基于模糊綜合評(píng)判與故障樹(shù)法的震壓造型機(jī)故障診斷*

吳天魁，王 波，顧基發(fā)，周曉輝

(上海理工大學(xué) 管理學(xué)院，上海200093)

0 引言

震壓造型機(jī)主要有活塞司氣型和閥門(mén)司氣型2種，而活塞司氣震壓機(jī)是利用震壓活塞直接開(kāi)閉進(jìn)、排氣孔，實(shí)現(xiàn)震擊的?；钊練饨Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，以斷進(jìn)氣膨脹式對(duì)壓縮空氣的能量利用最為充分，比較經(jīng)濟(jì)，使用者較多?；钊練庹饓簷C(jī)出現(xiàn)故障時(shí)主要表現(xiàn)為不震擊、震擊無(wú)力、震擊不穩(wěn)、壓實(shí)無(wú)力4個(gè)方面［1］，然而導(dǎo)致出現(xiàn)這些故障的原因卻非常多，且設(shè)備工作狀態(tài)具有模糊性，如果設(shè)備工作時(shí)出現(xiàn)問(wèn)題不易發(fā)覺(jué)，則工作者就難于判斷設(shè)備工作狀況，最終可能導(dǎo)致設(shè)備受損程度加大，甚至導(dǎo)致設(shè)備報(bào)廢。文中利用故障樹(shù)分析法找出影響設(shè)備故障的主要因素，有利于工作人員及早察覺(jué)設(shè)備故障和日常對(duì)設(shè)備重要部件進(jìn)行維護(hù)和保養(yǎng)。通過(guò)采用模糊綜合評(píng)判法對(duì)震壓造型機(jī)壓實(shí)情況進(jìn)行分析，能及早發(fā)現(xiàn)設(shè)備工作狀況，以便及時(shí)維修來(lái)減少帶來(lái)的麻煩及損失。

震壓造型機(jī)的復(fù)雜性以及模糊不確定性使得分析的難度增加，盡管這樣仍有一些學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究。鑄鋼廠［2］等對(duì)Z148B造型機(jī)震擊機(jī)構(gòu)進(jìn)行了改造;張楠［3］對(duì)拖箱造型機(jī)射砂充填不良進(jìn)行了分析并找出原因提出了相應(yīng)的對(duì)策;陳其紅［4］等利用兩重威布爾分布對(duì)鑄造造型機(jī)進(jìn)行了可靠性分析。等等這些學(xué)者都為震壓造型機(jī)的分析做出了貢獻(xiàn)，然而沒(méi)有考慮到該復(fù)雜機(jī)械的模糊性，因此并不能準(zhǔn)確進(jìn)行評(píng)判。模糊綜合評(píng)判法的出現(xiàn)解決了這類(lèi)問(wèn)題，并且被應(yīng)用在不同的領(lǐng)域。毛巨省［5］利用模糊綜合評(píng)判法對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，使得評(píng)價(jià)結(jié)果更加合理接近實(shí)際;李海濱［6］基于模糊綜合評(píng)判法對(duì)瀝青路面施工質(zhì)量控制進(jìn)行了研究，，實(shí)現(xiàn)了有效實(shí)時(shí)的施工質(zhì)量監(jiān)控;李琰［7］等構(gòu)建了基于AHP的中小型煤礦安全庫(kù)存模糊綜合評(píng)價(jià)模型，提出運(yùn)用現(xiàn)代供應(yīng)鏈庫(kù)存管理辦法提升中小型煤礦整體安全庫(kù)存水平;姜杰［8］利用模糊綜合評(píng)價(jià)理論，建立煤礦機(jī)器系統(tǒng)可靠性的多因素多級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)模型，在實(shí)例中對(duì)機(jī)器設(shè)備的可靠性程度進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，找出影響其可靠性的薄弱環(huán)節(jié)，并提出提高煤礦機(jī)器可靠性的相關(guān)措施;褚冬莉［9］等在缺乏足夠可靠性數(shù)據(jù)的情況下，利用模糊綜合評(píng)判法和故障樹(shù)分析法為研究礦井通風(fēng)系統(tǒng)可靠性提供了重要途徑。等等這些學(xué)者通過(guò)利用模糊綜合評(píng)判法都得出了理想的結(jié)果，并為模糊綜合評(píng)判法的應(yīng)用與理論推廣做出了貢獻(xiàn)。

