模糊FMECA方法在液压系统可靠性分析中的应用.pdf

液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 0 1 2年 第 1期 模糊 F ME C A方法在液压系统 可靠性分析中的应用 李 浩 邱超 凡 2 解放军陆军军官学院五系 4 2队 ， 安徽合肥2 3 0 0 3 1 摘要 现代工程机械 的主要工作装置大多采用液压控制技术 实现 ， 因此 液压系统的可靠性往往对整 机的可靠性产生很大 的影响 。 而 液压系统可靠性具有模糊性。首先概述了 F M E C A方法及其不足 ， 用模糊综 合评 判方 法对 F M E C A方法进行 了改进 ． 形成 模糊 F M E C A 方法 ， 并将模 糊 F ME C A方法应用 于液压系统可靠性分析 。结果表 明， 模糊 F ME C A方法行之 有效 ， 可 为提 高系统的可靠性提供 有价值 的帮助。 关键词 液压 系统 ； 可靠性 ； 模糊理论 ； 故障模式 、 影响和危害性分析 中图分类号 T H1 3 7 ． 5 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 2 0 1 0 0 3 8 0 5 Ap p l i c a t i on o f F uz z y F M ECA i n An a l y s i s o f Hy d r a u h c S y s t e m R e l i a b i l i t y L I H a o 。 Q I U C h a o - f a n N0 ．4 2 B r i g a d e o f G r a d u a t e ， De p t ．5 t h ，Ar t i l l e r y Ac a d e my o f P L A，He f e i 2 3 0 0 3 1 ，C h i n a Ab s t r a c t Mo s t o f w o r k i n g a t t a c h me n t s f o r c o n s t r u c t i o n ma c h i n e r y a r e c o n t r o l l e d b y h y d r a u l i c c o n t r o l t e c h n o l o g y ， S O r e l i a b i l i t y o f h y d r a u l i c s y s t e m i S o f u t mo s t i mp o r t a n c e t o r e l i a b i l i t y o f w h o l e ma c h i n e ry． An d Hy d r a u l i c s y s t e m r e l i a b i l i t y i S f u z z y ． T h e me t h o d o f F ME C A a n d i t s d e f e c t a r e s u mma r i z e d i n t h e a rti c l e fi r s t l y ． a n d t h e 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 i S i n t r o d u c e d i n F MEC A t o for m f u z z y F ME CA me t h o d ． T h e n ， t h e f u z z y F ME CA me t h o d i s a p p l i e d i n a n a l y s i s o f h y d r a u l i c s y s t e m r e l i a b i l i t y ． T h e r e s u l t s s h O W t h a t t h e f u z z v F MEC A me t h o d i s e f f e c t i v e ， b e c a u s e i t c a n a f for d v a l u a b l e h e l p for e n h a n c i n g s y s t e m r e l i a b i l i t y ． Ke y W o r d s h y d r a u l i c s y s t e m； r e l i a b i l i t y ； f u z z y t h e o ry ； F a u l t Mo d e l ； E f f e c t a n d C r i t i c a l An a l y s i s F MEC A O 引言 液压系统为封闭系统 ，与机械系统及 电气系统相 比， 缺乏直观性 ， 一旦发生故障， 不易查找。