基于FMECA和DEMATEL的協(xié)調(diào)器故障排序新方法

傅建平，毛志俊，馮國(guó)飛（軍械工程學(xué)院火炮工程系，河北石家莊 050003）

基于FMECA和DEMATEL的協(xié)調(diào)器故障排序新方法

傅建平，毛志俊，馮國(guó)飛
（軍械工程學(xué)院火炮工程系，河北石家莊 050003）

協(xié)調(diào)器作為供輸彈機(jī)的關(guān)鍵部件之一，要求其具有較高的可靠性。基于協(xié)調(diào)器結(jié)構(gòu)原理，綜合運(yùn)用FMECA（故障模式、危害度分析）和DEMATEL（決策實(shí)驗(yàn)室）方法，充分考慮故障模式影響概率的不確定性、危害度計(jì)算貢獻(xiàn)因子的不同性，以及故障之間的聯(lián)系與影響程度，對(duì)協(xié)調(diào)器的故障模式、故障原因進(jìn)行排序，并結(jié)合傳統(tǒng)危害度法、改進(jìn)危害度法的比較，找到協(xié)調(diào)器薄弱環(huán)節(jié)，為協(xié)調(diào)器的研制、結(jié)構(gòu)改進(jìn)和科學(xué)維修提供指導(dǎo)意義。

協(xié)調(diào)器；故障；FMECA；熵權(quán)；決策實(shí)驗(yàn)室方法

現(xiàn)代火炮廣泛采用供輸彈機(jī)，完成自動(dòng)裝填彈丸與藥筒，以提高火炮射速和自動(dòng)化水平，并減輕炮手強(qiáng)度。協(xié)調(diào)器是供輸彈機(jī)重要組成部分，主要用于接受供彈機(jī)提供的彈丸，并協(xié)調(diào)到火炮射角后翻入，供輸彈機(jī)輸彈。協(xié)調(diào)器結(jié)構(gòu)新穎，技術(shù)先進(jìn)，故障率較高，部隊(duì)技術(shù)保障困難[1]。為了提高協(xié)調(diào)器的使用可靠性，協(xié)調(diào)器的故障排序其可靠性設(shè)計(jì)和部隊(duì)使用維修均具有重要的指導(dǎo)意義。

傳統(tǒng)故障模式、影響度及危害性分析技術(shù)（FMECA）能夠?qū)ο到y(tǒng)出現(xiàn)的各種故障模式進(jìn)行危害性分析和排序，找出其薄弱環(huán)節(jié)，方法簡(jiǎn)單實(shí)用被廣泛應(yīng)用于裝備研制、改進(jìn)和維修工作[2-3]，但易出現(xiàn)排序并列現(xiàn)象。通過故障模式對(duì)危害度的灰關(guān)聯(lián)度[4]、故障因果鏈的故障模式與影響分析［5］、模糊FMECA分析[6]，對(duì)FMECA分析作了改進(jìn)，但上述方法沒有考慮因素β的多樣性和不確定性，沒有考慮因素α、β、λ對(duì)危害度的不同權(quán)重，也沒有考慮故障間的復(fù)雜關(guān)系，因而排序結(jié)果不盡科學(xué)。而決策實(shí)驗(yàn)室分析法（DEMA?TEL）充分考慮每個(gè)因素的聯(lián)系與影響程度[7]，本文綜合FMECA分析和DEMATEL方法的優(yōu)點(diǎn)，提出了協(xié)調(diào)器故障模式與故障原因排序的新方法，以合理確定協(xié)調(diào)器的薄弱環(huán)節(jié)，為提高協(xié)調(diào)器的可靠性和科學(xué)維修提供指導(dǎo)作用。

1 危害度計(jì)算

FMECA可用來分析協(xié)調(diào)器的故障模式及其將產(chǎn)生的影響，并按每個(gè)故障模式產(chǎn)生影響的嚴(yán)重程度及其發(fā)生概率予以分類。危害度是指產(chǎn)品中每個(gè)故障模式發(fā)生的概率及其危害的綜合度量。

故障模式i的危害度用CRi表示[2]，其值可用下式計(jì)算。

式（1）中αi為協(xié)調(diào)器將以故障模式i發(fā)生故障的百分比，可由試驗(yàn)或使用數(shù)據(jù)得到，∑αi=1；βi為協(xié)調(diào)器以故障模式i發(fā)生故障而導(dǎo)致系統(tǒng)任務(wù)喪失的條件概率，由分析人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷得到；λ為協(xié)調(diào)器的故障率。

