基于模糊FMECA的液压系统可靠性分析.pdf

液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 01 4 g - 第 O 5期 d o i l 0 ． 3 9 6 9 4 ． i s s n ． 1 0 0 8 - 0 8 1 3 ． 2 0 1 4 ． 0 5 ． 0 0 8 基于模糊 F ME C A的液压 系统可靠性分析 孙凯帆， 阚树林 ， 曹召锋 ， 王锡雄 ， 方玉茹 上海大学 机电工程与 自动化学院 ， 上海2 0 0 0 7 2 摘要 该文针对 F ME C A F a i l u r e Mo d e ， E f f e c t a n d C r i t i c a l i t y A n al y s i s 在运用过程中存在 部分模糊性描 述 ， 难 以获得定 量结果的缺点 ， 利用模糊 综合 评判 法对 F ME C A进行一定程度的改进 ． 形成 了模糊 F ME C A方法 。文中以船舶动力推进装置 的液压系统所采用 的液压 元件 比例 阀作为研 究对象 ， 进行了模糊 F ME C A分析 ， 并获得了比例阀各失效模式 的危害 度等级。结果表 明 ， 模糊 F ME C A行 之有 效 ． 并对提高系统的可靠性有积极意义 。 关键 词 模糊综合评价 ； F ME C A； 液压系统 ； 故障模式 中 图 分 类 号 T H1 3 7 ． 3 1 文献 标 识 码 A 文 章 编 号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 01 4 0 5 0 0 2 6 0 4 The Re h a bi h t y Ana l y s i s o f Hy d r a u hc S ys t e m Ba s e d o n t he F uz z y F M ECA M e t ho d S U N K a i - f a n ， K A N S h u - l i n ， C A0 Z h a o - f e n g ， WA N G Xi - x i o n g ， F A NG Y u r u S c h o o l o f Me c h a t r o n i c E n g i n e e r i n g a n d A u t o ma t i o n ， S h a n g h a i U n i v e r s i t y ， S h a n g h a i 2 0 0 0 7 2 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e F ME CA me t h o d i s d i ffi c u l t t o o b t a i n q u a n t i t a t i v e r e s u l t s i n t h e p r o c e s s o f a p p l y i n g ． F o r t h i s d i s a d v a n t a g e ， Th e p a p e r d e v e l o p e s a n e w m e t h o d T h e F u z z y F ME C A Me t h o d b y u s i n g f u z z y c o mp r e h e n s i v e e v a l u a t i o n m e t h o d t o F ME C A f o r a c e r t a i n d e g r e e o f i mp r o v e me n t ． I n t h i s p a p e r ， w e a p p l y t h e n e w me t h o d o n t h e p r o p o rti o n a l v a l v e ， wh i c h i s a h y d r a u l i c c o mp o n e n t o f t h e h y d r a u l i c s y s t e m o f ma r i n e p r o p u l s i o n p l a n t ． An d w e g e t a h a r m d e g