模糊綜合評(píng)判法［10－11］主要對(duì)一些不確定和模糊的事件做出評(píng)判的一種方法，其操作步驟為

1 )確定評(píng)判因素集 u=(u1，u2，…，um)，其中，u1～um為評(píng)判因素指標(biāo);

2 )求所有評(píng)判因素的權(quán)重集 W=(w1，w2，…，wm)，其中，w1～wm為評(píng)判因素對(duì)應(yīng)的權(quán)數(shù);

3 )確定所分析事件的評(píng)價(jià)集 V=(v1，v2，…，vn)，其中，v1～v2為評(píng)價(jià)事件所劃分的評(píng)價(jià)等級(jí)的臨界值;

其中，rij為評(píng)判因素ui對(duì)評(píng)價(jià)等級(jí)vi的隸屬度。

5 )得出評(píng)判矩陣B=(b1，b2，…，bn)=W?R，其中?為一種合成運(yùn)算，其中bj=ai·rij;

6 )得出評(píng)判結(jié)果值 C=B·VT，此值與評(píng)價(jià)集V中的值比較，如果評(píng)判結(jié)果值超出評(píng)價(jià)等級(jí)中的臨界值［12］定為該評(píng)價(jià)等級(jí)。

1 震壓造型機(jī)失效故障樹(shù)分析

1.1 震壓造型機(jī)失效故障樹(shù)的建立

震壓造型機(jī)故障樹(shù)把震壓造型機(jī)故障作為頂事件，然后找出導(dǎo)致震壓造型機(jī)故障的次頂事件，繼續(xù)找出導(dǎo)致故障發(fā)生的層事件，最后找到所有可能導(dǎo)致頂事件發(fā)生的底事件。假設(shè)震壓造型機(jī)故障中各模塊的事件狀態(tài)僅有:發(fā)生或不發(fā)生，且各事件之間是相互獨(dú)立的關(guān)系，根據(jù)文獻(xiàn)［1］中的分析，可以建立震壓造型機(jī)失效故障樹(shù)如圖1所示。

圖1 震壓造型機(jī)失效故障樹(shù)Fig.1 Fault tree of the failure of jolt squeezing machine

圖1中T為震壓造型機(jī)失效;A1為壓實(shí)無(wú)力;A2為不震壓;A3為震壓無(wú)力;A4為震擊不穩(wěn);B1為壓實(shí)活塞與缸間隙大;B2為密封漲圈磨損嚴(yán)重或硬化;B3為保險(xiǎn)銷(xiāo)密封螺帽密封不好;B4為氣源為接通;B5為進(jìn)氣管破裂或掉落;B6為震動(dòng)活塞與缸徑研死;B7為壓縮空氣壓力不足;B8為震動(dòng)活塞與缸間隙大;B9為震動(dòng)活塞與缸或?qū)驐U與套研傷;B10為活塞環(huán)磨損或斷裂;B11為震擊面接觸不均勻;B12為震動(dòng)活塞與缸或?qū)驐U與套間隙大;B13為震動(dòng)活塞與缸或?qū)驐U與套之間一側(cè)研傷;B14為震擊時(shí)機(jī)床產(chǎn)生晃動(dòng);X1為內(nèi)部泄露嚴(yán)重;X2為壓力損失過(guò)大;X3為內(nèi)部泄露嚴(yán)重;X4為壓力損失過(guò)大;X5為內(nèi)部泄露嚴(yán)重;X6為壓力損失過(guò)大;X7為壓實(shí)時(shí)壓力較低;X8為管路接錯(cuò);X9為閥門(mén)未打開(kāi);X10為生產(chǎn)中碰壞;X11為接頭與膠管孔徑不匹配;X12為膠管未加緊;X13為震動(dòng)活塞與缸徑間隙過(guò)小;X14為裝配時(shí)毛刺、毛邊或磕碰未修磨;X15為油路不通;X16為壓縮空氣壓力較低;X17為進(jìn)氣管路密封不好;X18為磨損嚴(yán)重;X19為壓力下降;X20為震動(dòng)活塞與缸或?qū)驐U與套間隙過(guò)小;X21為裝配時(shí)毛刺、毛邊未修好;X22為加工誤差;X23為密封不好;X24:內(nèi)部泄漏嚴(yán)重;X25為壓實(shí)活塞大絲賭密封不好;X26為基礎(chǔ)減震墊太厚;X27為受力不均勻;X28為研行產(chǎn)生裂紋;X29為導(dǎo)向性不好;X30為運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生擺動(dòng);X31為運(yùn)動(dòng)中受阻;X32為運(yùn)動(dòng)中發(fā)滯;X33為運(yùn)動(dòng)中擺動(dòng);X34為震動(dòng)工作臺(tái)肋開(kāi)裂;X35為地腳螺絲斷裂;X36為地腳螺絲松動(dòng)。