基于協(xié)調(diào)器結(jié)構(gòu)原理、部隊(duì)使用中出現(xiàn)的故障，根據(jù)FMECA方法與步驟，協(xié)調(diào)器的故障模式、故障原因及其危害度分析計(jì)算結(jié)果如表1所示，其中“一故障有多原因”、“一原因多故障”現(xiàn)象，增加了依據(jù)危害度進(jìn)行故障排序的難度。

表1 協(xié)調(diào)器FMECA分析表

2 改進(jìn)危害度的計(jì)算

FMECA分析中，故障模式頻比α與部件的故障率λ為客觀參量，而故障模式影響概率β為主觀參量，由專家憑經(jīng)驗(yàn)確定。傳統(tǒng)FMECA假設(shè)β為確定值，但實(shí)際上由于協(xié)調(diào)器各部件的功能、結(jié)構(gòu)與工作環(huán)境不同；專家專業(yè)水平不同，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)不同的評(píng)價(jià)結(jié)果。另外，式（1）危害度計(jì)算時(shí)，不同的α、β、λ組合可能產(chǎn)生同樣的危害度值，而潛在的失效風(fēng)險(xiǎn)會(huì)完全不同，即三個(gè)因素?zé)o權(quán)重的相乘計(jì)算危害度也是不現(xiàn)實(shí)的。

因此故障模式的改進(jìn)危害度定義如下[8]：

式（2）中：w=(w1,w2,…,w3)為α、β、λ組合的權(quán)重，0＜wj＜1,j=1,2,3，且

2.1 影響概率β

FMECA分析中，對(duì)于故障模式影響概率β評(píng)估信息的不確定性，設(shè)團(tuán)隊(duì)有N個(gè)專家評(píng)估，每個(gè)專家對(duì)故障模式 i的權(quán)重為kni＞0,(n=1,2,…,N)，且因此加權(quán)后的βi值能通過下式得到［9］：

本文取小組成員為5人，即N=5，其對(duì)故障模 式 i的 權(quán) 重 為 ：（k1，k2，…，k5）=（0.3,0.3,0.2,0.1,0.1），每個(gè)成員給出的 βin及各故障模式的影響概率βi如表2。

表2 協(xié)調(diào)器βi值

2.2 權(quán)重

信息熵理論可用于度量數(shù)據(jù)所提供的有效信息量[10]，熵權(quán)法能利用α、 β、λ數(shù)據(jù)中的隱藏的固有信息，確定權(quán)重w。對(duì)于一組數(shù)據(jù)，在某指標(biāo)上區(qū)別越大，則熵值就越小，即所提供信息較多，該指標(biāo)權(quán)重應(yīng)該更大[11]。

令

式（4）中：rij為第i個(gè)選項(xiàng)中第j個(gè)因素值；j=1,2,3分別代表α、β、λ；m=8。

則rj的熵值：

rj的熵權(quán)：

根據(jù)式（2）-（6），對(duì)于協(xié)調(diào)器FMECA表中的數(shù)據(jù)，可得改進(jìn)危害度，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 協(xié)調(diào)器ICR計(jì)算表

3 故障排序

傳統(tǒng)FMECA只考慮到失效模式本身對(duì)系統(tǒng)的影響，沒有考慮到故障模式、故障原因之間的關(guān)系。決策與試驗(yàn)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)室（Decision Making and Trial Evaluation Laboratory，DEMATEL），是一種運(yùn)用圖論和矩陣工具進(jìn)行系統(tǒng)因素分析的方法[12-14]。通過矩陣演算，直觀地顯示問題間的邏輯關(guān)系，將復(fù)雜的問題簡(jiǎn)單化。這種方法可以充分利用專家的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)來處理復(fù)雜問題，克服了傳統(tǒng)方法中忽略失效模式間聯(lián)系和對(duì)含多子系統(tǒng)或元件的系統(tǒng)很難分析的缺點(diǎn)。

為充分考慮有關(guān)故障間的直接、間接關(guān)系及其嚴(yán)重程度，在進(jìn)行FMECA之后采用DEMATEL方法來排列協(xié)調(diào)器各故障的順序。