r e e l e v e l o f e a c h f a i l u r e mo d e o f t h e p r o p o rti o n a l v a l v e a s a r e s u l t ． T h e r e s u l t s h o ws t h a t t h e f u z z y F MEC A wo r k s ， a n d t h e me t h o d h a s a p o s i t i v e me a n i n g t o i mp r o v e t h e r e l i a b i l i t y o f t h e s y s t e m． Ke y wo r d s f u z z y c o mp r e h e n s i v e e v a l u a t i o n； F MEC A； h y d r a u h c s y s t e m ； f a i l u r e mo d e 0 引言 目前 ．世界上应用调距桨作为动力推进装 置的船 舶 ， 基本上是通过液压 系统实现其调距功能的。该系统 构 成 复 杂 、 运 行 环 境 不 稳 定 ， 受 外 来 影 响较 多 ， 其 工 作 性能 的优劣将直接影响动力推进装置 的整体性 能 ． 更 甚至影 响船舶 的航行安全 ．因此液压工作可靠性显得 异常重要 液压系统的故障往往难 以直接观测 ．且 因果关 系 复杂。一旦发生故障 ， 不仅故 障点不易查找 ， 症状与原 因之间也存在着各种各样 的重叠与交叉 虽然利用失 效模式 、 影 响与危害度分析 F ME C A 对液压系统进行 可靠性分析时 ． 能够收到 良好的效果 ． 但 F ME C A始终 是定性的可靠性分析工具 ．难免常用一些带有模糊性 和不确定性的概念进行描述 对此 ． 本文利用模糊综合评判法对 F ME C A进行改 进 ． 使之定量化 ． 并用于解决在实际应用过程 中所遇到 收 稿日期 2 0 1 3 - 0 9 1 3 作者简介 孙 凯帆 1 9 9 0 一 ， 男 ， 浙江温州人 ， 硕 士研究生 ， 主要研究方 向 机械 可靠性 。 2 6 的 问题 1 F ME C A方 法及其存在 的问题 失效模式 、 影 响与危害度分析 F ME C A Ⅲ 是“ 在系 统设计过程中 ．通过对 系统各组成单元的各种失效模 式及其对系统功能的影响，与生产后果的严重程度进 行分 析 ． 提 出可 能采 取 的预 防改 进 措施 。 以 提高 产 品 可 靠性的一种设计分析方法 ” ． 包括了失效模式与影响分 析 F ME A 和危 害度 分析 C A 。 虽然 F ME C A的运用能够收到 良好 的效果 ． 但也存 在一些问题 ， 主要体现在 以下几个方面 1 F ME C A作为一种定性 分析方法 ． 无法进 行全 面定量分析 ， 且评判标准带有极大的主观性 。在对故障 模式及其影响进行描述时 ， 主要 通过发生概率高低 、 严 重程度大小 、检测及维修的难易等一些模糊 的语 言来 描述。由于个体认识的差异性 ， 不同的人对这些模糊语 言的描述有着不同的标准 2 在复杂系统 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 Hv d r a ul i c s Pn eu ma t i cs S ea l s ／ No ． O5 ． 201 4 2 模糊 F ME C A方法 模 糊 F ME C A方法将 模 糊综合 评判 法与 F ME C A 相结合 ． 有效地解决 F ME C A所存在 的不足之处。该方 法利用模糊理论处理不确定信息 ． 将 F ME C A的分析结 果进行量化 ． 使故障的危险性更加清楚的呈现 ， 以便采 取适 当的措施保证系统 的正常运行 。 进行模糊 F M E C A的基本步骤如下 ①确定因素集 合 ； ②确定评判集合 ； ③确定模糊评判矩阵R； ④确 定各 因素的权重集 ； ⑤确定综合评判模型 ； ⑥评判结 果的清晰化 2 ． 1 建 立 因素集 因素集是影响评估对象的各 因素的集合 ．通 常用 表示 ． 即 { u 1 ， U 2 ， ⋯／ ／ , i ⋯ } 1 式 中u i表示第 i 个影响因素 ， i 1 ， 2， ． ． ． ， n 。 