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

基于模糊置信理论及灰色关联决策的 冶金桥式起重机昕阳 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441053 2武汉工程大学机电工程学院武汉430205 3中国特种设备检测研究院 北京100013 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见故障模式进行分析。以传统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27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：献标识码：A 文章编号：10010785(2015)050007一of as an on is to as is of is on 7 as is of of to 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。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，在对故障模式及其影响分析进行描述时，主 14a in by 013，34 (8)：942953 起重运输机械 2015(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：350000 收稿日期：20140806 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法，可有效解决本文 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 1391_2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：2为减 速器故障；4为卷筒故障； 6为钢丝绳故障，障，11为绕组短路、断路、 接地故障；损、装歪、端盖装 置不妥、转轴弯曲、负载传动装置安装不当；减速器油温高、漏油等润滑油故障；轴承碎裂；24为减速 器窜轴；异响；润滑不良、转动不灵活；损、滑轮壁厚磨损超标、滑轮轮槽底部直径磨 损超标；41为壁 厚磨损、沟槽磨损；43为卷筒 转动不均匀；51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；轴器对口螺 栓折断；部磨损、内部磨损、变 形磨损)；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 2015(5) 和振动引起的疲劳)；部腐蚀、 内部腐蚀)；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)；断口呈松散状，绳芯外露)；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)；72 为裂纹；81为制动力矩不够、 制动器不灵、制动器处于常紧状态；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 31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(43 ) (3，4，6，7) 高( ) (6，7，8，9) 很高( ) (8，9，10，10) 表2风险因子的模糊权重 语青变量 模糊数 很低(0，0，025) 低( ) (0，025，025) 巾等(M) (025，05，075) 高(H) (05，075，1) 很高( ) (075，1，1) 由于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 2015(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：，04)，(H， 06)，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04，“中等”的可能 性为06，这里的04和06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(10)。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 10)， 即全部未知。 32综合置信结构 根据评估人员的资历及其在中的相对重要程度，确定6名评估人员的权 重分别为015、020、010、025、020和 010。 考虑到各潜在故障模式风险因子O、S、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，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。将各个因子的判定权重基于其模糊数进行加权平均可 得，O、S、212 5，0462 5，0537 5)、 (0362 5，0612 5，0712 5)、 (0275，0525，07)。 33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 子 故障模式 风险因子 评估人员 权重 22 24 ，02) 15) ： H H ( ，08) 20) M ， ， 10) 4 】P (025) L ， 日24 生度0 P (020) 5 ( ，08) 10) H 3 t (7) ( ，003) 总置信结构 (-3 ，01) ( ：，076) (t，075) ( ，08) ( 5，02O) (25) ( ，012) (02) ( ，075) (445，02) 15) 日 5 (-22，01) 20) M 2 (日 08) ( ，03) 10) 附 -4,- ( ，07) 严重度S 25) 馏 2 5 (020) M 丑12 月 ， 010) ， (35) (02) ( ，003) (H 02O) (02) 总置信结构 (7) (015) (20) (016) (-22，065) ( ，010) (1) ( ，082) ( ，060) (t，070) P (015) M 】2 2 (3) 20) 3 ， ( ，07) (010) 日 3 ： ： (025) M 日2 3 3 3 检测度D P (020) M 3 3 2 1O) 日12 3 ： 日H 010) (日 006) (日40) (H 010) 总置信结构 (H 025) ( ，040) ( 3，079) ( 2，04O) ( ，045) ( ，060) (20) (65) (t3 ，015) ( ，020) ( ，025) 起重运输机械 2015 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130 2 0292 0567 日12 0259 3 0433 5 0606 日13 0394 0500 H,4 0708 日459 5 0541 0741 0500 0500 5 0870 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、分别为0278、0378、0344。 34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 = 0527 9 0330 1 0716 3 045l 8 0714 6 0208 5 0690 9 0680 6 0465 4 0546 1 0267 6 0473 2 0495 6 0307 0 0368 9 35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 =0130)，参考 矩阵可表示为 0 0 0 0 0 O 0 0 0 36计算灰色关联系数 在有故障模式关于每个风 险因子的灰色关联系数 m!n(X0(f)一X (f)+p 0(f)一 (z) ( ( )一 n( )= 菡 式中：,为故障模式故障