孫偉琛，王成林，陳華婷

（北京物資學(xué)院，北京　101149）

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基于模糊綜合評(píng)價(jià)法的高加速度物流設(shè)備系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)

孫偉琛，王成林，陳華婷

（北京物資學(xué)院，北京101149）

從設(shè)計(jì)可靠性、制造可靠性與使用可靠性三方面對(duì)物流設(shè)備系統(tǒng)可靠性進(jìn)行了分析，篩選了高加速度物流設(shè)備系統(tǒng)可靠性指標(biāo)，并進(jìn)行了系統(tǒng)可靠性層次模型的構(gòu)建。以堆垛機(jī)為例，通過模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)高加速度條件運(yùn)行下的堆垛機(jī)進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，驗(yàn)證了模糊綜合評(píng)價(jià)法在高加速度物流設(shè)備系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)中的適用性。

模糊綜合評(píng)價(jià)法；物流設(shè)備系統(tǒng)；可靠性評(píng)價(jià)；評(píng)價(jià)指標(biāo)

1　引言

物流設(shè)備作為典型的機(jī)械設(shè)備產(chǎn)品，其大多是眾多學(xué)科交叉的高新技術(shù)的載體，能否保證產(chǎn)品在運(yùn)行過程中的安全可靠是物流設(shè)備產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)，這種競(jìng)爭(zhēng)主要體現(xiàn)為產(chǎn)品可靠性的競(jìng)爭(zhēng)。因此在物流設(shè)備系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與使用過程中，必須重視系統(tǒng)可靠性的評(píng)價(jià)。目前物流設(shè)備在物流企業(yè)中的應(yīng)用需求逐漸增大，而我國(guó)物流設(shè)備的可靠性設(shè)計(jì)水平與國(guó)際先進(jìn)水平相比還有很大差距，這已經(jīng)成為制約我國(guó)行業(yè)發(fā)展的瓶頸。隨著物流業(yè)的快速發(fā)展，企業(yè)和政府更加清醒地認(rèn)識(shí)到可靠性工程在物流設(shè)備系統(tǒng)設(shè)計(jì)與使用中的重要性。業(yè)界認(rèn)為，當(dāng)物流設(shè)備系統(tǒng)的行走加速度達(dá)到1.5m/s2時(shí)，在啟動(dòng)與停止的過程中會(huì)產(chǎn)生很大的慣性力，需要驗(yàn)證其結(jié)構(gòu)是否符合強(qiáng)度要求。

2　高加速度物流設(shè)備系統(tǒng)可靠性特征分析

2.1物流設(shè)備系統(tǒng)的整體發(fā)展趨勢(shì)分析

物流設(shè)備是組織物流活動(dòng)的物質(zhì)技術(shù)基礎(chǔ)，體現(xiàn)著企業(yè)物流能力的大小。物流設(shè)備的使用極大地減輕了人們的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了物流運(yùn)作效率和服務(wù)質(zhì)量，降低了物流成本，在物流作業(yè)中起著重要作用，極大地促進(jìn)了物流的快速發(fā)展。當(dāng)前我國(guó)物流設(shè)備的發(fā)展出現(xiàn)了大型化與高速化、實(shí)用化與輕型化、專用化與通用化、自動(dòng)化與智能化、成套化與系統(tǒng)化以及綠色化的特點(diǎn)［1］。

2.2物流設(shè)備發(fā)展趨勢(shì)對(duì)可靠性影響分析

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

物流設(shè)備承受載荷大型化會(huì)使得物流設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生較大的應(yīng)力、沖擊與振動(dòng)，對(duì)物流設(shè)備可靠性產(chǎn)生影響。尺寸大型化帶來的另外一個(gè)問題是加工與制造困難。目前大尺寸的機(jī)械零件加工制造依然存在技術(shù)難度，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)大尺寸機(jī)械零件加工精度沒有精確的規(guī)定。這就導(dǎo)致大型零件的加工精度無法保證，從而對(duì)物流設(shè)備系統(tǒng)可靠性產(chǎn)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(fā)現(xiàn)，當(dāng)零件尺寸變大時(shí)，裝配成功率處于很低的水平，導(dǎo)致系統(tǒng)裝配失敗，降低系統(tǒng)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(guān)系