液压系统故 障有故障点隐蔽 、 因果关系复杂 、 失效分布的分散性强 和相关因素 比较随机的特点。液压装置的损坏与失效 ， 往往 发 生 在深 层 内部 ， 难 以直 接 观测 ． 症 状 与 原 因之 间 存在 各 种 各样 的重 叠 与交 叉 。 由于设计 加 工 材 料及 应 用环境等差异 ， 液压元件的实际使用寿命严重分散 ， 同 时 ， 液压系统在运行过程中 ． 还受到各种各样 的随机性 因素的影响。所有这一切都给液压故障诊断带来重重 困难。系统可靠性 的高低是保证工作可靠的关键因素。 为解决上述 问题 ， 国内外学者在将模糊理论 、 灰色理论 等理论方法应用于可靠性分析方面做出了一些有益 的 收 稿 日期 2 0 1 l O 6 一 l 2 作者 简介 李浩 1 9 8 6 一 ， 男 ， 湖南岳 阳人 ， 硕士研 究生 ， 研究 方向武器 系 统 自动 化 、 智 能化技术 与应用 38 尝试1 】 ， 但在实际应用过程中仍然存在诸多问题。本文 针对故障模式 、 影响及危害性分析 F ME C A 这一可靠性 分析工具 ， 利用模糊综合评判方法对其加以改进 ， 解决 在具体应用过程中存在的问题。 l F ME C A方 法及 其不足 F ME C A包括故 障模式 及影 响分析 F ME A 和危害 性分析 C A 。 F ME C A基本方法是 ， 根据产品的运用要求 和历史故障情况 ， 针对系统 的结构 ， 识别系统的每一个 故障模式 ，分析故障模式对系统 的危害程度和引起故 障的原因 ， 提 出改进预防措 施 。 建立一份完 整的“ 故 障 模式分析表格 ” ， 并且根据危害程度判断确定产品改进 的轻重缓急程度 ， 防止故障再现 ． 从而实现产品的可靠 性 增 长【 。 利用 F ME C A方法对产 品进行故障分析会收到 良 好的效果 ， 但也存在一些不足 。 主要表现在下面两个方 面 ① 人们在描述某种故障模式时 ．常用发生概率高 低 、 严重程度大小 、 维修 的难易等一些模糊语言 ． 不 同 专家评议法等 主观因素影响太多 ，容易造成评价 结果 失准 ， 很有 可 能得不 到 有意 义的评 判结 果 。而层 次 分析法 AH P 的优点是能够尽量消除权重确定方法 中 的人为影响， 保证权重的有效性 和实用性嘲 。利用层次 分析法求权重集的具体步骤如下 首先 ， 用 表示影响因素 对 i 的相对重要性数 值 ， ； 的值可以依据表 1 选取 。构造判断矩阵 的人在描述这些模糊语言时有不同的判定标准 。②导 致 系统故 障的因素众多 ， 他们相互制约 ， 相互 影响 ， 难 以定量地描述系统不同故障模式之间的主次关系。 用模糊综合评判方法对 F ME C A方法进行改进 ， 是 解决上述问题的有效方法。该方法是利用模糊理论处 理不确定性信息 ， 应用定量 的方法处理定性问题 ， 对不 易量化的复杂系统进行评判的工具 。 2 模糊 F ME C A方法 模 糊 F ME C A方 法是 利 用模 糊 综 合评 判 方 法对 F ME C A法进行改进后形成的[ 1 3 ,5 1 ， 其过程如下 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 l ， u 2 ， A， Ⅱ i ， A， “ l 1 式 中 “ i表示第 i 个影响因素。 2 建立评价集。评价集是 由对评价对象可能做出 的评价结果所组成的集合 ． 通常用 表示 ， 即 { l ， 2 ， A， i ， A， J 2 式 中 i 表示评价等级的第 j 个等级。 3 建立模糊因素评价矩阵。在对故障模式 k模糊 综合评价分析过程 中，设第 因素 ／3 , ； 在因素水平 i 的 评估集为 r ，评价各影响因素对其因素水平集的隶属 度 。 