葉 凱，蔡 沖，陸兆鵬

（武漢船用機(jī)械有限責(zé)任公司，武漢 430084）

0 引言

典型的機(jī)電系統(tǒng)通常包含機(jī)械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，具有“機(jī)”和“電”的雙重屬性。機(jī)械系統(tǒng)通常由運(yùn)動(dòng)零部件和靜態(tài)零部件組成。動(dòng)態(tài)零部件通常以損耗失效為主要故障模式，而靜態(tài)零部件的故障模式則取決于其維護(hù)情況、工作特點(diǎn)以及使用環(huán)境等因素，進(jìn)行可靠性預(yù)測(cè)具有很大難度。另一方面，機(jī)械系統(tǒng)中的大部分零件往往為某類設(shè)備專門設(shè)計(jì)，相較于電子元器件標(biāo)準(zhǔn)化程度低，數(shù)據(jù)難以積累，造成同類零件也無法形成統(tǒng)一的可靠性數(shù)據(jù)。

目前，F(xiàn)MECA已成為國(guó)內(nèi)外可靠性工程領(lǐng)域中解決非電子產(chǎn)品的成熟而有效的設(shè)計(jì)分析方法，并得到廣泛的重視和應(yīng)用。

1 基于模糊FMECA的機(jī)電系統(tǒng)可靠性分析

1.1 FMECA介紹

FMECA（Failure Mode Effect and Criticality Analysis，故障模式影響及其危害度分析）是一種歸納分析方法。它通過分析系統(tǒng)中每一種零部件可能出現(xiàn)的所有故障模式及對(duì)系統(tǒng)造成的相關(guān)影響，按照每種故障模式的發(fā)生概率、嚴(yán)重程度、檢測(cè)難易以及維修難易等多個(gè)維度進(jìn)行綜合分析，為系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)和設(shè)計(jì)改進(jìn)提供基本信息，通過消除潛在故障或降低其損失，達(dá)到提高系統(tǒng)安全性和可靠性的目的。

FMECA是按照一定的格式和步驟，分析每一個(gè)部件（功能）可能有的失效模式，以及對(duì)系統(tǒng)的影響，后果的嚴(yán)重程度。由于FMECA涉及的問題廣泛，需要由十分熟悉產(chǎn)品情況的設(shè)計(jì)人員經(jīng)過充分的調(diào)查研究以后做出分析，并由其他專業(yè)人員予以協(xié)助。

1.2 基于模糊FMECA的機(jī)電系統(tǒng)可靠性分析

典型的FMECA是一種常用的系統(tǒng)可靠性分析方法，使用時(shí)要求界限劃分明確，便于進(jìn)行定量分析。但對(duì)于復(fù)雜的機(jī)電系統(tǒng)而言，往往需要借助相關(guān)技術(shù)人員豐富的工程經(jīng)驗(yàn)，將模糊指標(biāo)定量化，從而完成FMECA。

針對(duì)上述問題，目前已有很多學(xué)者和工程研究人員將模糊理論與FMECA分析方法相結(jié)合，對(duì)系統(tǒng)可靠性進(jìn)行研究和綜合評(píng)估。

模糊FMECA的基本流程圖如圖1所示。

圖1 模糊FMECA的基本流程圖

1）確定因素集

故障模式k評(píng)價(jià)分析的因素集可以表示為

式中：ui為故障模式k的第i個(gè)影響因素。

2）確定評(píng)價(jià)集

評(píng)價(jià)集是由對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象可能做出的評(píng)價(jià)結(jié)果所組成的集合。

式中：m為評(píng)價(jià)分級(jí)數(shù)；vj表示第j個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)。

3）建立模糊評(píng)價(jià)矩陣

成立一個(gè)由h人組成的專家評(píng)價(jià)組，每位專家對(duì)各影響因素給定唯一評(píng)價(jià)等級(jí)vj。若h位組員中評(píng)定隸屬于vj的有人，則的評(píng)價(jià)集為

故障模式k模糊因素水平評(píng)價(jià)矩陣為

4）建立影響因素權(quán)重集

5）一級(jí)模糊綜合評(píng)估

將故障模式k的因素權(quán)重集改寫為向量形式。則：

Bk為故障模式k的模糊綜合評(píng)價(jià)向量。

6）確定綜合危害等級(jí)

通過加權(quán)平均法對(duì)Bk進(jìn)行處理，得到評(píng)價(jià)結(jié)果：

由此得到各故障模式的綜合危害度等級(jí)的集合：

2 基于模糊FMECA的克令吊可靠性分析

2.1 克令吊FMEA分析

克令吊是一種配套在普通貨船、集裝箱船、散貨船和其他運(yùn)輸船上的甲板起重設(shè)備。按照動(dòng)力來源，主要分為電動(dòng)液壓克令吊和純電動(dòng)克令吊。其中，電動(dòng)液壓克令吊技術(shù)更加成熟，配套更為廣泛。

以某型電動(dòng)液壓克令吊為分析對(duì)象。該型克令吊由機(jī)械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)組成，能夠?qū)崿F(xiàn)貨物升降、變幅和吊機(jī)360°回轉(zhuǎn)的功能。

參照《Q/HJB100-004.8-2015甲板機(jī)械故障模式影響及危害性分析（FMECA）通則》對(duì)該型令吊進(jìn)行故障模式及影響分析（FMEA）?；静襟E如圖2所示。

