基于模糊綜合評價法的高加速度物流設備系統可靠性評價

孫偉琛，王成林，陳華婷

（北京物資學院，北京　101149）

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基于模糊綜合評價法的高加速度物流設備系統可靠性評價

孫偉琛，王成林，陳華婷

（北京物資學院，北京101149）

從設計可靠性、制造可靠性與使用可靠性三方面對物流設備系統可靠性進行了分析，篩選了高加速度物流設備系統可靠性指標，并進行了系統可靠性層次模型的構建。以堆垛機為例，通過模糊綜合評價法對高加速度條件運行下的堆垛機進行了綜合評價，驗證了模糊綜合評價法在高加速度物流設備系統可靠性評價中的適用性。

模糊綜合評價法；物流設備系統；可靠性評價；評價指標

1　引言

物流設備作為典型的機械設備產品，其大多是眾多學科交叉的高新技術的載體，能否保證產品在運行過程中的安全可靠是物流設備產品競爭的焦點，這種競爭主要體現為產品可靠性的競爭。因此在物流設備系統的設計與使用過程中，必須重視系統可靠性的評價。目前物流設備在物流企業中的應用需求逐漸增大，而我國物流設備的可靠性設計水平與國際先進水平相比還有很大差距，這已經成為制約我國行業發展的瓶頸。隨著物流業的快速發展，企業和政府更加清醒地認識到可靠性工程在物流設備系統設計與使用中的重要性。業界認為，當物流設備系統的行走加速度達到1.5m/s2時，在啟動與停止的過程中會產生很大的慣性力，需要驗證其結構是否符合強度要求。

2　高加速度物流設備系統可靠性特征分析

2.1物流設備系統的整體發展趨勢分析

物流設備是組織物流活動的物質技術基礎，體現著企業物流能力的大小。物流設備的使用極大地減輕了人們的勞動強度，提高了物流運作效率和服務質量，降低了物流成本，在物流作業中起著重要作用，極大地促進了物流的快速發展。當前我國物流設備的發展出現了大型化與高速化、實用化與輕型化、專用化與通用化、自動化與智能化、成套化與系統化以及綠色化的特點［1］。

2.2物流設備發展趨勢對可靠性影響分析

2.2.1大型化對可靠性的影響。物流設備的大型化包括物流設備尺寸大型化和設備承受載荷大型化。

物流設備承受載荷大型化會使得物流設備內部產生較大的應力、沖擊與振動，對物流設備可靠性產生影響。尺寸大型化帶來的另外一個問題是加工與制造困難。目前大尺寸的機械零件加工制造依然存在技術難度，國家標準對大尺寸機械零件加工精度沒有精確的規定。這就導致大型零件的加工精度無法保證，從而對物流設備系統可靠性產生不良影響。通過蒙特卡洛模擬法分析大尺寸零件間的裝配成功率可以發現，當零件尺寸變大時，裝配成功率處于很低的水平，導致系統裝配失敗，降低系統可靠性。具體如圖1所示。

圖1　裝配成功率隨基本尺寸變化關系

2.2.2復雜化對可靠性的影響。物流設備的復雜化主要包括結構、功能以及結構與系統之間關系的復雜化。結構的復雜化使得構成物流設備系統的元素種類和數量增多。由于各結構之間存在著載荷與能量的輸入輸出關系，導致結構之間產生可靠性和相關性，結構復雜化導致零部件可靠性之間出現了復雜的耦合關系。物流設備系統一般有多個功能，不同的物流設備還具有自身獨特的功能。功能的增加對物流設備系統完成多個功能的能力要求變高，從而降低了物流設備系統的可靠性。由于系統內存在結構與功能的耦合關系，因此物流設備系統可靠性不能簡單地表示為物流設備系統中所有零部件可靠性簡單地相加。由于系統中模塊可靠性對系統整體可靠性的影響與該模塊在系統中的結構地位等因素相關聯，不同模塊對系統可靠性的影響程度也不同。

2.2.3經濟性要求對可靠性的影響。物流設備的經濟性要求主要體現在價格要求低、維修成本低和壽命要求長等。

表1展示了不同力學性能工程材料的價格對比，可見力學性能較好的材料成本相對較高。物流設備系統的經濟性要求使得物流設備系統中模塊的設計與制造過程經常選擇一些經濟性很好但力學性能相對不佳的材料。在面對特殊的使用條件，如高加速度條件時，材料的力學性能不足會嚴重影響物流設備系統的模塊可靠性。

表1　常用不同力學性能工程材料價格

圖2顯示了不同加工精度下的零件加工成本。物流設備的低價格要求和大尺寸要求勢必帶來加工精度的降低，從而影響物流設備內部的裝配關系，直接導致物流設備裝配成功率低、傳遞誤差大，影響物流設備的可靠性。

