基于模糊置信理论及灰色关联决策的冶金桥式起重机FMEA分析.pdf

基于模糊置信理论及灰色关联决策的 冶金桥式 起重机 F ME A分析 李昕阳 刘克非 舒安庆 丁克勤 1湖北文理学院机械与汽车工程学院襄阳4 4 1 0 5 3 2武汉工程大学机 电工程学院武汉4 3 0 2 0 5 3中国特种设备检测研究院 北京1 0 0 0 1 3 摘要以冶金桥式起重机主起升机构为例，采用基于模糊置信理论及灰色关 联决策 的 F ME A方法对其 常见故障模式进行分析。以传统 F ME A分析为基础 ，对冶金桥式起重机进行功能结构层次划分 ，并依据故 障树分析方法将冶金桥式起重机主起升机构常见故障模式进行划分。基于模糊置信理论对其电动机、减速 器、卷筒、联轴器、钢丝绳等 8个组件 的 2 7项 常见故障模式进行分析和评价 ，利用灰色关联理论计算各 种故障模式的关联度 ，并对其各种故障模式进行风险排序 ，对 F ME A技术应用与工程实际具有一定的参考 作用 。 关键词 冶金桥式起重机 ；故障模式 ；模糊置信理论 ；灰色关联决策；风险排序 中图分类号 T H 2 1 8 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 0 7 8 5 2 0 1 5 0 5 0 0 0 7一 O 6 Ab s t r a c t Wi t h t h e ma i n l i f t i n g me c h a n i s m o f o v e r h e a d c r a n e f o r me t all u r g i c p l a n t s a s a n e x a mp l e，t h e F ME A me t h o d b a s e d o n f u z z y c o n f i d e n c e t h e o r y a n d g r e y i n c i d e n c e d e c i s i o n ma k i n g i s u s e d t o a n a l y z e c o mmo n f a u l t mo d e s ．W i t h t r a d i t i o n al F MEA a n a l y s i s a s t h e b a s i s ，t h e f u n c t i o n al s t r u c t u r e h i e r a r c h i c al d i v i s i o n i s c a r r i e d o u t f o r s u c h c r a n e a n d c o mmo n f a ul t mo de s of t h e l i f t i n g me c ha n i s m i s c l as s i f i e d wi t h t he f a u l t t r e e a na l y s i s me t ho d．Ba s e d o n t he f uz z y c o n fid e nc e t he o r y，t h e p a p e r a n aly z e s a n d e v alu a t e s 2 7 c o mmo n f a u l t mo d e s r e g a r d i n g 8 c o mp o n e n t s s u c h a s t h e mo t o r ， r e d u c e r ， d rum ，c o u p l i n g ，s t e e l r o p e，e t c ． C o r r e l a t i o n a mo n g e a c h f a u l t mo d e i s p e r f o r me d wi t h t h e f u z z y c o n fi d e n c e t h e o r y，for t h e p u r p o s e o f r i s k r a n k i n g o f a l l t h e f a u l t s ，p r o v i d i n g c e