基于FTA 與AHP 結合的特種車輛變速系統故障研究

辛井超，蘭 翔，郭曉輝，王旭平，李 浩，袁曉靜

（1.火箭軍士官學校，山東濰坊 262500；2.火箭軍工程大學，陜西西安 710025）

0 引言

未來戰爭中，火箭軍將發揮重要的戰略威懾作用，也將成為重點打擊目標，如何實現戰時的裝備快速精準搶修對于保持戰斗力非常關鍵。備件的科學供應是有效搶修的關鍵環節，而對裝備的受損研判和損傷的準確定位是備件準確提供的重要前提。

近年來，以此為核心的備件需求研究的內容有很多：潘顯俊等建立了一種分數階離散灰色模型來研究備件需求問題[1]；李樹廣等采用粗糙集方法對備件需求進行預測[2]；陶小創等建立了備件保障概率模型，增強了備件需求預測的可操作性[3]；劉任洋等提出了一種基于壽命分布等效的表決系統備件需求量計算方法[4]；胡起偉等基于備件需求率模型研究了考慮預防性維修的備件需求量計算問題[5]，但所建立的模型僅考慮了工齡更換維修策略，有待考慮成組更換、狀態維修等更多維修策略下備件需求量計算建模。

還有一些文獻綜合運用多種方法確定備件需求，林琳等采用神經網絡和時間聚合法對間斷型備件需求進行計算[6]，提出了相應的預測方法，但存在誤差較大的風險；趙建忠等采用粗糙集—熵權—支持向量機方法對導彈備件需求進行預測[7]；董驍雄等采用相似系統理論和Bayes 方法計算初始備件需求[8]；宋光浩等針對故障相對頻繁的設備部件，根據歷史故障數據預測備件需求量[9]；Babai M.Z 等提出了一種新的基于復合泊松分布的貝葉斯方法來對備件需求預測[10]。貝葉斯法的主要缺點是要求有非常多的樣本，而且各種可能的需求量值必須在樣本中出現過。對于間斷需求序列，貝葉斯法對樣本的要求很高，因此該方法只能適用于一些特殊的情況，通用性不高。

當前，特種車輛是實現導彈武器系統無依托機動發射的重要根基，隨著實戰化的深入，發射單元接受到作戰任務后，需要進行機動實施作戰。執行任務時，某特種車輛在復雜環境下受損的可能性大，特別是機動過程中底盤變速系統容易受損。因此，研究復雜環境攜帶資源有限的情況下，特種車輛備件能否精確攜帶直接影響作戰行動需求。本文以某型特種車輛為例，首先利用故障樹分析法對損傷模式和部位進行準確的定位，再運用運用層次分析法對這些故障進行定性定量分析，獲得各故障危害等級，為指揮員科學決策備件的攜帶種類及數量提供理論依據。

1 運用故障樹分析法進行故障分析

1.1 故障樹分析法原理

故障樹分析法（Fault Tree Analysis，FTA）是安全關鍵系統設計過程中進行安全性、可靠性分析的重要方法[10]，主要采用邏輯方法進行危險的定量與定性分析，體現出系統工程方法研究安全問題的系統性、準確性、預測性。通過定量及定性的分析方法，對系統的可靠性以及相關因素進行深入分析，對于有關頂層事件發生的因素，可以通過故障樹進行分析對系統的失效情況進行判斷，最終目的是利用故障樹進行的分析調整系統設計，提高系統的安全性以及可靠性。

1.2 特種車輛變速系統損傷故障

在遂行發射任務時，某型特種車輛通常需要進行長距離公路機動，尤其跨區域機動時，應對的復雜環境多種多樣，容易發生故障。梳理相關資料，對變速系統損傷故障進行分析定位。

特種車輛變速系統損傷的主要原因有液力變矩器故障、變速器故障、液力緩行器故障、取力器損傷、冷卻系統損傷。為此，以特種車輛變速系統損傷作為頂層事件，建立該故障模式的故障樹（圖1）：自頂而下，頂事件為特種車輛不能正常行駛故障T，中間故障為N1～N5，最底層故障為M1～M26（表1）。

圖1 特種車輛變速系統損傷故障樹

表1 特種車輛變速系統損傷故障明細

根據故障樹及表1 可知，特種車輛變速系統損傷的原因主要由N1～N5 五類中間故障導致，與其相對應的M1～M9、M10～M18、M19～M21、M22～M24、M25～M26 等26 類底層基本故障是造成中間故障的根本原因。當變速系統發生損傷時，首先檢查確認底層故障M1～M9，即前蓋、鎖止離合壓片、鎖止離合摩擦片、減振器、單向離合器、渦輪、導輪、推力軸承、泵輪是否損傷，確定液力變矩器是否發生故障；其次檢查確認底層故障M10～M18，即變速箱殼體、齒圈、太陽輪、行星輪、行星架、快慢檔控制氣路、軟軸、執行氣缸、變速箱離合器是否損傷，確定變矩器是否發生故障；同理，對底層故障M19～M26 進行檢查，確定是否為液力緩行器故障、取力器損傷或冷卻系統損傷，達到故障定位的目的。