常用 的评价方法是成立一个由 h人组成的专家评 价组，每位成员对各影响因素 u 评出一个且仅一个评 价等级 i ， 若h 位组员中 评定 隶属于 i 的有h 人， 则 得到 的评价集为 R { 拿 ，拿 ，A ，李 }- { ，，k2 ，A ，，km } 3 且 有 扫 将第 k个故障模式 的各因素评价集写成故障模式 k模糊 因素水平评价矩阵为 k k k k T R I R 2 A R ] 4 4 确定各个影响因素权重集。权重集是为了反映 各个影响因素的重要程度而赋予 的相应权数所组成的 集合。确定各 因素的权重是综合评判 中最关键的环节 之 一 。 A a l I a 1 2 a2 1 a2 2 M M an 1 1 2 A a I 人 A ⋯ A‰ 表 1 因素重要程度判断值表 5 显然 ， a i i l ， o j l ／ a ji 。根据判断矩阵 A， 计算他 的最 大特征根 A 一 及其所对应的特征向量 乒 ．戈 A n ] 。 然后 ， 进行一致性检验 ， 计算一致性比率 ， 得 R 生 6 ， R 式中， c 为一致性指标 ， 即 ， c 7 ， R 表示判断矩阵的平均随机一致性指标 ，对于 l 一 1 3阶判断矩阵， ， R 的值见表 2 。 表 2 1 - 1 3阶判断矩阵的 值 当 R c 0 ． 1 时 。认为判断矩阵的一致性是可以接受 的， 否则应对判断矩阵作适当修正。 3 9 m m ． m A 人A A M M 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 0 l 2年 第 1期 取 ． 作为因素 “ i 的重要程度系数 W i ，必要时对特 征向量 归一化作为权重。 设故障模式 k的因素加权项为 W ，那么故障模式 k 的 因 素 权 重 集w k { ， ， A ， } ， 0 l 且 满 足 归 一 化 条件 ∑ k _ 1 8 i l 5 1 级模糊综合评估。将故障模式 k的因素权重 集 改 写为 向量 形式 ， 则 k k k k k k T B R [ WI W 2 A W 】 9 式 中 为故障模式 k的模糊综合评价向量。 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 ， 得到一个简单数值 C 来表示故障模式 k对系统的综合危害等级 ， 即 k k T C B V 1 0 7 多级模糊综合评价。若整个系统由多级子系统 构成 ， 首先对底层子系统各故障模式分别进行 1 级模糊 综合评价， 得到其模糊综合评价向量分别为 8 ， ， ⋯ ， ，综合危害等级分别为 C ， C ， ⋯ ， C 。将子系统的各 故障模式作为 2级模糊综合评价的影响因素 ． 即 { 故障模式 l ， 故障模式 2 ， ⋯ ， 故障模式 k l ； 因素 水 平集 I ， 不 变 再用层次分析法求 出各影响 因素的权重集 ， 利 用模糊综合评价法对系统进行评价。采用此方法可以 得到 2级模糊综合评价 。即对子系统 1的模 糊综合评 价。依此类推 ， 系统的多级模糊评价即可得到【 。 3 实例应用 目前液压技术 已在各类工程机械 中广泛应用 ， 尤 其出现 了大量的全液压工程机械 。因此液压系统的可 靠性往往对 整机的可靠性产生很大的影 响．要求工程 机械在特定 的条件下长期存放和反复使用过程 中， 不 出故障或少出故障 ， 处于正常的使用状态 ， 且能实现其 预期效能。 以往对 液压工程机械产品的故障模式 的分析主要 依靠现场有经验 的工作人员的主观判断 ，判断结果虽 有其合理性 ， 但也存在着片面性 。现以某型液压挖掘机 为例， 利用模糊 F ME C A方法对其进行分析。对挖掘机 结构进行分析可知 ，整机可分为四个部分 动力源部 分 、 传动部分 、 控制部分和执行部分 ， 每部分都是 由相 应部件 组成 ，如 图 1所示 。液压挖掘 机可 靠性试 验 F ME A分析结果如表 3所示。 霸 厂 几几 簇I 厂羲 发珈 陵腿液压卸 l蔺I 液压马达 i 匡盘 i 广 L 一 j ⋯⋯ L ． ． ． J 执行部分 控制部分 传动部分 动力源部分 图 l 液压挖 掘机结构原理图 表 3液压挖掘机可靠性试验 F ME A分析表 在 F ME A分析的基础上 ，对其故 障模式分别进行 模糊综合评价 ， 其步骤如下 1 确定 因素集。