2.2.2復(fù)雜化對(duì)可靠性的影響。物流設(shè)備的復(fù)雜化主要包括結(jié)構(gòu)、功能以及結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)之間關(guān)系的復(fù)雜化。結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化使得構(gòu)成物流設(shè)備系統(tǒng)的元素種類和數(shù)量增多。由于各結(jié)構(gòu)之間存在著載荷與能量的輸入輸出關(guān)系，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)之間產(chǎn)生可靠性和相關(guān)性，結(jié)構(gòu)復(fù)雜化導(dǎo)致零部件可靠性之間出現(xiàn)了復(fù)雜的耦合關(guān)系。物流設(shè)備系統(tǒng)一般有多個(gè)功能，不同的物流設(shè)備還具有自身獨(dú)特的功能。功能的增加對(duì)物流設(shè)備系統(tǒng)完成多個(gè)功能的能力要求變高，從而降低了物流設(shè)備系統(tǒng)的可靠性。由于系統(tǒng)內(nèi)存在結(jié)構(gòu)與功能的耦合關(guān)系，因此物流設(shè)備系統(tǒng)可靠性不能簡(jiǎn)單地表示為物流設(shè)備系統(tǒng)中所有零部件可靠性簡(jiǎn)單地相加。由于系統(tǒng)中模塊可靠性對(duì)系統(tǒng)整體可靠性的影響與該模塊在系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)地位等因素相關(guān)聯(lián)，不同模塊對(duì)系統(tǒng)可靠性的影響程度也不同。

2.2.3經(jīng)濟(jì)性要求對(duì)可靠性的影響。物流設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性要求主要體現(xiàn)在價(jià)格要求低、維修成本低和壽命要求長(zhǎng)等。

表1展示了不同力學(xué)性能工程材料的價(jià)格對(duì)比，可見力學(xué)性能較好的材料成本相對(duì)較高。物流設(shè)備系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性要求使得物流設(shè)備系統(tǒng)中模塊的設(shè)計(jì)與制造過程經(jīng)常選擇一些經(jīng)濟(jì)性很好但力學(xué)性能相對(duì)不佳的材料。在面對(duì)特殊的使用條件，如高加速度條件時(shí)，材料的力學(xué)性能不足會(huì)嚴(yán)重影響物流設(shè)備系統(tǒng)的模塊可靠性。

表1　常用不同力學(xué)性能工程材料價(jià)格

圖2顯示了不同加工精度下的零件加工成本。物流設(shè)備的低價(jià)格要求和大尺寸要求勢(shì)必帶來加工精度的降低，從而影響物流設(shè)備內(nèi)部的裝配關(guān)系，直接導(dǎo)致物流設(shè)備裝配成功率低、傳遞誤差大，影響物流設(shè)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(tǒng)裝配成功率。可見由于物流設(shè)備系統(tǒng)偏向于選用較低的精度進(jìn)行加工制造，導(dǎo)致物流設(shè)備系統(tǒng)的裝配成功率較低，影響了物流設(shè)備系統(tǒng)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(shè)備系統(tǒng)使用管理方式對(duì)可靠性的影響。物流設(shè)備系統(tǒng)的高效率要求使得目前物流設(shè)備系統(tǒng)的運(yùn)行頻率、連續(xù)運(yùn)行時(shí)間越來越高。在物流設(shè)備系統(tǒng)的使用過程中，經(jīng)常采用多班、連續(xù)工作的方式提高物流設(shè)備系統(tǒng)的利用率，提高物流企業(yè)效率。但是物流設(shè)備系統(tǒng)運(yùn)行頻率的升高會(huì)影響物流設(shè)備系統(tǒng)模塊承受載荷的變化，從而影響到模塊可靠性。同時(shí)，隨著物流業(yè)作業(yè)時(shí)間的降低與作業(yè)效率的提高，物流設(shè)備系統(tǒng)在工作過程中出現(xiàn)了越來越高的速度值與加速度值，且隨著作業(yè)周期的縮短，物流設(shè)備在高速與高加速度條件下運(yùn)行的頻率也越來越高。

