝備可靠性分析方法[8]，該方法綜合了兩種可靠性分析方法的優(yōu)勢，可以更加精確地發(fā)現(xiàn)裝備存在的技術(shù)瓶頸。

FMECA模糊分析方法借助模糊理論在處理不確定信息方面的優(yōu)勢，量化FMECA分析的結(jié)果，從而使得各故障模式的危害性更加清晰、準(zhǔn)確，為改進設(shè)計和確定預(yù)防性維修工作提供了依據(jù)[9-10]。FMECA模糊分析的基本流程如圖1所示[11-13]。

圖1 FMECA模糊分析方法的基本流程

1.1 因素集合U的確定

把能夠?qū)υu估對象產(chǎn)生影響的各個因素寫成集合的形式，這里用U表示，即

U={u1,u2,u3, … ,ui, …,un}

(1)

其中，ui表示影響評判對象的第i個影響因素，i=1，2，…，n。

1.2 評判集合V的確定

評判專家對所評價對象做出的所有可能結(jié)果被稱為評判集合，這里用V表示，即

V={v1，v2，v3，…，vj，…,vm}

(2)

其中，vj表示評判專家對所評對象所做第j個評價，j=1，2，…，m。

1.3 模糊評判矩陣Z的確定

為了分析評判結(jié)果與影響評價對象因素之間的關(guān)系，必須建立一個U→V的模糊映射f，使得f:U→F(V),ui→f(ui)，得到關(guān)于因素ui在因素水平vj的隸屬度zij，即

f(ui)=Zi=(zi1,zi2,zi3,…,zij,…,zim)

(3)

將n個評價模糊向量Zi作為評價矩陣Z的行，進行轉(zhuǎn)置，即可得到因素評價矩陣Z為

(4)

組建一個含p位評判專家的評議小組，該小組每位專家對各影響因素ui分別作出一個評價等級vj，若p位專家中有pij人的評價ui隸屬于vj，則得到ui的評價集為

(5)

1.4 因素權(quán)重集W的確定

由于每一因素對不同評價對象有著不同的影響度，所以在進行對各失效模式的危害程度的綜合評價前，首先要按照重要程度對各影響因素進行排序，即權(quán)重集W的確定。進行權(quán)重集的確定是進行綜合評判的重要一步，權(quán)重集的合理與否會對綜合評判的結(jié)果產(chǎn)生關(guān)鍵的影響[14-15]。權(quán)重集W為

W=w1,w2,w3,…,wi,…,wn

(6)

常用的權(quán)重分配方法有最小平方法、環(huán)比評分法、二項系數(shù)法，以及層次分析法。層次分析法在使用時，會按照因素之間的相互關(guān)系把各因素分出等級，從而得到多等級的分析模型，使用該模型處理問題時思路清晰，且所需數(shù)據(jù)相對較少，具有簡潔高效的特點，所以在處理權(quán)重分配問題時，往往采用層次分析法。用aij表示ui相對重要性，并構(gòu)造判別矩陣A，有

(7)

其中，ui的取值標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。由表1不難看出：aij與aji互為倒數(shù)，即aij= 1/aji，且當(dāng)i=j時，aii=1。由判別矩陣A計算可得其特征向量ξ=[x1,x2, …,xn]和對應(yīng)的最大特征根λmax。最后，進行一致性檢驗，一致性比率ZC可由式(8)計算得到，即

(8)

表1 層次分析法判斷矩陣標(biāo)度及其含義

表2 1～13階判斷矩陣的IZ值

1.5 一級模糊綜合評價的確定

將已經(jīng)確定的故障模式因素權(quán)重集與模糊評判矩陣Z進行叉乘，得到一級模糊綜合評價向量，且該故障模式的模糊評價向量用B表示，即

(9)

1.6 綜合危害等級的確定

通過模糊評價向量B很難清晰明確地看出評價的一級模糊綜合評價的結(jié)果，本文采用加權(quán)平權(quán)的方法對向量B進行轉(zhuǎn)化，得到綜合危害等級，該轉(zhuǎn)化結(jié)果用數(shù)值C進行表示，即

C=B·VT

(10)

1.7 多級模糊綜合評價

在實際應(yīng)用中，由于裝備的結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，其模糊綜合評價大多是由多級子系統(tǒng)組成，所以要逐級地進行模糊綜合評價，即按照裝備的組成結(jié)構(gòu)，先對各底層的子系統(tǒng)分別進行1級評價，從而得到其模糊評價向量的危害等級；再依次對上一層系統(tǒng)進行模糊綜合評價，最后對該系統(tǒng)進行模糊綜合評價，從而得到系統(tǒng)的多級模糊綜合評價。在進行各級模糊評價時，需使用同一個因素評價集，即V保持不變?？v軸流脫粒的2級模糊綜合評價因素集為