設(shè)協(xié)調(diào)器故障模式與故障原因共有n個(gè)因素，它們之間相互聯(lián)系、相互影響。由n個(gè)因素的關(guān)系值可以得到一個(gè)n×n的直接關(guān)系矩陣M，此矩陣作為DEMATEL分析的原始數(shù)據(jù)。

式（7）中：M是一個(gè)n×n階矩陣，由mij組成。mij代表因素Di對(duì)因素Dj的影響程度。M的所有主對(duì)角線元素mii都為0。

設(shè)M的標(biāo)準(zhǔn)化矩陣X，可以通過下式得出：

得到X矩陣后，由于矩陣X也是M的規(guī)范化版本。DIRSM是由因素間直接和間接關(guān)系組成的總關(guān)系矩陣T，可以通過下式獲得

式（10）中：T是DIRSM；I是單位矩陣。

通過公式（10）的計(jì)算，矩陣T中各節(jié)點(diǎn)與其它節(jié)點(diǎn)的影響程度值被相乘并累加，而在相乘時(shí)通過矩陣的性質(zhì)，即矩陣某一行乘以對(duì)應(yīng)列，這樣剛好是兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而就獲得了兩節(jié)點(diǎn)間的影響程度值。矩陣T包含了直接聯(lián)系和間接聯(lián)系在內(nèi)的節(jié)點(diǎn)間的所有聯(lián)系。一般情況下，tij＞0，意味著節(jié)點(diǎn)i對(duì)節(jié)點(diǎn)j有著程度為tij的直接或間接的影響。矩陣T中可得出一些原本不存在直接聯(lián)系的節(jié)點(diǎn)間因間接路徑所獲得的影響。

將行和、列和分別用向量R和向量C代表，可由式（11）-（13）得到。

計(jì)算出各節(jié)點(diǎn)的R值和C值后，通過計(jì)算水平軸向量（R＋C）和縱軸向量為（R－C）的值來確定故障模式之間的聯(lián)系程度和影響程度。（R＋C）值表明了與其他故障模式的聯(lián)系程度，其值越大，此故障模式與其他故障模式的聯(lián)系越深；（R－C）值表明了對(duì)其他故障模式影響的嚴(yán)重程度，其值越大，此故障模式對(duì)其他故障模式影響的嚴(yán)重程度越高。通常，R－C值比R+C值均可作為故障模式優(yōu)先級(jí)排序的重要準(zhǔn)則。本文以（R＋C）值對(duì)故障模式排序，以（R－C）值對(duì)故障原因排序。

協(xié)調(diào)器FMECA分析可知，共有6種故障模式與7個(gè)故障原因，它們之間既相互聯(lián)系，又相互影響。將以上ICR計(jì)算結(jié)果為輸入，應(yīng)用DEMA?TEL方法分析協(xié)調(diào)器故障間關(guān)系，首先得到協(xié)調(diào)器的初始矩陣M如表4所示。

表4 協(xié)調(diào)器初始矩陣M

利用式（7）-（13）便可計(jì)算（R+C）值及（R-C）值，計(jì)算結(jié)果如表5、表6所示。

4 結(jié)果分析

針對(duì)某協(xié)調(diào)器的故障數(shù)據(jù)，將傳統(tǒng)危害度（CR）法、改進(jìn)危害度（ICR）法、DEMATEL法對(duì)協(xié)調(diào)器的故障模式及故障原因分別進(jìn)行排序，并進(jìn)行對(duì)比分析。協(xié)調(diào)器的故障模式排序結(jié)果對(duì)比分析如表5所示，故障原因排序結(jié)果對(duì)比分析如表6所示。

表5 故障模式排序?qū)Ρ缺?/p>

通過表5和表6，對(duì)于CR法、ICR法與DE? MATEL法這三種排序方法得到的排序結(jié)果可得以下結(jié)論。

（1）由表5中可知，傳統(tǒng)危害度CR的排序（按危害程度從大到小）為：FM1(FC2對(duì)應(yīng))= FM3、FM4、FM1（FC1對(duì)應(yīng)）、FM2（FC3對(duì)應(yīng)）=FM6、FM2（FC4對(duì)應(yīng)）、FM6（其中“＝”號(hào)表示危害程度相同），其中不同的故障模式具有相同的CR值，這些相同CR值的故障模式難以排序；而且同一故障模式具有不同的CR值；改進(jìn)危害度ICR的排序（按危害程度從大到小）為：FM4、FM3、FM1(FC2對(duì)應(yīng))、FM1（FC1對(duì)應(yīng)）、FM2（FC4對(duì)應(yīng)）、FM2（FC3對(duì)應(yīng)）、FM5、FM6，改進(jìn)危害度合理地整合了所有團(tuán)隊(duì)成員的評(píng)估值并且綜合了數(shù)據(jù)固有信息和專家的經(jīng)驗(yàn)判斷。盡可能地為每個(gè)因素分配不同的ICR。雖然做到了不同故障模式具有不同的CR值，不同故障模式排序明確，但同一故障模式仍然具有不同的確CR值。這兩種方法都會(huì)出現(xiàn)排序困難現(xiàn)象。