r t a i n r e f e r e n c e t o a p p l i c a t i o n o f F ME A t e c h n o l o g y a n d e n g i ne e r i ng pr a c t i c e． Ke y wo r dso v e r h e a d c r a n e for me t a l l ur g i c p l a nt s；f a ul t mo d e；f u z z y c o n f i d e nc e t h e o r y；g r e y i nc i d e nc e de c i s i o n ma k i ng；r i s k p r i o rit i z i n g 0 引言 冶金桥式起重 机广泛应用 于炼钢 、轧钢、锻 造及热处 理等冶金 吊运工作 ，其工作级 别高 、利 用等级高 、工作环境恶劣 。由于冶金 桥式起 重机 特殊 的工作环境及工作 对象 ，其发生故 障造成 的 损失往往大 于其 自身的价值 因此 ，现代 冶金工 业要求 其具 有高 可靠性 、完善 的安 全保 护装 置、 更高的工作速度以及 良好的维修性。F M E A F a i l u r e Mo d e a n d E f f e c t s A n a l y s i s ，故 障模 式与影 响分 析 作为可靠性分 析的一种方法 ，可有效地分 析 装备在设计 、生产以及运行过长 中产生 的故 障模 式 ，确定各种故障的发生率和严重度 ， 然后评估 当 前防止故障发生的控制措施 ，进而估计各种失效模 式的风险等级 ， 通过制定优化和改进措施来加强装 备的可靠性和安全性 。但是 ，作为一种定性 的 分析方法 ，F ME A方法的评判标准带有极大的主观 性 ，在对 故障模式及其 影响分析进行 描述时 ，主 [ 1 4 ]Wa c k e r ，E s t h e r S a b r i n a ，D e n z l e r J o a c h i m ． E n h a n c e d a ． n o maly d e t e c t i o n i n w i r e r o p e s b y c o mb i n i n g s t ruc t u r e a n d a p p e a r a n c e [ J ] ． P a t t e r n r e c o g n i t i o n l e t t e r s ，2 0 1 3 ，3 4 8 9 4 29 5 3 ． 起重运输机械 2 0 1 5 5 作 者 卢 秀琳 地 址福建省福州市仓山区上下店路福建农林大学交 通 与土木工程学院森林工程系 邮 编3 5 0 0 0 0 收稿 日期2 0 1 4 0 8 0 6 一 7 要通过发生概率 的高低 、严重程度大小 、检测及 维修的难易等模糊语言来描述 3 J 。由于个 体的差 异性 ，不同的人对这 些模糊语 言的描述有 着不 同 的标准。在复杂 的起重机系统 中，导致 系统故 障 的因素众多 ，不同因素之 间相互制 约、互相影响 ， 很难综 合 各方 面 因素做 出一个 接 近实 际 的评价 结果 。 基于模糊置信 理论及灰色关 联决 策的 F M E A 方法 ，可有效解决 F ME A所存在 的不足 。本文 采用模糊置信理论 ，结合专家知识和经验建立评 价故障模式的模糊语言术语集和对应的模糊数来 描述冶金桥式起重机各种故 障模式评价信息 的多 样性 、不确 定性 和不 完全性 ，通过相关公式 对评 价信息进行去模糊化处理 ，使评 价信 息量化 7 ． 引。 最后，利用灰色关联决策理论计算各种故障模式 的灰色关联 度，通过排序来确定其风 险顺 序，并 制定相应 的改进措施 ，分析结果对工程 实际具有 一 定的指导作用 。 1 冶金桥式起重机结构层次划分 该冶金桥式起重机 为 4梁 4轨 型，主要 由桥 架 、主起 升机 构、副 起升 机构 、大 车运 行机 构 ， 主小车运行机构 及副小车运行 机构等组成。为 了 便于分析，依据 G J B ／ Z 1 3 9 1 _2 O 0 6 故 障模式、 影响及危害性分析指南对该 型冶金桥式起重 机 按照初始 约定层次 、约定层 次、最低约定层 次进 行结构层级划分 见图 1 。