基于FMEA和變權AHP的大型起重機械零部件重要度評估

張樹忠，曾欽達

(1.福建工程學院機械與汽車工程學院，福州 350108;

2.福建省特種設備檢驗研究院，福州 350008)

基于FMEA和變權AHP的大型起重機械零部件重要度評估

張樹忠1，2，曾欽達2

(1.福建工程學院機械與汽車工程學院，福州 350108;

2.福建省特種設備檢驗研究院，福州 350008)

為了更有針對性地對大型起重機進行檢測及維護，有必要對其零部件在系統中的重要度進行評估，以確定各零部件的優先度。為此，提出基于FMEA(故障模式和影響分析)和變權AHP(層次分析法)的大型起重機械零部件重要度評估。通過FMEA得到各故障模式的4個影響因素值，其中生產損失與維修影響采用模糊數學量化評估其風險等級，安全和環境影響則為定性方式;采用變權AHP定量地評估各個零部件的風險水平，即重要度;結合企業對風險的可接受程度，找出重點的巡檢部位，提出相應的檢測及維護對策。以某大型起重機械的減速器為例，驗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;重要度;大型起重機;維護決策

零部件重要度是指從安全性、任務性、經濟性等方面綜合考慮，對系統整體運營產生影響的程度。零部件重要度越高，說明零部件對系統整體運營產生的影響越大。在維修計劃的制訂過程中，選擇檢測或維修方式的一般步驟是先確定重要功能零部件，從而對其進行重點分析［1］。

大型起重機械通常由上百甚至上千個零部件組成。在檢測及維護決策分析中，如果逐一對子設備零部件進行詳細的分析，將要花費大量的人力和物力。因此，有必要通過零部件重要度評價篩選，使維修決策分析人員節省大量的時間。另外，由于維修資源的有限性，保持系統所有零部件的高性能指標是不可能的，也是不可取的。為此，從設備整體角度出發來確定維修的相對優先權［2］，即重要度，從而進行維修資源的合理配置［3］。

1 變權原理

層次分析法［5］屬于常權評估，常導致評估的非公正性。這是由于因素之間的重要程度往往會隨各因素的狀態值的不同而發生變化。文獻［6］提出的意義明確的變權綜合方法(見式(1))是解決這類問題的有效手段［4，5］。

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

2 零部件重要度評估

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

大型起重機械零部件通常具有多種故障模式，而且每個故障模式一般具有不同的故障后果，直接對影響因素進行量化分析十分困難。因此，在影響因素的評價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故障模式的故障后果，由業內專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);然后采用統計、模糊化以及變權層次分析法綜合評價每一零部件的重要度。評估模型見圖1。

圖1 零部件重要度評估模型

2.1 建立因素集

1)生產損失u1:以年為評價單位，零部件故障造成的生產損失為各故障模式造成的生產損失總和，即每年故障模式的誤工時間與該故障模式每年可能發生的次數之積。

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

2)維修成本u2:以年為評價單位，零部件維修成本的計算方法與生產損失相同，其中維修成本包括人工成本和備件費用。

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。

武陵民族地區目前存在著很多具有典型意義的傳統聚落。其分布往往以宗族聚落為主，我們選擇了以下共21個村落作為研究對象。在鄂西地區，重要的傳統聚落有：魚木寨、舍米湖、唐崖土司城、戽口村、麻柳溪村、彭家寨等。其中，魚木寨被譽為土家族第一寨。在湘西，重要的傳統聚落有：鳳凰古城、黃絲橋、王村、洗車河、老司城等。而在重慶地區也分布著很多古村落。比較著名的有：酉陽云居村、龔灘古鎮、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，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，苗寨6個，侗族村落2個，羌族村落1個。

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

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

2.2 建立評價集

評價集是由評價者對評價對象作出的評判結果所組成的集合。零部件重要度分為5級:非常不嚴重(V1)、不嚴重(V2)、一般(V3)、嚴重(V4)、非常嚴重(V5)，可表示為V={Vi}={V1，V2，V3，V4，V5}。