2 ． 2建 立评 价集 评价集是以评价者对评价对象可能做 出的评 价结 果为元素所组成的集合 ． 通常用 表示 ． 即 { 1 ， 2 ， ⋯l ， i ⋯ m } 2 式 中 j 表示评价的第 j 个等级 ， j l ， 2 ， ． ． ． ， m。 2 ． 3建立模 糊 因素 评价 矩 阵 给出一个 的模糊映射 ． 使得 I 厂 _ F ， u i u i 其 中 厂 I ， ／- i2 ， ⋯ ， r ij ， ⋯， ， 为关 于因素 11 ,i 的评价模糊向量 ， 为第 个因素 11 ,i 在 因素水平 v j 的隶 属度 将 n个评价模糊 向量作为行 ．即可得到因素评价 矩 阵 R ． T 尺 l ， R z ， ⋯ ， R 程度 ， 即确定 权重 集 。 1 ， 2 ， ⋯ I ． ． ， O w 。 1 ， i ∈[ 1 ， 】 5 n 且满 足 W i 1 i 1 常用的权重分配方法有德尔菲法 、 专家调查法 、 层 次分析法等 ． 不同的情况选取适当的方法确定权重 。本 文 采用 层次 分析 法【 5 用 表 示 因素 u i 对 U j 的相 对 重要 性 数值 ， 取值 标 准参照表 1 由此构造判断矩阵 A． A al l a1 2 02 2 a．1 ⋯ al n ⋯02 n 。 ． ● ● ⋯‰ 表 1 层次分析法判断矩阵标度及其含义 含义 两因素相 比，同样重要 两 因素相 比，一因素较另一因素稍微重要 两因素相 比，一因素较另一因素稍微重要 两因素相 比，一因素较另一因素稍微重要 两因素相 比，一因素较另一因素稍微重要 上述两相邻判断值的中值 因素 与 因素 比为 a 因素 与因素 比为 a j i i ／ aj 6 根据判断矩阵 A． 计算其最大特征值及所对应的特 征向量 ， ， ⋯ ， ， 对特征 向量归一化后 ， 即可作 为各 因素 的权重集 归一化前 ． 必须对判断矩阵 A进行一致性检验 ． 以 确定权重 的分配是否合理 。检验公式如下所示 c ， R ， 区-旦 7 3 式中 尺 广判断矩阵随机一致性 比率 ； ， l广判断矩阵一般一致性指标 ； 常用 的隶属度确定方法有统计法和隶属 函数法 。 本文采用统计法13 1 确定 ． 即成立一个有 h人组成的专家 评价组 ．每位成员针对某一确定故障模式 的各影 响因 素 ／ Z i 评出一个且仅一个评价等级 V i ，若 h位组员 中评 定 隶属于 i 的有 h i i 人 ， 则得到 i 的评价集为 R F { ， ， ⋯ ， r _2 ，r j 4 且 r i i 1 。 』 1 2 ． 4 确 定各 因素权重 集 由于各 因素对事物的影响程度不尽 相同． 因此 ． 在 进行综合评价时必须给出各个因素在总评价 中的重要 』 判断矩阵的平均随机一致性指标 ， 具体数 值查表得到 当 尺 0 ． 1时 ，认 为判 断矩阵 A具有满意 的一致 性 ， 否则需调整 A中的元素以使其具有满意的一致性。 2 ． 5 模 糊综 合评 价 将该确 定故 障模 式 的因素权重 集改 写为 向量 模 式 ． 则 B W 尺 1 ， W 2 ， ⋯ ， n ] rl 1 r1 2 ／ 21 ／2 2 。‘ 。 rl m ⋯ 8 2 7 被 一 。 。 馓 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 0 1 4年 第 0 5期 式中日 该确定故障模式的模糊综合评价向量 2 ． 6综 合危 害等级 的 确定 为 了更直观地看出结果 ．将 通过加权平均法处 理 ． 即 C B． V． 得到一个简单数值 C来表示该确定故 障 模式对系统的综合危害等级 3 某 调距 螺旋 桨 液压 系统模 糊 F ME C A 分析 在船舶主动推进装置的液压系统中 ．比例阀作 为 关键元件 ．其主要作用是根据调距信号输出信号来调 节流经 比例 阀的油液流量和流 向．起到小螺距精确调 节 的作用。比例阀故障 ，轻则调距桨不能实现精确调 距 ． 重则调距桨调距 出现混乱 。 影响船舶 的航行 安全 。 对此 ． 本文以比例阀为研究对象 ． 对船舶主动推进装置 的液压系统进行模糊 F ME C A分析 比例阀 F M E A的分 析结果如表 2所示 表 2比 例 阀 F ME A 分 析 表 3 ． 