2 基于層次分析法的變速系統損傷故障分析

2.1 層次分析法原理

層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）是將與目標層總是相關的元素分解成目標、準則、方案等層次，而后進行定性定量分析的決策方法，可以通過YAAHP 軟件進行可視化建模與計算[11]。使用YAAHP 軟件可以創建模型、生成AHP 調查問卷、輸入判斷矩陣，進行輸入矩陣的一致性檢驗和底層對目標層影響權重計算，并且還能實現動態的靈敏度分析，以及數據的導出。層次關系可以顯示出某型特種車輛底盤變速系統在戰場情況下的損傷與各種因素之間的關系。尤其是可靠性研究方面，不同分系統、不同零部件之間與特種車輛戰場損傷的權重關系可以通過圖形清楚地表達出來。

2.2 判斷矩陣的構建

考慮到要素層的因素較多，專家評分難以得到客觀的評價，因此對層次模型進行分析時采用Santy 提出的一致矩陣，可以將不同的因素兩兩比較，降低不同種因素比較的難度，從而提高準確性。

根據模型情況，邀請6 名專家評分，分別是教學經驗豐富的姚春江教員、彭濤教員，教練團負責操作維修保養的4 名高級士官，他們經歷過某型裝備列裝之前的多種適應性試驗。根據德爾菲法的思路對模型進行處理打分，將數據處理后錄入矩陣模型，得到圖2 的判斷矩陣。

圖2 層次模型矩陣錄入（B2-C2m）

利用根據“1—9 尺度表”的專家評分表，得到以下6 個判斷矩陣，其中Wi為相對權重（圖3～圖8）。

圖3 變速系統戰場損傷判斷矩陣

圖3 是通過比較液力變矩器、取力器、冷卻系統、變速器、液力緩行器5 個分系統的相對重要程度，獲得對特種車輛底盤變速系統的重要程度的相對權重（Wi），由圖可知液力變矩器、取力器、冷卻系統變速器、變速器、液力緩行器的影響權重分別為0.242 2、0.100 8、0.500 5、0.104 3 和0.052 2。

圖4～圖8 是各個分系統的零部件對各分系統的重要性權重的影響，其表達方式與圖3 相同。

圖4 液力變矩器判斷矩陣

圖5 取力器損傷判斷矩陣

圖6 冷卻系統損傷判斷矩陣

圖7 變速器判斷矩陣

圖8 液力緩行器判斷矩陣

2.3 判斷矩陣的構建

在YAAHP 軟件中，可以得到各個分系統層要素對于某個底層要素權重排序。具體可以通過軟件中的“層次結構”計算和“關于此項的權重排序”兩種方式實現：如果判斷矩陣設定了自動調整一致性，軟件可以直接進行相對權重計算并進行排序；如果不一致或判斷矩陣補充不完整，則需要選定自動補全判斷矩陣選項，軟件將切換至結果頁面，顯示與子目標相關的計算結果。

在本模型中，構建判斷矩陣，并通過一致性檢查完成對目標層B 的權重排序計算（圖9、圖10）。

圖9 對目標層的權重排序

圖10 對變速系統戰場損傷的權重計算結果

2.4 靈敏度分析

由于戰場環境是不斷變化的，并且隨著任務的進行，零部件的可靠性會改變，為了能夠掌握在執行任務過程中零部件的可靠性，需要進行靈敏度的分析。

YAAHP 軟件通過改變某一要素的權重來進行靈敏度分析，觀察權重產生怎樣的變化。當改變某個要素權重后，其他的權重將會按照最初的權重比例來相應改變。

在圖11 中，當在研究冷卻系統對變速系統戰場損傷影響時，橫坐標表示的是冷卻系統占變速系統戰場損傷的權重，由圖11 可以看出，隨著冷卻系統的權重由0→1 逐漸遞增，其他系統對變速系統戰場損傷的影響權重越來越小，冷卻系統的散熱器和管路對變速系統戰場損傷的影響越來越大，當冷卻系統損傷為1時，散熱器和管路的影響權重分別約0.66、0.33。

圖11 靈敏度分析下的冷卻系統對變速系統戰場損傷影響權重變化

2.5 評估結果分析

運用YAAHP 軟件，進行層次分析法評價，把原本的定性評價轉換成為定量的評價，其技術優勢是規避了傳統純粹的打分主觀性強的難題，結果清晰，較好的解決了模糊、難以量化的問題。由圖11 計算結果可知，液力變矩器、取力器、冷卻系統、變速器、液力緩行器對變速系統的損傷權重分別是0.242 2、0.100 8、0.500 5、0.104 3 和0.052 2，可見對變速系統戰場損傷影響最大的是冷卻系統。通過比較這些危害度的大小，就可以在實戰狀態下對損傷進行快速定位以及維修順序的安排管理。就此也與一線部隊交流，發現結果相似度高。

3 結論

（1）運用故障樹分析法對特種車輛變速系統損傷故障進行分析，形成了特種車輛底盤典型的故障樹，獲得了對故障精準定位的方法。

（2）研究發現，特種車輛變速系統損傷時，各總成的損傷權重由高到低依次為冷卻系統、液力變矩器、變速器、取力器、液力緩行器，為特種車輛戰時維修保障提供了技術支持。