在对液压挖掘机进行故障危害性 评价时采用因素集 f 故障概率 ， 严重度 ， 检测难易程度 ， 维修难易程 度 】 2 确定评价集 。评价结果分 为 4个等级 ， 即 { l ， 2 ， 3 ， 4 } 。可根据表 4所列的标准对各个影响因素进行 等级划分 。 3 建立故 障模式 1的模糊评价矩阵。设经过专家 评判组的评定，故障模式 1 的故障概率模糊集为 - _ f 0 ．5 ， 0 ． 4 ， 0 ． 1 ， 0 ． 0}， 严 重 度 模 糊 集 为 R ～ A A A A M M 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 ． 1 ． 2 0 l 2 { 0 ． 1 ， 0 ． 3 ， 0 ． 5 ， 0 ． 1}，检 测 难 易 程 度 模 糊 集 为 R { 0 ． 0 ， 0 ． 1 ， 0 ． 7 ， 0 ． 2}，维 修 难 易 程 度 模 糊 集 为 R { 0 ． 0 ， 0 ． 0 ， 0 ． 7 ， 0 ． 3} 。 表 4因素水平等级表 因此得 到模 糊评 价矩 阵 为 l 1 l l l T R l R 2 R 3 R 4 】 0． 5 0． 1 O． O 0． O 0． 4 0． 3 0 ． 1 0 ． 0 O． 1 0． 5 0． 7 0． 7 O． O O． 1 0． 2 0． 3 4 建立故障模式 1的因素权重集 。故障模式 1 各 影响因素判断矩阵及权重如表 5所示。 表 5故 障模式 1 各影响因素 判断矩阵及权 重 经计算 尺 O ． 0 4 3 8 0 ⋯ 1说明该判断矩阵的一致性 可以接受。因此 。 可以确定故障模式 1 的因素集对应的 权重集为 W‘ { 0 ． 5 6 3 8 ， 0 ． 2 6 3 4 ， 0 ． 0 5 5 0 ， 0 ． 1 1 7 8} 。 5 对故障模式 1的 1 级模糊综合评价。 B。W 。 R ‘ 【 O ． 3 0 8 2 0 ． 3 1 0 0 0 ． 3 0 9 0 0 ． 0 7 2 7 1 ， 即 B ．0． 3 _08 2 ．“1 - o ． 9 o 4 0 ．0 ．7 2 74- 一 ， 这 说 明 故 障 模 一 一 一 1X ．H H D 盛 悍 1 二 J 叶 式 1的 危 害 度 等 级 分 别 为 1 ， 2 ， 3 ， 4的 隶 属 度 为 0 ． 3 0 8 2、 0 ． 3 1 0 0、 0 ． 3 0 9 0、 0 ． 0 7 2 7。 6 综合危害度等级计算 。根据式 1 0 可以求得故 障模式 l的综合危害等级为 C ’ 2 ． 1 4 6 2 。 应用同样方法确定故障模式 2 6的模糊评价矩阵 分别 为 2 R 4 R 6 R O． 1 0- 3 0 ． 1 0． 6 0． 1 0． 9 0． 0 0． 1 0． 0 0． 2 0 ． 6 0． 1 0． 4 0． 7 O． 5 0． 4 0． 4 0 ． 1 0 ． 0 0 ． 4 0_ 3 O ． 5 0． 4 0 ． 9 0． 5 0． 0 0． 4 0． 0 O． 5 0． 0 0． 4 0． 5 O． 6 0 ． 3 0． 0 O． 0 O． 0 0． O 0． O 0． 0 0． 0 0． O 0． 6 0． O 0． 1 0． 0 O． 0 0． 0 3 5 R O． 0 0． 0 0． 0 0． 0 0． 0 0． 3 0． 7 0． 8 0． 1 0． 0 0． 0 O． 0 0． 1 0． 7 0． 2 0． 2 0 ． 5 0- 3 0 ． O 0 ． 4 0 ． 6 0 ． 0 0 ． 1 O．0 0． 4 O． 7 1 ． O 0． 6 0． 3 0． 0 0． O 0． O 各故障模式的影响因素采用相 同的权重集 ， 即 ‘ W W W。 可 以求 出各故障模式 的模糊综合评价向量 B 【 0 ． 2 1 1 6 0 ．4 8 4 5 0 ． 3 0 3 9 0 ． 0 0 0 0 】 ， B [ 0 ． 0 o 0 0 0 ． 0 5 6 4 0 ． 4 0 8 0 0 ． 5 3 5 6 ] ， B 【 0 ． 5 2 4 7 0 ． 0 9 0 2 0 ． 