U={故障模式1，故障模式2,…,故障模式k}

2 縱軸流脫粒系統(tǒng)模糊FMECA分析

縱軸流脫粒系統(tǒng)是小麥?zhǔn)斋@機的重要工作部件，其可靠性程度直接影響整機技術(shù)性能。即該系統(tǒng)一旦發(fā)生故障，會大大降低小麥的收獲質(zhì)量，影響農(nóng)民受益，甚至可能延誤農(nóng)時，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成很大風(fēng)險，因此在縱軸流式小麥?zhǔn)斋@機推廣研發(fā)的當(dāng)下，對縱軸流脫粒系統(tǒng)進行可靠性分析具有非常重要的意義。以下針對山東時風(fēng)農(nóng)業(yè)裝備有限公司的4LZ-11B型號小麥?zhǔn)斋@機縱軸流脫粒滾筒進行FMEA分析，如表3所示。

表3 縱軸流脫粒滾筒FMEA表

在進行FMEA分析的基礎(chǔ)上，按照如下步驟對小麥?zhǔn)斋@機的各個故障模式依次進行模糊綜合評價：

1)因素集合的確定。在對縱軸流脫粒滾筒進行故障危害性評價時采用如下因素集，即

U={故障發(fā)生頻率，故障嚴(yán)重程度，故障檢測難易，故障維護成本}

2)評價集的確定。以上5種故障模式的評價結(jié)果可以劃分成4個等級，即V={1，2，3，4}，由此可以得出各個影響因素的評分標(biāo)準(zhǔn)，即故障模式因素水平等級表，如表4所示。

3)滾筒堵塞的模糊評價矩陣的建立。經(jīng)過專家評判組評定，滾筒堵塞的故障發(fā)生頻率模糊集是z1={0.2，0.5，0.1，0.2}，故障嚴(yán)重程度模糊集是z2={0.2，0.2，0.3，0.3}，故障檢測難易模糊集是z3={0.2，0.3，0.4，0.0}，故障維護成本模糊集是z4={0.2，0.2，0.3，0.3}。根據(jù)式(4)可得

表4 故障模式因素水平等級表

4)滾筒堵塞的因素權(quán)重集建立。建立滾筒堵塞的各影響因素判斷矩陣及權(quán)重，如表5所示。

表5 滾筒堵塞各影響因素判斷矩陣及權(quán)重

由表5得判別矩陣為

根據(jù)判別矩陣A計算得到最大特征根λmax=4.12，查表2可知IZ=0.90，經(jīng)計算得Zc=0.043<0.1，故判別矩陣A符合一致性要求，能夠接受。因此，故障模式1的因素集所對應(yīng)的權(quán)重為

W1={0.564,0.263,0.055,0.119}。

6)確定脫粒滾筒各故障模式的綜合危害等級。借助加權(quán)平均法對B進行轉(zhuǎn)化，滾筒堵塞的綜合危害等級是C1=B1·[1,2,3,4]T=1.487。同理，可對故障模式(2)～式(5)的模糊評判矩陣進行確定，即

故障模式1～5可采用相同的權(quán)重集進行模糊綜合評價向量的計算，即W1=W2=W3=W4=W5。因此，求得故障模式1～5的模糊綜合評判向量如下:B2=[0.226 0.696 0.000 0.078]，B3=[0.480 0.247 0.044 0.229]，B4=[0.256 0.288 0.087 0.368]，B5=[0.155 0.375 0.321 0.149]。

各故障模式的綜合危險等級可分別由式(10)求得，其集合C={C1，C2，C4，C4，C5}={1.487，1.930，2.022，2.567，2.464}。根據(jù)集合C對故障模式1～5的危害度等級進行從小到大排序得到：滾筒堵塞<滾筒脫粒不凈含雜偏高<籽粒破碎率過大 <滾筒轉(zhuǎn)速失穩(wěn)<谷粒脫不盡而破碎多。

7)2級模糊綜合評價。在對小麥?zhǔn)斋@機縱軸流脫粒滾筒分別進行了故障模式1～5的模糊評價之后，利用得到的評價結(jié)果進行2級模糊綜合評價。使用故障模式1～5作為2級評價的因素集得到U={滾筒堵塞，滾筒脫粒不凈含雜偏高，籽粒破碎率過大，谷粒脫不盡而破碎多，滾筒轉(zhuǎn)速失穩(wěn)}，評價集仍為V={1，2，3，4}，評價矩陣為Z={B1，B2，B3，B4，B5}T，對小麥?zhǔn)斋@機縱軸流脫粒滾筒的5種故障模式的重要程度利用層次分析法得出權(quán)重集W={0.129，0.199，0.331，0.523，0.237}。則綜合評價結(jié)果為B=WZ=[0.314 0.172 0.236 0.307]，即B=0.314/1+0.172/2+0.236/3+0.307/4，可得其綜合危害等級C=2.714。

利用上述方法同樣可以對小麥聯(lián)合收獲機的其他零部件進行模糊FMECA分析，從中找出危害度最大的工作部件，進而對其改進設(shè)計或確定預(yù)防性維修工作，即可提高整機的可靠性。

3 結(jié)論

1) 將FMECA與模糊綜合評判結(jié)合起來,確定了FMECA模糊分析方法和分析程序,提高了裝備可靠性分析的準(zhǔn)確性。

2)結(jié)合小麥?zhǔn)斋@機的發(fā)展現(xiàn)狀，以縱軸流脫粒系統(tǒng)為例，完成了影響小麥?zhǔn)斋@機系統(tǒng)工作可靠性的危害度分析，確定了其危害度，為其改進設(shè)計和建立預(yù)防性維修工作提供了依據(jù)。