在此基础上 ，制定符 阜 囝回甲 ～ 8 一 图 1 冶金桥式起重机结构层次划分 合功能及 结构层次 的上 、下级关 系 的编码 体系 ， 以便于对该冶金桥式起重机的各 故障模式进行统 计 、分析 、跟踪和反馈。 2 冶金桥式起重机故障模式分析 依据冶金桥式起重机 结构层次划 分 ，以及 大 量的事故案例分析 ，由上至下 ，逐级确定故 障模 式 ，以其主小车起升机构为例 。冶金桥式起重 机 主起升 机构 由电机 、联 轴 器 、减 速器 、制 动器 、 定滑轮组、卷筒 、钢丝绳 、吊钩等构成 ，其 主起 升机构故障 由这些部件 的某一部分或某几部分故 障导致。冶金起重机 故障模式类 型分布 图如图 2 所示 ，图中相关符号 X 1为电动机故障 ；X 2为减 速器故障 ；X 3为定滑轮组故 障；X 4为卷筒 故障 ； x 5为联轴器故障；X 6为钢丝绳故障，X 7为吊钩 故障 ，x 8为制动器故障 ；X1 1为绕组短路 、断路 、 接地故障 ；X 1 2为轴承缺油 、磨损 、装歪 、端盖装 置不妥 、转轴弯 曲、负载传动装置安装不 当；X 2 1 为减速器油温高 、漏油等润滑油故障；X 2 2为减速 器轴承碎裂；X 2 3为减速器齿轮损坏；X 2 4为减速 器窜轴 ；X 2 5为减速器振动大 、有异响；X 3 1为滑 轮润滑不 良、转动不灵活 ；X 3 2为滑轮轮槽不均匀 磨损 、滑轮壁厚磨损超标 、滑轮轮槽底部直 径磨 损超标 ；X 3 3为滑轮有裂纹或轮缘破损 ；X 4 1为壁 厚磨损 、沟槽磨损 ；X 4 2为卷筒裂纹 ；X 4 3为卷筒 转动不均匀 ；X 4 4为卷筒上安全装置损坏 ；X 5 1为 齿面磨损严重 ，内齿 圈产生轴 向位移量较 大，甚 至不能啮合 ；X 5 2为发生断齿现象 ，联轴器对 口螺 栓折断 ；X 6 1为磨损 外部磨损 、内部磨 损 、变 形磨损 ；X 6 2为疲 劳 弯 曲疲 劳 、拉 伸 ，扭 曲 图 2 冶金起重机故障模式类型分布图 起重运输机械 2 0 1 5 5 和振动引起 的疲 劳 ；X 6 3为 腐蚀 外 部 腐蚀 、 内部腐蚀 ；X 6 4为变 形 波浪 形 ；笼 状 畸 变 ； 绳芯或绳 股 挤 出、扭 曲 ；钢 丝挤 出 ；绳 径 局部 增大 ；局 部 压 扁 ；扭 结 ；弯 折 ；X 6 5为 过 载 断 口呈松 散状 ，绳 芯外 露 ；X 6 6为 断丝 断 股 拉力 断丝 、切断断丝 、疲 劳断丝 、压 倒及压扁 断丝 、外 伤断 丝 、股 断 丝 ；X 7 1为 磨损 ；X 7 2 为裂 纹 ；X 7 3为 溜 钩 ；X 8 1为 制 动 力 矩 不 够 、 制 动器不灵 、制 动 器 处 于 常 紧状 态 ；X8 2为 制 动 轮 打 滑 。 3 基于模糊置信理论及灰色关联决策的冶 金桥式起重机故 障危害性 分析 3 ． 1 置信 结构 评价 风 险 因子 选取冶金桥式起 重机 设计 、制造 、安装 、运 行 、维护相关 的人员 组成 F M E A评估 小组 ，根 据 表 1 、表 2中的语言变量模糊等级和风险因子模糊 权重对其潜在故障模式按照发生度 D 、严重度 S 、检测度 D进行评价 。 表 1 语言变量的模糊等级 语 言变量 模糊数 很低 H 0 ，0，1 ，2 低 1 ，2 ，3 ，4 中等 ／ 4 3 3 ，4 ，6 ，7 高 6 ，7 ，8 ，9 很高 8 ，9 ，1 0 ，1 0 表 2 风险因子的模糊权重 语 青变量 模糊数 很低 V L 0 ，0 ，0 ． 2 5 低 0，0 ． 2 5 ，0 ． 2 5 巾等 M 0 ． 2 5 ，0 ． 5， 0 ． 7 5 高 H 0 ． 5 ，0 ． 7 5 ，1 很高 0 ． 7 5 ，1 ，1 由于 F ME A中的评价等级有些是模糊 的概念 ， 而且相邻评价等级之 间没有严格 的区分，故可采 起重运输机械 2 0 1 5 5 用模糊置信结构来对其进 行评 价 ，如 某一特 定 的评 价 “ 低 ” 可 表 示 为{ H ，0 ． 4 ， H， ， ， 0 ． 