1.2 震壓造型機(jī)失效故障樹(shù)分析

根據(jù)震壓造型機(jī)失效故障樹(shù)模型圖，利用下行法，可以求出該故障樹(shù)最小割集有28個(gè)如下

結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)［13］反映了某一基本事件在整個(gè)故障樹(shù)結(jié)構(gòu)中所占的地位，從結(jié)構(gòu)上反映基本事件的重要程度，用Ii表示。引入公式

其中Ii為第i個(gè)基本事件的結(jié)構(gòu)重要度;ns為第s個(gè)包含基本事件i的最小割集的容量;k為包含基本事件i的最小割集的個(gè)數(shù)。

根據(jù)公式(1)可以計(jì)算出來(lái)各事件的結(jié)構(gòu)重要度為

比較各事件的結(jié)構(gòu)重要度可以得出X7～X17;X20～X24;X34～X36這些事件的結(jié)構(gòu)重要度比較大，說(shuō)明這些事件發(fā)生，將很大可能導(dǎo)致頂事件的發(fā)生，因此平時(shí)要對(duì)這些事件多加防范并及時(shí)維修保養(yǎng)。

2 評(píng)判模型的建立

為了研究方便，文中僅對(duì)次頂事件“壓實(shí)無(wú)力”進(jìn)行評(píng)判。由于次頂事件“壓實(shí)無(wú)力”中的底事件“X1為內(nèi)部泄露嚴(yán)重;X2為壓力損失過(guò)大;X3為內(nèi)部泄露嚴(yán)重;X4為壓力損失過(guò)大;X5為內(nèi)部泄露嚴(yán)重;X6為壓力損失過(guò)大;X7為壓實(shí)時(shí)壓力較低”有重復(fù)的，也即僅有事件“內(nèi)部泄漏嚴(yán)重”、“壓力損失過(guò)大”以及“壓實(shí)時(shí)壓力較低”3個(gè)事件決定著“壓實(shí)無(wú)力”事件，因此可用C1為內(nèi)部泄漏嚴(yán)重;C2為壓力損失過(guò)大;C3為壓實(shí)時(shí)壓力較低來(lái)簡(jiǎn)化，則可得壓實(shí)無(wú)力故障樹(shù)簡(jiǎn)化圖如圖3所示。

利用下行法，可以得出簡(jiǎn)化后次頂事件的最小割集為K1=(C1，C2)，K2=(C3).即導(dǎo)致次頂事件壓實(shí)無(wú)力發(fā)生的主要事件為C1，C2，C3.故把它們作為評(píng)判壓實(shí)情況的因素，則設(shè)備壓實(shí)無(wú)力的評(píng)判因素集為U=(C1，C2，C3)。

圖2 壓實(shí)無(wú)力故障樹(shù)Fig.2 Fault tree of compaction weakness

圖3 壓實(shí)無(wú)力故障樹(shù)簡(jiǎn)化圖Fig.3 Simplified diagram for fault tree of compaction weakness

