胡寧，張?zhí)那?，王鐿涵，吳凡

（1.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 511370；2.工業(yè)裝備質(zhì)量大數(shù)據(jù)工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 511370）

0 引言

船舶減速器是船舶的關(guān)鍵傳動(dòng)裝置，在船舶動(dòng)力系統(tǒng)中起到重要的作用，減速器一旦故障就將導(dǎo)致船舶動(dòng)力系統(tǒng)癱瘓，造成不可估量的損失。因此，對(duì)減速器的失效進(jìn)行全面的風(fēng)險(xiǎn)分析，采取相應(yīng)的預(yù)防措施對(duì)于提高船舶整體的安全性與可靠性具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前針對(duì)產(chǎn)品的失效風(fēng)險(xiǎn)分析主要是通過故障模式及影響分析（FMEA：Failure Mode and Effect Analysis）的方法實(shí)現(xiàn)的[1]。FMEA能夠確定產(chǎn)品的失效邏輯關(guān)系，但在風(fēng)險(xiǎn)分析中存在主觀性強(qiáng)、無法準(zhǔn)確地評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先等級(jí)等缺點(diǎn)，可能導(dǎo)致減速器維修決策的誤判，造成維修資源配置不合理，增加運(yùn)維的時(shí)間成本和人力成本。

船舶減速器的故障維修方案眾多，例如：更換零件、增加檢查頻率和再改造等。不同的方案在成本、技術(shù)難度和實(shí)施效果方面存在較大的差異，因此需要明確減速器故障模式的維修重要度排序，提供科學(xué)合理的決策依據(jù)。

Hassan S F針對(duì)船舶發(fā)動(dòng)機(jī)變速箱軸和離合器軸開展了故障分析，提出了減速器強(qiáng)度材料采用深度淬火熱處理，選用較低硬度的合金鋼做離合器軸，并定期檢查和維護(hù)等措施[2]。江瑞等[3]針對(duì)減速器的故障，結(jié)合實(shí)際的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行了FMEA，確定了故障影響因素。根據(jù)實(shí)際的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和故障統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，提出了高效的故障解決方案。張淵博等[4]針對(duì)減速器進(jìn)行了FMEA，提出了促進(jìn)風(fēng)機(jī)減速器正常運(yùn)行的若干措施。孫曉偉[5]在統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上對(duì)減速器的主要結(jié)構(gòu)件進(jìn)行了FMECA，確定了減速器故障模式危害性次序，探討了減速器的運(yùn)行維護(hù)和故障防范措施。

目前針對(duì)減速器做FMEA的學(xué)術(shù)研究較少，僅停留在采取傳統(tǒng)的FMEA流程找出潛在的故障模式并確定風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，從而給出解決措施。然而減速器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在故障模式風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)相同或風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)與實(shí)際不符的情況，致使解決措施未能及時(shí)、有效地處理故障。因此，需要對(duì)傳統(tǒng)FMEA的流程加以改進(jìn)。

本文針對(duì)這一痛點(diǎn)問題在FMEA的基礎(chǔ)上引入層次分析法對(duì)船舶減速器風(fēng)險(xiǎn)分析中的風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先等級(jí)（RPN）進(jìn)行修正性改進(jìn)，針對(duì)船舶減速器的典型故障模式實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)定量化分析，減少RPN誤判造成的不良后果，為船舶減速器提供科學(xué)的維修指導(dǎo)。

1 基于層次分析法的減速器FMEA

1.1 FMEA

FMEA是質(zhì)量可靠性設(shè)計(jì)分析的重要工具之一。自20世紀(jì)40年代被首次應(yīng)用以來，已在汽車、醫(yī)療、電子和航空航天等領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用，是保證產(chǎn)品高可靠性、安全性，提高用戶滿意度的重要工具。FMEA旨在分析產(chǎn)品或項(xiàng)目可能產(chǎn)生的故障模式、原因和影響，其核心在于按照不同層級(jí)故障模式的嚴(yán)重程度（S）、探測度（D）和頻度（O）進(jìn)行整體風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[6]。從而找出產(chǎn)品的薄弱環(huán)節(jié)，采取適當(dāng)?shù)募m正措施，提高產(chǎn)品的質(zhì)量可靠性。