1 比例阀故障模式 1的模糊 F ME C A分析 在 F ME A的基础上 ． 对 比例 阀进行模糊 F M E C A分 析 ． 其具体过程如下 1 确认 因素集 。对 比例 阀进行 故障危害性评价 时 ． 因素集采用如下 { 失效概率 ， 严重程度 。 检测难易程度 ， 维修难易 程度 } 28 2 确定评价集 。 将 因素水平分为 4个等级 { 1 ， 2 ， 3 ， 4 } 。不同影 响因素的划分标准 ， 根据表3 。 表 3因素 水平等级 l 2 3 4 失效概率 极少发生 偶尔发生 有时发生 经常发生 严重程度 轻度的 中等 的 致命性 灾难性 检测难易程度 准确检测 不易检测 较难检测 无法检测 维修难易程度 简单调试 重新安装 更换零件 无法维修 3 建立故障模式 1的模糊评价矩 阵。 失 效 概 率因 素 水 平 集 为R { 0 ．7 ， 0 ．3 ， 0 ， o f ， 严 重 程 度因素水平集为 R { 0 ， 0 ， 0 ． 1 ， 0 ． 9} 。检测难易程度 因素 水平集 为 R { 0 ． 7 ， 0 ． 3 ， 0 ， ot ， 维修难易程度因素水平集 为 R ／ o ， 0 ． 5 ， 0 ． 5 ， 0 } ， 故模糊 因素评价矩阵为 l 1 1 1 1 T R 1 ， R2 ， R 3 ， R 4 ] O． 7 0_ 3 0 O 0． 7 O_ 3 0 0． 5 O 0 0． 1 0 ． 9 O O 0． 5 0 4 建立故障模式 1的权重集。 利用 2 ． 4节 中层次分析法 的相关理论并结合相关 材料 ．得到 了比例 阀故障模式 l各影响因素的相对重 要 度 ， 如表 4所 示 。 表 4故障模式 1各影响因素相对重 要度 影响因素 啦 醍 强 1 1 ／ 3 1 ／ 7 1 ／ 5 由此得到故障模式 1的判断矩阵 A 1 A 1 3 1 ／ 3 1 1 ， 7 1 ／ 5 1 ， 5 1 ／ 3 7 5 5 3 1 1 ／ 3 3 1 判断矩阵 A 的最大特征值为 4 ． 1 1 7 0 ． 向量 [ 0 ． 8 8 8 0 ， 0 ． 4 1 2 1 ， 0 ． 0 8 6 9 ， 0 ． 1 8 4 7 ] 。 对矩阵进行一致性检验 ， 得 L o ． 0 3 9 。 阶矩阵 ， 取 t -- o ． 9 ， 故 R -- O ． 0 4 3 3 0 ． 1 。 对 应 的特 征 由于 A 为四 因此 ．确定故 障模式 1的因素集对应的权 重集为 1 W { 0 ． 5 6 5 0， 0 ． 2 6 2 2 ， 0 ． 0 5 5 3 ， 0 ． 1 1 7 5 } 5 对故障模式 1进行 1 级综合评价 。 曰1 。R1 [ 0 ． 5 6 5 0 ， 0 ． 2 6 2 2 ， 0 ． 0 5 5 3 ， 0 ． 1 1 7 5 ] ． Hv d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ N o ． O 5 ． 2 01 4 0． 7 0- 3 0 O 0． 7 0_ 3 0 O． 5 0 O 0． 1 0． 9 O 0 0 ． 5 0 [ 0 ． 4 3 4 2 ， 0 ． 2 4 4 8 ， 0 ． 0 8 5 0 ， 0 ． 2 3 6 0 ] f 6 综合危害度 的计算。 根据 C B． ．求得 比例阀故障模式 1的综合危 害 等级为 2 ． 1 2 2 8 3 _ 2 比例 阀其 余故 障模 式 的模糊 F ME C A分 析 应用相 同的方法对故障模式 2 4进行分析 ．其模 糊评 价 矩 阵如下 所示 2 R 3 R 4 R 0 0 ． 5 0． 5 O 故障模式 2 4的影响因素采用与故 障模式 1 相 同 的权重 集 ． 即 ‘ 。 由此 ， 求得故障模式 2 4的模糊综合评价 向量。 2 B 【 0 ． 1 5 5 8 ， 0 ． 4 3 7 3 ， 0 ． 4 0 6 9， 0 】 3 B [ O ． 2 2 7 6 ， 0 ． 2 1 6 7 ， 0 ． 2 7 3 2 ， 0 ． 1 8 3 5 ] 4 B [ 0 ． 2 9 2 4 ， 0 ． 5 3 5 9 ， 0 ． 1 7 1 8 ， 0 】 由 、 、 求得故障模式 2 4的综合危害等级 2 3 4 C 2 ． 