圖2　不同加工精度下的零件加工成本

圖3顯示了不同加工精度下的系統裝配成功率。可見由于物流設備系統偏向于選用較低的精度進行加工制造，導致物流設備系統的裝配成功率較低，影響了物流設備系統的可靠性。

圖3　不同加工精度下滿足不同裝配要求的裝配成功率

2.2.4物流設備系統使用管理方式對可靠性的影響。物流設備系統的高效率要求使得目前物流設備系統的運行頻率、連續運行時間越來越高。在物流設備系統的使用過程中，經常采用多班、連續工作的方式提高物流設備系統的利用率，提高物流企業效率。但是物流設備系統運行頻率的升高會影響物流設備系統模塊承受載荷的變化，從而影響到模塊可靠性。同時，隨著物流業作業時間的降低與作業效率的提高，物流設備系統在工作過程中出現了越來越高的速度值與加速度值，且隨著作業周期的縮短，物流設備在高速與高加速度條件下運行的頻率也越來越高。

2.2.5工作環境對可靠性的影響。物流設備系統的工作環境也是影響其可靠性的重要因素。物流設備的工作環境經常處于開放與不穩定的狀態，環境溫度、濕度、光照等條件變化較大，對設備的運行產生不利影響。此外，環境還會對操作物流設備的工作人員產生影響，根據人機工程學理論，環境溫度和環境噪聲的變化會明顯影響工作人員的主觀感受，從而影響工作人員出錯率［2］。

2.2.6高速化與高加速度化對可靠性的影響。在高加速度物流設備工作過程中，由于高速化與高加速度化對物流設備系統所承受的載荷產生了影響，導致某些對普通物流設備影響不大或者無需考慮的因素對高加速度物流設備的影響變得顯著。

3　高加速度物流設備系統可靠性評價指標分析

物流設備系統可靠性的研究應是貫穿于產品全壽命周期的活動［3］。在產品的整個壽命周期中考慮可靠性問題有助于預見產品可能出現的缺陷、提高產品的經濟性與競爭力、更有效地利用資源與環境。

從整個壽命周期來看，產品的可靠性由固有可靠性和使用可靠性組成。固有可靠性包含設計可靠性與制造可靠性，是在產品設計、制造完成后確定的系統可靠性。使用可靠性則考慮在產品的使用過程中，由外部因素引起的系統使用與工作環境的變化，對系統可靠性產生的影響。

3.1設計可靠性指標分析

物流設備系統屬于復雜機械系統，一般可以選擇平均壽命（θ）、結構可靠度（R）來對設計可靠性進行評價。根據預估的設備失效模式，結構可靠度（R）還可劃分為強度可靠度、振動可靠度、疲勞可靠度等多種結構可靠度指標。

表2　設計可靠性指標及其含義

3.2制造可靠性指標分析

物流設備系統制造可靠性主要受加工設備和所制定工藝的影響，其指標主要包括工藝可靠度、工藝穩定性、裝配成功率。

表3　制造可靠性指標及其含義

3.3使用可靠性指標分析

使用可靠性主要代表產品在最終使用過程中，通過控制產品的使用環境、使用方式、維護方式與狀態監控等條件，保證產品最大限度達到設計時的可靠性水平。根據相似系統可靠性指標的選取以及人機工程學所考慮的人員因素，可以選擇設備維護有效性、使用環境穩定性、狀態監測可靠性、人員可靠性、管理規定可靠性等指標進行評價。

表4　使用可靠性指標

4　基于模塊分析的高加速度物流設備系統可靠性層次模型構建

對一個復雜系統來說，隨著對系統的分析逐漸詳細，系統的可靠性模型可以逐層展開［4］。根據全壽命周期可靠性分析理論，可以從設計可靠性、制造可靠性和使用可靠性三個方面對系統可靠性進行展開。設計可靠性和制造可靠性是由多個不同的機械模塊可靠性共同組成的，可以通過各模塊對設計可靠性與制造可靠性進行分析。使用可靠性主要研究的是使用過程中的環境因素、人員因素、設備維護因素等對設備可靠性的影響，其計算與機械結構基本無關。系統可靠性層次模型如圖4所示。

該層次模型中實線表達了設計可靠性的分析過程，點劃線表達了制造可靠性的分析過程，虛線表達了使用可靠性的分析過程。層次模型表達了設計可靠性和制造可靠性通過不同的模塊分別進行分析的過程。同時，該層次模型中的多對多關系也體現了模塊間互相聯系的邏輯關系，較為符合物流設備中各部件之間的耦合與影響關系。

5　基于模糊綜合評價法的高加速度堆垛機系統可靠性評價

堆垛機是一種常見的物流設備，主要在倉庫中完成貨物的搬運、堆垛等功能。目前隨著堆垛機在使用過程中運行速度與運行頻率的提高，堆垛機在運行中出現高加速度工況的情況也變得越來越普遍。通過對高速運行的堆垛機進行評價，驗證模糊評價法在物流設備系統可靠性評價中的適用性。