1 9 1 8 0 ． 1 9 3 4 】 ， B 【 0 ． 2 1 1 8 0 ． 2 7 5 3 0 ． 3 4 3 8 0 ． 1 6 9 1 】 ， B [ 0 ． 0 9 7 5 0 ． 4 2 8 9 0 ． 4 1 7 3 0 ． 0 5 64] 。 各故障模式 的综合危害等级的集合 一 { c ‘ ， C z ， C 3 ， ， C5 ，C 6 C } { C ， ， ，C ， ， } { 2 ． 1 4 6 2 ， 2 ． 0 9 2 3 ， 3 ． 4 7 9 2 ， 2 ． 0 5 3 8 ， 2 ． 4 7 0 3 ， 2 ． 4 3 2 6 } 根据综合危险等级大小 。可将故障模式 1 6按其 危险度轻重排列为 故 障模式 4 故障模式 2 故障模式 1 故障模式 6 故障模式 5 故障模式 3 。 7 2级模糊综合评价。在对液压挖掘机 系统的 6 种故障模式进行模糊综合评价后 。利用得到的评价结 果进行 2级模糊综合评价 。取因素集 u l 故障模式 1 ， 故障模式 2 ， 故障模式 3 ， 故障模式 4， 故障模式 5 ， 故障 模式 6 J ， 评价集 { l ， 2 ， 3 ， 4 l ， 评价矩阵 尺 B ‘B B。 T r ， 根据液压挖掘机系统的 6种故障模式的重 要 程 度 利 用 层 次 分 析 法 得 出 权 重 集W { 0 ． 1 4 8 9 ， 0 ． 0 9 7 7 ， 0 ． 4 2 9 5 ， 0 ． 2 4 7 3 ， 0 ． 0 3 0 9 ， 0 ． 0 4 5 7 J 。 则综合评价结果为 B WR [ O ． 2 0 7 3 0 ． 1 6 8 1 0 ． 3 2 8 1 0 ． 2 9 6 5 】 ， T 0 ． 2 0 7 3 朋其 综合危害等级 C 2 ． 7 1 3 8 。利用相同的方法可以算 出液 41 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 0 1 2年 第 1期 万能轧机中保持板的故障分析与处理 杨 莉华 1 I J r I 机电职业技术学院， 四川攀枝花6 1 7 0 0 0 摘 要 如何防止万能轧机轧制钢轨的过程中 ， 轧辊轴承 座不 出现轴 向窜动现象 ， 与保持板的合理设计和正确维护有 至关重 要的作用 。 本文针对近几年来保持板频繁发生的故障现象进行 了原 因分析 ， 提出改进 r方案 ， 并应用 到生产实 际中． 取得显著效果。 关键词 万能轧机 ； 保持板 ； 故障 ； 液压系统 中图分类号 T HI 3 7 ． 1 文献标识码 B 文章编 号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 2 0 1 0 0 4 2 ～ 0 4 The R e t a i n i n g Pl a t e F a u l t An a l y s i s a nd Pr o c e s s i n g i n t h e Un i ve r s a l M i l l YANG Li -hu a S i c h u a n E l e c t r o me c h a n i c a l I n s t i t u t e o f V o c a t i o n a n d T e c h n o l o g y ，P a n z h i h u a 6 1 7 0 0 0 ， C h i n a Ab s t r a c t h o w t o p r e v e n t t h e u n i v e r s a l r o l l i n g r a i l p r o c e s s ， r o l l e r b e a r i n g a x i a l mo v e me n t p h e n o me n o n d o e s n o t a p p e a r ， a n d t h e h o l d i n g p l a t e d e s i g n r e a s o n a b l e a n d p r o p e r ma i n t e n a n c e o f a v i t a l r o l e ． I n r e c e n t y e a r s ， t o k e e p t h e b o a r d t h e f r e q u e n t o c c u r r e n c e o f f a u l t t h i s p a p e r a n a l y z e s t h e c a u s e s ， p u t s f o r w a r d t h e i mp r o v e me n t s c h e me ， a n d a p p l i e d t o t h e a c t u a l p r o d u c t i o n 。 