2 51 1， C 2． 21 4 6， C 1 ． 8 7 96。 根据综合危害等级 的大小 ．可将故障模式 1 4进 行排序 ． 结果如下 故障模式 4 故障模式 1 故障模式 3 故障模式 2 。 3 ． 3多级模糊综合评价 整个液压系统是 由多级子系统构成的。不同的液 压 回路构成 了整个液压系统 ．而液压 回路 又是 由不 同 的液压元件构成 ．单一的液压元件又存在一种或是多 种故障模式 在经 过 上 述分 析 获 得 1 级 模 糊综 合 评 价 的分 析 结 果后 ． 可将其结果作为 2级模糊综合评价的影响 因素 ． 即 { 故障模式 1 ． 故障模式 2 。 故障模式 3 ， 故障模式 4 } 。依次类推 ， 可以得到系统的多级模糊评价。 4 结束语 此 次 利 用 模 糊 F ME C A方 法 对 液 压 系 统 中 的关 键 液压元件 比例阀进行了分析的结果表明 ．不跟随输人 指令信号改变 阀芯位置 、 反应动作缓慢 、 零位偏差较大 这三种故障模式 的危害等级相近且数值较高 ．是可靠 性 改进 的重 点 ．其 次是 外 泄 漏 。分 析 结果 与 实 际相 符 合。分析所得的评估结果 ， 对液压系统 的可靠性分析提 供 了一定 的参考价值 ．对液压系统 的维修和保养工作 也 具有 一定 的指 导意 义 通过理论分析与实际例举证明 ．与 F ME C A相 比， 模糊 F ME C A综合考虑 了严酷度 、 检测难易程度和维修 难易程度等定量因素 ．同时将其用 于产品的可靠性分 析也是可行 的。当然 。 文中所制定的评判指标体系对于 液压系统整体而言． 不够完善 ． 不利于液压系统进行多 级模 糊 F ME C A分析 为 了获 得 液压 系统 最终 的评 判结 果 ， 还需要收集更多的信息对模型进行进一步优化 参 考 文 献 【 1 】 牟致忠． 机械可靠性理论 、 方法 、 应用【 M】 ． 北京 机 械工业 出版 社 ． 2 0 1 1 ． 『 2 ] 戴城 国， 王晓红， 等． 基于模糊综合评判 的电液伺服阀 F ME C A [ J 】 ． 北京航空航天大学 学报， 2 0 1 l ， 3 7 1 2 1 5 7 5 1 5 7 8 ． 【 3 】 李浩 ， 邱超 凡． 模 糊 F ME C A在液压 系统可靠 性 中的应用 I J 1 ． 液压气动与密封， 2 0 1 2 ， 1 3 8 4 2 ． [ 4 ] 冯瑞 臣． 模糊 F M E C A在船 舶 主机系统 中 的应用研 究【 D 】 ． 大 连 大连海事大学． 2 0 0 8 ． 『 5 1 周真。 马德 钟， 等． 用于 产品可 靠性分 析 的模 糊 F ME C A方法 『 J ] ． 电机与控制学报， 2 0 1 0 ， 1 4 1 0 8 9 9 3 ． f 6 ] 刘涛， 蔡增杰． 基于 F ME C A的模糊综合评 判的飞机起动 电磁 阀安全性评估[ J ] ． 故障与诊断， 2 0 0 9 ， 3 6 1 2 6 5 6 8 ． [ 7 】 孙 月． 基 于 F ME C A 和 m的无 人机 起 降系 统可 靠性 研究 [ D 】 ． 成 都 电子科技大学， 2 0 1 0 ． 『 8 】 付 宾 ， 罗伟林 ． 基 于 L S S V M P I D的船 舶航 向控制[ J ] ． 机 电工 程 ， 2 0 1 3， 5 ． 上接第 7 0页 综合经济效益 即直接经济效益 2 0 0万元。 参 考 文 献 [ 1 1 吴丽． 控制与 P L C应用技术【 M】 ． 北京 机械lT业出版社 ， 2 0 0 8 【 2 ] 韩 富春 ． 电力 系统 自动化 技术【 M 】 ． 北京 中国水 利水 电 出版 社 ． 2 0 0 3 ． 【 3 】 左建明． 液压与气动技术[ M】 ． 北京 机械工业 出版社 ， 2 0 0 8 ． [ 4 ] 林万 明 ， 宋 秀安． 高炉炼铁 生产工艺【 M 】 ． 北京 化学工 业 出版 社 ． 2 0 1 0 ． 2 9 7 O 0 0 0 0 O 0 0 0 O 4 4 l 4 4 3 3 2 0 0 0 0 0 0 O 0 O 0 0 4 5 6 4 4 6 6 5 7 2 O c ； 2 1 3 3 2 4 3 3 8 O 0 0 0 0 0 O 0 O O 0