2.2.5工作環(huán)境對(duì)可靠性的影響。物流設(shè)備系統(tǒng)的工作環(huán)境也是影響其可靠性的重要因素。物流設(shè)備的工作環(huán)境經(jīng)常處于開放與不穩(wěn)定的狀態(tài)，環(huán)境溫度、濕度、光照等條件變化較大，對(duì)設(shè)備的運(yùn)行產(chǎn)生不利影響。此外，環(huán)境還會(huì)對(duì)操作物流設(shè)備的工作人員產(chǎn)生影響，根據(jù)人機(jī)工程學(xué)理論，環(huán)境溫度和環(huán)境噪聲的變化會(huì)明顯影響工作人員的主觀感受，從而影響工作人員出錯(cuò)率［2］。

2.2.6高速化與高加速度化對(duì)可靠性的影響。在高加速度物流設(shè)備工作過程中，由于高速化與高加速度化對(duì)物流設(shè)備系統(tǒng)所承受的載荷產(chǎn)生了影響，導(dǎo)致某些對(duì)普通物流設(shè)備影響不大或者無需考慮的因素對(duì)高加速度物流設(shè)備的影響變得顯著。

3　高加速度物流設(shè)備系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)分析

物流設(shè)備系統(tǒng)可靠性的研究應(yīng)是貫穿于產(chǎn)品全壽命周期的活動(dòng)［3］。在產(chǎn)品的整個(gè)壽命周期中考慮可靠性問題有助于預(yù)見產(chǎn)品可能出現(xiàn)的缺陷、提高產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)性與競(jìng)爭(zhēng)力、更有效地利用資源與環(huán)境。

從整個(gè)壽命周期來看，產(chǎn)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(shè)計(jì)可靠性與制造可靠性，是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造完成后確定的系統(tǒng)可靠性。使用可靠性則考慮在產(chǎn)品的使用過程中，由外部因素引起的系統(tǒng)使用與工作環(huán)境的變化，對(duì)系統(tǒng)可靠性產(chǎn)生的影響。

3.1設(shè)計(jì)可靠性指標(biāo)分析

物流設(shè)備系統(tǒng)屬于復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)，一般可以選擇平均壽命（θ）、結(jié)構(gòu)可靠度（R）來對(duì)設(shè)計(jì)可靠性進(jìn)行評(píng)價(jià)。根據(jù)預(yù)估的設(shè)備失效模式，結(jié)構(gòu)可靠度（R）還可劃分為強(qiáng)度可靠度、振動(dòng)可靠度、疲勞可靠度等多種結(jié)構(gòu)可靠度指標(biāo)。

表2　設(shè)計(jì)可靠性指標(biāo)及其含義

3.2制造可靠性指標(biāo)分析

物流設(shè)備系統(tǒng)制造可靠性主要受加工設(shè)備和所制定工藝的影響，其指標(biāo)主要包括工藝可靠度、工藝穩(wěn)定性、裝配成功率。

表3　制造可靠性指標(biāo)及其含義

3.3使用可靠性指標(biāo)分析

使用可靠性主要代表產(chǎn)品在最終使用過程中，通過控制產(chǎn)品的使用環(huán)境、使用方式、維護(hù)方式與狀態(tài)監(jiān)控等條件，保證產(chǎn)品最大限度達(dá)到設(shè)計(jì)時(shí)的可靠性水平。根據(jù)相似系統(tǒng)可靠性指標(biāo)的選取以及人機(jī)工程學(xué)所考慮的人員因素，可以選擇設(shè)備維護(hù)有效性、使用環(huán)境穩(wěn)定性、狀態(tài)監(jiān)測(cè)可靠性、人員可靠性、管理規(guī)定可靠性等指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