o b t a i n r e ma r k a b l e r e s u l t ． Ke y W o r d s u n i v e r s a l mi l l ； r e t a i n i n g p l a t e； f a u l t ； h y d r a u l i c s y s t e m 1 保持板 的结构及 功能 万能轧机是 由用 于轧制轧件腰部的水平辊以及轧 收稿 日期 2 0 1 1 0 6 1 0 作者简介 杨莉华 1 9 7 2 一 ， 女 ， 硕士研究生 ． 主要从事机 械方面的实践教 学工作 制轧件顶部和底部的立辊组成。水平辊装于上下轴承 座上 ， 立辊装在立辊盒子上。万能轧机对轧制产品的精 度控 制 、 自动化程度等要求较高 ， 特 别是轧制重 轨时 ， 对轧制孔型的相关尺寸精度有更高的要求。这时保持 板对 轧辊轴承座 的锁紧 、固定方面的作用就显得十分 压挖掘机其他组成模块的故障综合危害等级 ，并进行 参 考 文 献 危害度优先排序 ， 从 中找 出危害性最大的部件 ， 对其提 [ 1 】 唐淑云． 基于模糊理论的发动机可靠性风险评价方法研究 出相应的可靠性改进措施 ，为提高系统的可靠性提供 [ D 】 ． j 【 西理工大学， 2 0 1 0 - 有价值的帮助。 [ 2 1 赵静一， 姚成玉 液压系统的可靠性研究进展[ J 】 液压气动与 密封． 2 0 0 6 3 ． 4 结束语 [3 ]张 晗 亮 ．以F M E C A 为 中 心 的 柴 油 机 可 靠 性 研 究 【D 】 ． 电 子 科 技 液压 系统 由于 其运行 环境 不稳 定 ． 再 加 匕系统构 成 大学， 2 0 0 9 复 杂 h 来 因 向 较 多 因 而 液 压 亲 统 故 障 发 生 的 概 技 术 在 铁 道 。车 车两 零 部 件 设 计 中 率 的 高 低、 严 重 程度 的 大 小、 检 测和 维 修程 度的 难易 都是 [ 5 】陈 道 于A H P 的 汽 车 控 发 动 机 故 障 诊 断 研 究 [J 】．荆 楚 一 些带有模糊性的概念 ，应用模糊数学理论可以将定性 理工学院学报． 2 0 1 0 7 ． 的评价指标定量化 ， 从而使评价更加科学 、 合理 、 准确。 模 [ 6 ]T A Y K M ，L I M C P ．F u z z y F M E A w i t h a g u i d e d r u l e s 糊综合评判 的排序结果表明液压挖掘机的各故 障模式 r e d u c t i o n s y s t e m f o r p r i o r i t i z a t i o n o f f a i l u r e s【 J 1 ． 中，由于管路系统压力偏高导致软管破裂的危害等级最 I n t e r n a t i o n a l J o u rn a l o f Q u a l i t R e l i a b i l i t y 高 ， 是可靠性改进的重点， 其次是转向器转向沉重和轮边 M g e 。 ，2 o 0 6 8 1 0 4 7 - 1 0 6 6 。 ． 减 速 肺向 声 0 经 现 场 调 分 析 飙 此 评 判 结 果 与 实 际 爰 统 可 靠 性 评 估 方 法 研 情况相符。 通过理论分析和举例说明， 利用模糊综合评价 [ 8 1谭麒瑞 ， 意 东 ， 等 ．模 糊F M E C A 在 动 机 内 腔 失 火 处 置 安 全 方法对 F ME C A进行改进 ，使得 F ME C A对液压系统的 评价中的应用研究『 J 1 ． 科技信息 ，2 0 1 0 2 5 ． 可靠性分析更全面， 其得出的结果更接近实际。