DEMATEL法的排序（按危害程度從大到小）為：FM1、FM2、FM4、FM3、FM6與FM5，它以ICR為輸入，具有改進(jìn)危害度所具有的全部?jī)?yōu)點(diǎn)，即合理地綜合所有團(tuán)隊(duì)成員的評(píng)估值，并且結(jié)合了數(shù)據(jù)固有信息和專家經(jīng)驗(yàn)判斷。能夠分析各種類因素間關(guān)系和影響嚴(yán)重程度，每個(gè)故障模式都分配一個(gè)單獨(dú)的R+C值，因而同種故障模式只有一個(gè)順序，排序明確。

（2）同樣由表6可知，三種排序方法按故障原因排序，存在同樣的特點(diǎn)和結(jié)論。

（3）由表5可知，DEMATEL法的故障模式排序中，協(xié)調(diào)器無動(dòng)作故障模式（FM1）具有最高的優(yōu)先順序，這是因?yàn)樵摴收夏Ｊ降墓收项l比數(shù)較高，且嚴(yán)重影響系統(tǒng)任務(wù)的完成。動(dòng)作困難（FM2）列第二位優(yōu)先順序，是由于它的故障模式比數(shù)最高引起的。因此，協(xié)調(diào)器生產(chǎn)和使用過程中應(yīng)該采用相關(guān)措施來降低故障率，裝備研制單位需要提高零件加工和裝配質(zhì)量，加強(qiáng)外購件質(zhì)量控制；部隊(duì)使用中定期對(duì)協(xié)調(diào)器檢查與維護(hù)保養(yǎng)，調(diào)整運(yùn)動(dòng)部件的間隙，及時(shí)緊固松動(dòng)部件。

（4）本文綜合運(yùn)用FMECA和DEMATEL方法，提出了協(xié)調(diào)器一套新的故障排序方法：即首

表6 故障原因排序?qū)Ρ缺?/p>

先進(jìn)行FMECA分析，然后計(jì)算改進(jìn)危害度，最后進(jìn)行以ICR為輸入的DEMATEL排序。該方法具有以下特點(diǎn)：使用群體決策方法來合理綜合各團(tuán)隊(duì)成員的評(píng)估值；使用熵權(quán)法確定權(quán)重，最大程度地為每個(gè)因素分配一個(gè)單獨(dú)的ICR值；用DEMA?TEL方法考慮故障間關(guān)系和嚴(yán)重程度。本方法也可用供輸彈機(jī)整系統(tǒng)的故障排序。

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第一作者簡(jiǎn)介：傅建平，男，1966年生，江蘇蘇州人，碩士，副教授。研究領(lǐng)域：火炮與自動(dòng)武器技術(shù)保障。已發(fā)表論文50篇。

(編輯：向 飛)

A New Method of Prioritizing Failures of Harmony Device Based on FMECA and DEMATEL Method

FU Jian-ping，MAO Zhi-jun，F(xiàn)ENG Guo-fei
（Department of Artillery Engineering，Ordnance Engineering College，Shijiazhuang050003，China）

The harmony device is one of important parts of auto-loading system，and its high reliability has been required.The priority analysis of failure modes and failure causes for harmony device has been made by failure，effect，and criticality analyses（FMECA）and Decision Making and Trial Evaluation Laboratory（DEMATEL）technique，with fully considering effect probability of failure mode uncertainty，difference of criticality contribution factors，and the links between the failure modes and effects of the harmony device.The weak of harmony device taches are found comparing with the conventional FMECA and improved criticality method.The research fruit can provide guidance for manufacture，structure improvement and servicing of harmony device.

harmony device；failure；FMECA；entropy weight；DEMATEL method

TJ8

A

1009－9492(2014)05－0096－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.05.024

2013－11－23