2.3 建立評價矩陣

應用模糊數學的基本概念，生產損失影響和維修成本采用三角形隸屬度函數(見圖2)，從而建立從因素集到評價集之間映射的評價矩陣，由評價值ui代入隸屬函數計算得出隸屬度。安全影響u3和環境影響u4分別按照表1、2來定性確定。

圖2 生產損失和維修成本的隸屬函數

表1 安全影響

表2 環境影響

零部件重要度評價中的4個因素與評價集中的5個等級構成了4×5維的評價矩陣，即

式(6)中:R為4×5維的評價矩陣;ui為第i個影響因素;rij為第i個影響因素與評價集中第j個等級間的隸屬關系。對某大型起重機起升減速器進行FMEA，得到其主要故障模式對應的故障后果和頻次(見表3)。根據式(2)得出減速器的年生產損失為63.6 h，代入隸屬函數(見圖2(a))，得到減速器生產損失歸屬5個損失級別的隸屬度，即對起升減速器u1的模糊評判為

類似地，根據年維修成本u2及其隸屬函數(見圖2(b))得到起升減速器維修成本的隸屬度和模糊評判。

表3 起升機構減速器FMEA

最終得到該減速器的重要度評價矩陣，即

2.4 確定權重向量

1)確定常權。層次分析法是一種廣泛應用的權重向量確定方法。本文采用層次分析法來確定模糊綜合評價中的各因素權重，邀請專家、使用人員以及維修人員共同參與，根據4個因素之間的相對重要度取值來確定判斷矩陣，并通過計算得出4個影響因素的權重向量:

對于大型起重機械來說，零部件故障的嚴重程度中各影響因素的權重并不相同。其中，安全和環境影響是最重要的，其次是生產損失，最后是維修費用。采用層次分析法，建立零部件重要度評價因素集中影響因素的權重判斷矩陣，求出4個影響因素的權重向量:

2)變權。變權首先要得到各指標的狀態向量(x1，x2，x3，x4)。由式(11)求出u1和u2的狀態量x1和x2，且x3=u3，x4=u4。

2.5 綜合評價結果

由評價矩陣和權重向量確定綜合評判矩陣:

對于故障模式嚴重程度評估中的4個影響因素，任何一個等級數過大都會使故障模式處于危險水平，即它們的權重應隨等級數的增大而增大。故應采用激勵型變權綜合，即k＞1。借鑒已有安全評價的研究成果［5］，采用專家調查法［7－8］確定變權系數k為2.5。

再采用加權平均法得出綜合評價結果，即重要度為

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

根據上述分析，通過計算得到起升機構減速器的綜合評價結果S(重要度)為3.34。

根據零部件重要度評價結果，對重要度進行4級劃分(見表4)，并基于不同的重要度等級提出相應的檢測及維護建議，從而避免或減少零部件故障的發生。通過綜合評估可知:起升機械減速器屬于“很重要”等級，應采取必要的措施對其監控。如采用在線振動監測，當振動較大時發出危險信號提示及時維護，從而滿足安全可靠運行的要求。

表4 基于重要度的維護

3 結論

1)根據生產損失、維修費用、安全影響以及環境影響4個因素，引入FMEA、模糊綜合評價、變權、層次分析等方法來評估零部件重要度，降低了主觀不確定性，提高了所得到的零部件重要度的準確性和可信度。

2)得到零部件的重要度，確定起重機械的重點巡檢部位，提出相應的檢測及維護建議。

3)以某起重機起升減速器的重要度評估為例進行驗證，結果表明該方法是可行、有效的。

［1］郭麗杰.基于風險的石化動設備智能維修決策研究［D］.北京:北京化工大學，2009.

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(責任編輯 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，Fujian University of Technology，Fuzhou 350108，China;2.Fujian Special Equipment Inspection and Research Institute，Fuzhou 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

國家質檢總局科技計劃項目(2012QK025);福建工程學院科研啟動基金資助項目(GY－Z14005)

張樹忠(1980—)，男，福建周寧人，博士，講師，主要從事機電液一體化及維護策略優化方面的研究。

張樹忠，曾欽達.基于FMEA和變權AHP的大型起重機械零部件重要度評估［J］.重慶理工大學學報:自然科學版，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.