表4　使用可靠性指標(biāo)

4　基于模塊分析的高加速度物流設(shè)備系統(tǒng)可靠性層次模型構(gòu)建

對(duì)一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)來說，隨著對(duì)系統(tǒng)的分析逐漸詳細(xì)，系統(tǒng)的可靠性模型可以逐層展開［4］。根據(jù)全壽命周期可靠性分析理論，可以從設(shè)計(jì)可靠性、制造可靠性和使用可靠性三個(gè)方面對(duì)系統(tǒng)可靠性進(jìn)行展開。設(shè)計(jì)可靠性和制造可靠性是由多個(gè)不同的機(jī)械模塊可靠性共同組成的，可以通過各模塊對(duì)設(shè)計(jì)可靠性與制造可靠性進(jìn)行分析。使用可靠性主要研究的是使用過程中的環(huán)境因素、人員因素、設(shè)備維護(hù)因素等對(duì)設(shè)備可靠性的影響，其計(jì)算與機(jī)械結(jié)構(gòu)基本無關(guān)。系統(tǒng)可靠性層次模型如圖4所示。

該層次模型中實(shí)線表達(dá)了設(shè)計(jì)可靠性的分析過程，點(diǎn)劃線表達(dá)了制造可靠性的分析過程，虛線表達(dá)了使用可靠性的分析過程。層次模型表達(dá)了設(shè)計(jì)可靠性和制造可靠性通過不同的模塊分別進(jìn)行分析的過程。同時(shí)，該層次模型中的多對(duì)多關(guān)系也體現(xiàn)了模塊間互相聯(lián)系的邏輯關(guān)系，較為符合物流設(shè)備中各部件之間的耦合與影響關(guān)系。

5　基于模糊綜合評(píng)價(jià)法的高加速度堆垛機(jī)系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)

堆垛機(jī)是一種常見的物流設(shè)備，主要在倉(cāng)庫(kù)中完成貨物的搬運(yùn)、堆垛等功能。目前隨著堆垛機(jī)在使用過程中運(yùn)行速度與運(yùn)行頻率的提高，堆垛機(jī)在運(yùn)行中出現(xiàn)高加速度工況的情況也變得越來越普遍。通過對(duì)高速運(yùn)行的堆垛機(jī)進(jìn)行評(píng)價(jià)，驗(yàn)證模糊評(píng)價(jià)法在物流設(shè)備系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)中的適用性。

5.1堆垛機(jī)的可靠性影響因素與指標(biāo)分析

堆垛機(jī)的系統(tǒng)可靠性主要由設(shè)計(jì)可靠性、制造可靠性與使用可靠性三部分構(gòu)成。

設(shè)計(jì)可靠性與制造可靠性由各模塊的設(shè)計(jì)可靠性與制造可靠性構(gòu)成，堆垛機(jī)經(jīng)過模塊分解后，通過模塊設(shè)計(jì)可靠性分析結(jié)果進(jìn)行分析計(jì)算與評(píng)價(jià)。根據(jù)結(jié)構(gòu)分析，堆垛機(jī)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(jié)為堆垛機(jī)的使用環(huán)境穩(wěn)定性、狀態(tài)監(jiān)測(cè)可靠性與人員可靠性等。

圖4　基于模塊分析的物流設(shè)備系統(tǒng)可靠性層次模型

根據(jù)堆垛機(jī)的組成，將堆垛機(jī)的固有可靠性指標(biāo)通過模塊進(jìn)行分配，從設(shè)計(jì)可靠性、制造可靠性、使用可靠性三個(gè)方面細(xì)化構(gòu)建堆垛機(jī)的可靠性評(píng)價(jià)層次模型，具體如圖5所示。