6 } ，表示某 一 故 障模 式关 于某 一 风 险 因子 评 价为 “ 低” 的可能性为 0 ． 4，“中等 ” 的可能 性 为 0 ． 6，这里 的 0 ． 4和 0 ． 6表示评估人员对所 做 的评价的置 信度 ，而 当分 布 式评 价 的置信 度 和为 1时 ，称 为 完 全 评 价 ，否 则 为 不 完 全 评 价 。 区间评价 ，如 “ 低 中等”意味着该故障 模式关 于某一 风 险 因子 的评 价 等级 在“ 低 ” 和 “ 中等”之间可表示为 { H 2 ， ，1 ． 0 } 。若评价人 员对某 一故障模式关 于某 一风 险因子不愿意或不 能提供评 价 ，则其评价等级可以是从 “ 很低” 到 “ 很高” 中的任 意一个 ，表示为{ H 1 ． 0 } ， 即全部未知。 3 ． 2综合置信结构 根据评 估人 员 的资历 及 其 在 F ME A评估 小 组 中的相对重 要 程 度 ，确 定 6名 评估 人 员 的权 重 分 别 为 0 ． 1 5、0 ． 2 0、0 ． 1 0 、0 ． 2 5、0 ． 2 0和 0．1 0。 考虑到各潜在故障模式风险 因子 O、S 、D难 以精确的确定 ，采用表 2中的语言 变量 ，模糊 置 信结构对其 进行评价 。其 中，F ME A小组成 员对 冶金桥式 起 重机 减 速 器故 障模 式 的评 价信 息 见 表 3 。 利用模糊置信结 构确定 F M E A小组 成员的评 价信息 ，将相 同的评价等级按相应 的权 重进行合 并 ，并将综合置信结构加权平 均 ，得 到表 3所示 的总置信 结构。将各个 F M E A小组成 员的对各风 险因子的判 定权 重基 于其模糊数进行加权平均可 得 ，O、S 、D的综合权重分别为 0 ． 2 1 2 5，0 ． 4 6 2 5 ，0 ． 5 3 7 5 、 0 ． 3 6 2 5 ，0 ． 6 1 2 5，0 ． 7 1 2 5 、 0 ． 2 7 5 ，0 ． 5 2 5 ，0 ． 7 。 3 ． 3 去模糊化 基于模糊置信决策矩阵 ，对每个 故障模式 关 于 个风险因子 的评价综合置信结构 可采用去模 糊化和加权平均 的方法合成为总置信结 构。采用 文献 [ 8 ] 中的去模糊 化方 法 ，将 语言 变量 的模 糊等级 去 模 糊 化 得 到 其 明确 值 h 如 表 4 所 示 。 一 9 一 表 3 冶金桥式起重机减速器故 障模式发生度评价信息 F ME A 因子 故 障 模 式 风险因子 评 估人 员 权重 X21 X2 2 X2 3 X2 4 X2 5 ，0 ． 2 P 1 0 ．1 5 H H ，0 ． 8 P 2 0 ． 2 0 M ， ， P 3 0 ． 1 0 4 】P 0 ． 2 5 L ， H z 2 5 日 2 4 H 4 4 发生度 0 P 0 ． 2 0 5 ， 0 ． 8 ． P 6 0 ． 1 0 H 3 ／ t 2 2 比 ／ t ． H 3 3 ，0 ． 7 ，0 ． 0 3 总置信结构 ／ -／ 3 ，0 ． 1 ，0 ． 7 6 ／ t ．，0 ． 7 5 ，0 ． 8 5 ，0 ． 2 O H 4 5 ，0 ． 2 5 ，0 ． 1 2 H 3 ，0 ． 2 ，0 ． 7 5 ／ 4 4 5 ，0 ． 2 P l 0 ． 1 5 日 l 2 ， 5 ／ -／ 2 2 ，0 ． 1 P 2 0 ． 2 0 M 2 H u ， 日 0 ．8 ， ，0 ． 3 P 3 0 ． 1 0 附 ／ -／ 4 , - ，0 ． 7 严重度 S P 4 0 ．2 5 馏 2 5 0 ． 2 0 M 丑1 2 月 ， H 2 5 0 ． 1 0 ， H1 2 ，0 ． 3 5 ／ t 3 ，0 ． 2 ， ，0 ． 0 3 H 0 ． 2 O H 2 2 ，0 ． 0 2 总置信结构 H 柚，0 ． 7 I t 3 ，0 ． 1 5 t t 2 3 ，0 ． 2 0 H 3 ，0 ． 1 6 ／ -／ 2 2 ，0 ． 6 5 ，0 ． 1 0 ／ t 4 5 ，0 ． 1 ，0 ． 8 2 I -／ 3 ，0 ． 6 0 ／ t ．，0 ． 7 0 P 0 ． 1 5 M 】 2 I t 3 3 。 