5.1堆垛機的可靠性影響因素與指標分析

堆垛機的系統可靠性主要由設計可靠性、制造可靠性與使用可靠性三部分構成。

設計可靠性與制造可靠性由各模塊的設計可靠性與制造可靠性構成，堆垛機經過模塊分解后，通過模塊設計可靠性分析結果進行分析計算與評價。根據結構分析，堆垛機可以分為支撐模塊、貨叉模塊、起升模塊和軌道模塊。使用可靠性由多方面因素組成，主要可以歸結為堆垛機的使用環境穩定性、狀態監測可靠性與人員可靠性等。

圖4　基于模塊分析的物流設備系統可靠性層次模型

根據堆垛機的組成，將堆垛機的固有可靠性指標通過模塊進行分配，從設計可靠性、制造可靠性、使用可靠性三個方面細化構建堆垛機的可靠性評價層次模型，具體如圖5所示。

圖5　堆垛機系統可靠性評價層次模型

5.2層次分析法確定各指標權重

通過層次分析法定量計算堆垛機的可靠性指標對系統可靠性的影響權值，根據5位專家對各模塊的影響重要性程度進行打分，分析得到的權值表見表5。

表5　各指標對系統可靠性影響權值

構造可靠性影響權值向量：

通過ANSYS分析出各模塊在各影響因素水平下的力學性能，并通過Isight軟件集成Matlab軟件進行蒙特卡洛模擬分析，計算各模塊的結構可靠性可靠度指標。根據各模塊設計可靠性計算結果及使用可靠性指標分析結果，可以得到各指標可靠性數據見表6。

表6　各指標可靠性數據

各指標可靠性向量R：

堆垛機系統可靠性評價結果：

5.3根據最大隸屬度原則進行可靠性模糊評價

將模糊評價的等級分為五個等級，分別為低、較低、一般、較高、高。三角型隸屬度函數結構簡單，在機械設備的可靠性評價中較為準確，使用三角型隸屬度函數對堆垛機可靠性進行模糊評價，構建的三角型隸屬度函數見式（2）。

如式（2），可靠性對每個等級的隸屬度由 μi（x）（i=1，2，3，4，5）進行衡量，構建隸屬度向量U：

通過隸屬度函數可以計算系統可靠度對各評價級別的隸屬度：

根據最大隸屬度原則，由第4評價等級隸屬度最大（0.904 8）可以確認堆垛機的模糊評價等級為“較高”。

6　結論

本文從全壽命周期的角度對物流設備系統的可靠性進行了研究。從設計可靠性、制造可靠性、使用可靠性三個方面對物流設備系統可靠性進行了分析，構建物流設備系統可靠性層次模型，并通過使用層次分析法與模糊評價法對物流設備系統進行模糊綜合評價。通過實例分析，驗證了模糊綜合評價法在物流設備系統可靠性評價工作中的適用性，為物流設備系統可靠性評價提供了一種較為清晰合理的方法與思路。

［1］孫軍，宋軍，馮武田，張曉磊.高速高加速巷道堆垛機結構強度研究分析［J］.組合機床與自動化加工技術，2008，（12）：12-16.

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［3］王武宏.人機系統可靠性分析的發展［J］.系統工程學報，1998，13（1）.

［4］張義民，孫志禮.機械產品的可靠性大綱［J］.機械工程學報，2014，（14）：14-20.

［5］武小悅.復雜關聯系統的可靠性建模與分析［D］.長沙：中國人民解放軍國防科學技術大學，2000.

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［7］王磊.物流中心搬運系統可靠性分析與評價［D］.成都：西南交通大學，2009.

Reliability Evaluation of High-acceleration Logistics Equipment System Based on Fuzzy Comprehensive Evaluation

Sun Weichen， Wang Chenglin， Chen Huating
（Beijing Wuzi University， Beijing 101149， China）

In this paper， we analyzed the design reliability， manufacture reliability and utilization reliability of a logistics equipment system， filtered the reliability indexes of the high-acceleration logistics equipment system， established the corresponding hierarchical model，and at the end， in the case of the stacking machine， demonstrated the applicability of the fuzzy comprehensive evaluation process in the reliability evaluation of the high-acceleration logistics equipment system.

fuzzy comprehensive evaluation； logistics equipment system； reliability evaluation； evaluation index

F252；F224

A

1005-152X（2016）01-0038-04

10.3969/j.issn.1005-152X.2016.01.011

2015-11-17

北京市教育委員會科研成果轉化專項基金（0351504501）；國家自然基金“轉子部件超高穩態加速度承載條件下動態特性優化研究”（51205027）

孫偉琛（1993-），男，安徽蒙城人，碩士，主要研究方向：管理科學與工程；王成林（1979-），男，黑龍江牡丹江人，博士，教授，主要研究方向：物流系統規劃設計；陳華婷（1993-），女，吉林德惠人，主要研究方向：物流工程。