圖5　堆垛機(jī)系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)層次模型

5.2層次分析法確定各指標(biāo)權(quán)重

通過層次分析法定量計(jì)算堆垛機(jī)的可靠性指標(biāo)對(duì)系統(tǒng)可靠性的影響權(quán)值，根據(jù)5位專家對(duì)各模塊的影響重要性程度進(jìn)行打分，分析得到的權(quán)值表見表5。

表5　各指標(biāo)對(duì)系統(tǒng)可靠性影響權(quán)值

構(gòu)造可靠性影響權(quán)值向量：

通過ANSYS分析出各模塊在各影響因素水平下的力學(xué)性能，并通過Isight軟件集成Matlab軟件進(jìn)行蒙特卡洛模擬分析，計(jì)算各模塊的結(jié)構(gòu)可靠性可靠度指標(biāo)。根據(jù)各模塊設(shè)計(jì)可靠性計(jì)算結(jié)果及使用可靠性指標(biāo)分析結(jié)果，可以得到各指標(biāo)可靠性數(shù)據(jù)見表6。

表6　各指標(biāo)可靠性數(shù)據(jù)

各指標(biāo)可靠性向量R：

堆垛機(jī)系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)結(jié)果：

5.3根據(jù)最大隸屬度原則進(jìn)行可靠性模糊評(píng)價(jià)

將模糊評(píng)價(jià)的等級(jí)分為五個(gè)等級(jí)，分別為低、較低、一般、較高、高。三角型隸屬度函數(shù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在機(jī)械設(shè)備的可靠性評(píng)價(jià)中較為準(zhǔn)確，使用三角型隸屬度函數(shù)對(duì)堆垛機(jī)可靠性進(jìn)行模糊評(píng)價(jià)，構(gòu)建的三角型隸屬度函數(shù)見式（2）。

如式（2），可靠性對(duì)每個(gè)等級(jí)的隸屬度由 μi（x）（i=1，2，3，4，5）進(jìn)行衡量，構(gòu)建隸屬度向量U：

通過隸屬度函數(shù)可以計(jì)算系統(tǒng)可靠度對(duì)各評(píng)價(jià)級(jí)別的隸屬度：

根據(jù)最大隸屬度原則，由第4評(píng)價(jià)等級(jí)隸屬度最大（0.904 8）可以確認(rèn)堆垛機(jī)的模糊評(píng)價(jià)等級(jí)為“較高”。

6　結(jié)論

本文從全壽命周期的角度對(duì)物流設(shè)備系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行了研究。從設(shè)計(jì)可靠性、制造可靠性、使用可靠性三個(gè)方面對(duì)物流設(shè)備系統(tǒng)可靠性進(jìn)行了分析，構(gòu)建物流設(shè)備系統(tǒng)可靠性層次模型，并通過使用層次分析法與模糊評(píng)價(jià)法對(duì)物流設(shè)備系統(tǒng)進(jìn)行模糊綜合評(píng)價(jià)。通過實(shí)例分析，驗(yàn)證了模糊綜合評(píng)價(jià)法在物流設(shè)備系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)工作中的適用性，為物流設(shè)備系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)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(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度研究分析［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2008，（12）：12-16.

［2］薛立立.我國(guó)物流設(shè)備發(fā)展趨勢(shì)［J］.科技視界，2015，（3）.

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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(huì)科研成果轉(zhuǎn)化專項(xiàng)基金（0351504501）；國(guó)家自然基金“轉(zhuǎn)子部件超高穩(wěn)態(tài)加速度承載條件下動(dòng)態(tài)特性優(yōu)化研究”（51205027）

孫偉?。?993-），男，安徽蒙城人，碩士，主要研究方向：管理科學(xué)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(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)；陳華婷（1993-），女，吉林德惠人，主要研究方向：物流工程。