2 H12 ，0 ． 3 P 2 0 ． 2 0 3 ， ，0 ． 7 0 ． 1 0 日 l 1 3 3 0 ． 2 5 M 日 2 3 3 3 检测度 D P 0 ．2 0 M 3 3 2 P 6 0 ． 1 O 日 1 2 3 日l 2 H 0 ． 1 0 日 0 ． 0 6 日l 2 ’ 0 ． 4 0 H 0 ． 1 0 总置信结构 H 0 ． 2 5 ， ，0 ． 4 0 3 ， 0 ． 7 9 2 ， 0 ． 4 O ，0 ． 4 5 ， ，0 ． 6 0 H2 3 ，0 ． 2 0 t t z2 ，0 ． 6 5 t ／ 3 ，0 ． 1 5 ， ， 0 ． 2 0 ， ，0 ． 2 5 起重运输机械 2 0 1 5 c 5 表4 模糊评价等级的去模糊化 息明确值 ，以此构成 比较判断矩阵为 评价 明确值 评价 明确值 评价 明确值 等级 等级 等级 日l l 0．1 3 0 2 0． 2 92 0． 5 67 日1 2 0． 25 9 3 0 ． 43 3 5 0． 6 06 日1 3 0． 39 4 0． 5 00 H, 4 0． 7 08 日l 4 0 ． 4 5 9 5 0 ． 5 4 1 0 ． 7 41 0 ． 5 0 0 0 ． 5 0 0 5 0 ． 8 7 0 冶金桥式起 重机各故 障模式 风险 因子综 合权 重经去模糊化后可用下式进行归一化处理 1 ，2 ，⋯ ， 1 ，2 ，⋯ ， 通过计算可得 ，风险因子 O、S 、D综合权重 值分别为 0 ． 2 7 8 、0 ． 3 7 8 、0 ． 3 4 4 。 3 ． 4 确定比较判断矩阵 在灰色系统 中，根 据语言变量 的模 糊等级去 模糊化结果 ，对 各故障模式 的总置信结 构评价信 息进行去模糊化 以及加权平均 ，得 到综 合评价信 0 ． 5 2 7 9 0 ． 3 3 0 1 0 ． 71 6 3 0． 45l 8 0． 71 4 6 0 ． 2 08 5 0 ． 6 9 0 9 0 ． 6 8 0 6 0 ． 4 6 5 4 0． 5 4 6 1 0． 2 6 7 6 0． 4 7 3 2 0． 4 9 5 6 0 ． 3 0 7 0 0 ． 3 68 9 3 ． 5 建立参考矩阵 风险因子 的参考矩 阵 由评价故 障模式 的所有 风险 因子 的理 想水平 确定。在 F M E A评价值 中， 参考矩阵可定为描述风 险因子的语 言变量的最低 水平 ，即评价等级 “ 很低 ” h 0 ． 1 3 0 ，参考 矩阵可表示为 Xo hl 1 h1 1 h1 1 h1 1 h1 1 hl 】 hl 1 hl 1 hl 1 hl 1 hl 1 hl 1 hl 1 hl l hl 1 0 0 0 0 0 0 O 0 0 0 3 ． 6 计算灰色关联系数 在 F M E A分 析中 ，所有故 障模式关于每个 风 险因子的灰色关联系数 m i n m n X 0 f 一 X f p m a x m a x X 0 f 一 z 一 n 菡 式 中／ ／ , 为故障模式故障模式 ；z 为风险因子 ； 因子权 重可得 到每一 个故 障模 式 的灰色关 联度 ， P灰色关联分辨系数 ，一般取 P 0 ． 5 。 如表 5所示 。 3 ． 7 计算灰色关联度 根据灰色 关联理论 ，由关联 系数及 综合风 险 表 5 冶金桥式起重机主起升机构常见故 障模式灰色关联度 故障模式 灰色关联度 故 障模式 灰色关联度 故 障模式 灰色关联度 Xl 1 0 ．81 1 2 X3 3 0． 6 8 92 X6 3 0． 70 5 4 X1 2 O ．71 2 4 X41 0． 81 09 X6 4 0． 7 43 6 X2 1 0 ． 8 6 7 3 X 4 2 0 ． 7 4 6 4 X 6 5 0 ． 6 7 4 0 X22 0 ．6 6 7 5 X43 0． 7 32 8 X6 6 0． 7l 3 6 X2 3 0 ． 5 8 l 1 X4 4 0 ． 7 0 0 5 X7 1 0 ． 6 8 1 2 X2 4 0 ． 7 4 7 6 X 51 0 ． 8 7 2 0 X 7 2 0 ． 7 8 7 2 起重运输机械 2 0 1 5 5