在此給出這3個(gè)事件發(fā)生的概率分別為:0.05，0.15，0.25，則可以計(jì)算出次頂事件A1(簡(jiǎn)化前)發(fā)生的概率

概率重要度［14］是基本事件發(fā)生概率變化引起頂事件發(fā)生概率的變化程度，用Ig(i)來(lái)表示事件i的概率重要度，由于頂事件發(fā)生概率函數(shù)是一個(gè)多重線性函數(shù)，只要對(duì)自變量求一次偏導(dǎo)，就可以得到該基本事件的概率重要度，其計(jì)算公式為

其中，P為頂事件;Pi為i事件。

針對(duì)次頂事件壓實(shí)無(wú)力簡(jiǎn)化后P=C1C2+C3，利用公式(2)可得

臨界重要度［14］能從敏感度和自身發(fā)生概率的雙重角度衡量各基本事件的重要度標(biāo)準(zhǔn)，因此根據(jù)壓實(shí)無(wú)力評(píng)判因素的臨界重要度的比重，對(duì)所有評(píng)判因素賦予相對(duì)應(yīng)的權(quán)數(shù)。其中臨界重要度用IG(i)來(lái)表示，計(jì)算公式為

式中qi為i事件的概率;p為頂事件概率;Ig(i)為i事件的概率重要度。

利用公式(2)和(3)可以計(jì)算出各事件的臨界重要度為IG(1)=0.027 5，IG(2)=0.027 5，IG(3)=0.917 4.

則評(píng)判因素ui的權(quán)數(shù)為

可得出所有評(píng)判因素的權(quán)重集

針對(duì)設(shè)備壓實(shí)情況，對(duì)其劃分為4個(gè)等級(jí):差，一般，良，好。由于劃分等級(jí)具有模糊性和不確定性，可以請(qǐng)10位專(zhuān)家對(duì)其打分，結(jié)果為:差(4)，一般(3)，良(2)，好(1)。則可以得出評(píng)價(jià)等級(jí)的臨界值V=(差，一般，良，好)=(0.4，0.3，0.2，0.1)。文中通過(guò)隸屬關(guān)系對(duì)模糊映射進(jìn)行描述，建立評(píng)判因素集 U=(u1，u2，u3)=(C1，C2，C3)到評(píng)價(jià) V=(v1，v2，v3，v4)=(差，一般，良，好)的模糊映射，結(jié)合臨界重要度分析和經(jīng)驗(yàn)，得出ui對(duì)于評(píng)價(jià)等級(jí)vi的隸屬度rij，從而得出評(píng)判矩陣

根據(jù)評(píng)判因素的權(quán)重集和評(píng)判矩陣對(duì)設(shè)備壓實(shí)情況進(jìn)行模糊綜合評(píng)判，可以計(jì)算得出對(duì)應(yīng)的等級(jí)評(píng)判矩陣

最后得出評(píng)判結(jié)果值為

該評(píng)判結(jié)果值介于差和一般之間，因此該設(shè)備壓實(shí)情況為一般。此時(shí)就需要注意對(duì)前面分析得出的一些重要部件進(jìn)行維護(hù)了，防止設(shè)備更加嚴(yán)重以至于造成報(bào)廢。

3 結(jié)論

針對(duì)震壓造型機(jī)失效，構(gòu)建失效故障樹(shù)模型，分析出了哪些部件對(duì)震壓造型機(jī)失效影響更大，便于操作人員對(duì)該設(shè)備日常的維護(hù)和保養(yǎng)，同時(shí)采用模糊綜合評(píng)判法針對(duì)震壓造型機(jī)壓實(shí)情況進(jìn)行評(píng)判，便于工作人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，從而可以及時(shí)修理以減少以后工作時(shí)的不必要麻煩。

文中在對(duì)震壓造型機(jī)壓實(shí)情況進(jìn)行評(píng)判時(shí)，所設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)要根據(jù)實(shí)際情況而定，搜集準(zhǔn)確的數(shù)值，對(duì)實(shí)際情況精確分析，從而可以更加及時(shí)的得出該設(shè)備目前工作狀況，以便及時(shí)維修?？梢钥闯?，利用故障樹(shù)和模糊綜合評(píng)判相結(jié)合的方法，對(duì)設(shè)備故障及工作狀況進(jìn)行分析是可行的，便于設(shè)備及時(shí)維修和調(diào)整。

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