圖2 FMEA一般流程圖

根據(jù)該型克令吊近10年的售后保單情況，梳理篩選故障類型，得到吊機(jī)機(jī)械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)FMEA表。如表1所示。

表1 克令吊FMEA表

2.2 基于模糊FMECA的克令吊可靠性分析

常見的電動(dòng)液壓克令吊主要包括機(jī)械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)，是一類典型的機(jī)電系統(tǒng)，難以通過簡(jiǎn)單的定量分析和定性判斷，完成其可靠性評(píng)價(jià)，從而對(duì)設(shè)備使用和維護(hù)保養(yǎng)做出針對(duì)性指導(dǎo)。因此，需要借助模糊FMECA方法進(jìn)行分析。

過程如下：

1）建立因素集

根據(jù)因素水平等級(jí)表，建立因素集為

U={故障概率等級(jí)，嚴(yán)重度等級(jí)，檢測(cè)難易程度等級(jí)，維修難易程度等級(jí)}

表2 因素水平等級(jí)表

2）建立評(píng)價(jià)集

如上可知，評(píng)價(jià)集為

V={1,2,3,4}

3）建立故障模式的模糊評(píng)價(jià)矩陣

同樣地，其他故障模式的模糊評(píng)價(jià)矩陣分別為

4）確定權(quán)重集

用aij表示影響因素對(duì)于的相對(duì)重要數(shù)值，構(gòu)造判斷矩陣。

將判斷矩陣A的各行向量進(jìn)行幾何平均，然后歸一化，得到排序權(quán)重向量。計(jì)算步驟如下。

（1）計(jì)算判斷矩陣A各行元素乘積的n次方根

（2）對(duì)向量M歸一化

（3）計(jì)算判斷矩陣A的最大特征值

式中：(AW)i為AW的第i個(gè)分量。

計(jì)算出判斷矩陣的最大特征根λmax及其所對(duì)應(yīng)的特征向量之后，在進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，計(jì)算一致性比率Rc為

式中：Ic為一致性指標(biāo)，Ic=（λmax-n）（/n-1）；IR為判斷矩陣的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)，通過查找文獻(xiàn)得知，當(dāng)n=3時(shí)，IR=0.58；當(dāng)n=4時(shí)，IR=0.90；當(dāng)n=5時(shí)，IR=1.12；當(dāng)Rc＜0.1時(shí)，認(rèn)為判斷矩陣的一致性是可以接受的。

故障F1的判斷矩陣為

其權(quán)重向量為

判斷矩陣A的最大特征值：

λmax=4.129

一致性指標(biāo)：Ic=0.043，Rc=0.048

因此故障模式F1因素集對(duì)應(yīng)的權(quán)重向量為

同理，其余故障模式因素集對(duì)應(yīng)判斷矩陣和權(quán)重向量如下：

表3 因素重要程度判斷值表

5）一級(jí)模糊綜合評(píng)估

根據(jù)式（8），確定極地甲板吊機(jī)各故障模式的模糊綜合評(píng)價(jià)向量如下：

B1=(0.56, 0.176, 0.26, 0.26)

B2=(0.56, 0.12, 0.16, 0.26)

B3=(0.342, 0.246, 0.15, 0.27)

B4=(0.476, 0.228, 0.366, 0.06)

B5=(0.184, 0.286, 0.167, 0.07)

B6=(0.33, 0.068, 0.348, 0.05)

B7=(0.56, 0.232, 0.46, 0.26)

B8=(0.333, 0.375, 0.27, 0.27)

B9=(0.57, 0.172, 0.57, 0.12)

B10=(0.348, 0.276, 0.42, 0.12)

B11=(0.126, 0.158, 0.294, 0.228)

B12=(0.48, 0.227, 0.404, 0.136)

B13=(0.461, 0.164, 0.2671, 0.328)

B14=(0.441, 0.146, 0.09, 0.16)

B15=(0.337, 0.379, 0.47, 0.415)

B16=(0.318, 0.415, 0.47, 0.432)

B17=(0.318, 0.356, 0.299, 0.434)

6）綜合危害等級(jí)的確定

通過式（9），得到極地甲板吊機(jī)各故障模式的綜合危害度等級(jí)集合為

數(shù)值大小即是各故障模式危險(xiǎn)度綜合評(píng)價(jià)結(jié)果。

7）多級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)

由于本分析過程中故障模式的選取并未按照系統(tǒng)組成逐級(jí)劃分，因此無須進(jìn)行多級(jí)模糊評(píng)價(jià)。

3 結(jié)論

模糊FMECA能夠有效解決機(jī)電系統(tǒng)中機(jī)械部分故障往往難以精確描述但不能忽略的實(shí)際情況。盡管組成克令吊的機(jī)械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)，在該類產(chǎn)品上具有較為成熟的應(yīng)用，但利用模糊FMECA進(jìn)行可靠性分析的過程中，因素集的選取、專家意見的收集情況，對(duì)最終的分析評(píng)價(jià)結(jié)果有很大影響。因此，后續(xù)分析中，細(xì)化因素集的劃分，擴(kuò)大專家意見收集范圍，有助于得到更為準(zhǔn)確、合理的故障模式危險(xiǎn)度綜合評(píng)價(jià)結(jié)果。

另一方面，通過對(duì)大量實(shí)際使用數(shù)據(jù)的跟蹤收集，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)模糊評(píng)價(jià)結(jié)果的對(duì)照檢查，從而對(duì)分析過程中的模糊參數(shù)進(jìn)行可靠量化，提高分析的準(zhǔn)確性。