傳統(tǒng)的FMEA通過將S、O和D 3項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的乘積RPN作為風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，而美國汽車工業(yè)行動(dòng)小組（AIAG：Auto Industry Action Group）和德國汽車工業(yè)協(xié)會(huì)（VDA：Verband der Automobilindustrie）聯(lián)合發(fā)布的新版FMEA標(biāo)準(zhǔn)中采取行動(dòng)優(yōu)先級(jí)（AP）值評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)水平。但上述兩種方式無法避免不同的故障模式出現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)數(shù)值相同或接近的情況，這樣會(huì)導(dǎo)致故障模式的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)模糊，甚至造成分析結(jié)果與實(shí)際的產(chǎn)品需求或事實(shí)不符合的情況。此外，F(xiàn)MEA的S、O、D數(shù)值確定源自專家評(píng)分，難以避免帶有主觀色彩。因而，采用客觀合理的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)值來降低FMEA的主觀性是非常重要的。

1.2 層次分析法

a）層次分析法概念

層次分析法是系統(tǒng)分析與決策中將與決策有關(guān)的元素分解成目標(biāo)、準(zhǔn)則和方案等層次，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行定性和定量分析的決策方法。通過建立決策系統(tǒng)的層級(jí)結(jié)構(gòu)、構(gòu)造兩兩因素的比較決策矩陣，以及計(jì)算要素權(quán)重等方法得到屬性或因素的重要度排序。

b）決策矩陣

層次分析法的決策矩陣是求解元素之間相對(duì)準(zhǔn)則重要性（即權(quán)重）問題的依據(jù)，是屬性值和準(zhǔn)則這兩個(gè)要素的基礎(chǔ)。設(shè)aij表示元素i和j相對(duì)于準(zhǔn)則的重要度的比例標(biāo)度，即：

aij的標(biāo)度取值范圍如表1所示。

表1 決策矩陣的標(biāo)度取值

則對(duì)于n個(gè)元素而言，可得兩兩元素之間的決策矩陣A=（aij）n×n，構(gòu)造矩陣格式為：

c）權(quán)重計(jì)算和一致性檢驗(yàn)

權(quán)重計(jì)算是將二維數(shù)組的決策矩陣轉(zhuǎn)換成一維權(quán)重?cái)?shù)組的過程，其實(shí)質(zhì)為計(jì)算決策矩陣的最大特征根和特征向量λ。各層級(jí)相對(duì)權(quán)重的計(jì)算需根據(jù)決策矩陣A=（aij）n×n來求出元素對(duì)于上一層因素的相對(duì)權(quán)重向量W=（w1，w2，……，wn）T。一致性檢驗(yàn)采用一致性比率CR值作為判定指標(biāo)，若CR＜0.1，則認(rèn)為決策矩陣的一致性是可以接受的；否則認(rèn)為決策矩陣的一致性是不能接受的。CR的計(jì)算公式為CR=CI/RI，其中，CI為一致性指標(biāo)，CI=（λ-n）/（n-1）；RI為隨機(jī)一致性指標(biāo)，RI隨維度n變化，n與RI值的關(guān)系如表2所示[7]。

表2 隨機(jī)一致性指標(biāo)RI取值

1.3 基于層次分析法的FMEA方法

針對(duì)傳統(tǒng)FMEA方法在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估方面的不足之處，本文在FMEA方法的基礎(chǔ)上結(jié)合層次分析法對(duì)RPN進(jìn)行了修正。考慮故障模式涉及的各個(gè)方面，進(jìn)一步地綜合各種因素來對(duì)故障模式進(jìn)行評(píng)價(jià)、排序和制定糾正措施，提供定量計(jì)算故障風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的方法。

改進(jìn)FMEA方法的流程圖如圖1所示，通過FMEA進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析，得到分析對(duì)象的RPN。采用層次分析法分析得出故障模式的影響因素對(duì)應(yīng)的權(quán)重wi以修正RPN，引入RPN'=RPN×wi作為修正的RPN，得到更加精確的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估方式。

圖1 修正風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先等級(jí)流程

2 案例介紹

為了驗(yàn)證上文所提方法的實(shí)用性，本文對(duì)某船舶減速器進(jìn)行故障模式風(fēng)險(xiǎn)分析。針對(duì)船舶減速器的各個(gè)系統(tǒng)部件，分析各個(gè)關(guān)鍵零部件故障對(duì)整體船舶減速器系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和安全性等方面的影響、潛在的風(fēng)險(xiǎn)和帶來的損害，研究故障模式的RPN。

應(yīng)用FMEA方法對(duì)船舶減速器進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，可知減速器由齒輪結(jié)構(gòu)、軸承系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)和固定結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵部分組成。減速器常見的故障模式有漏油/油壓過低、油溫異常、齒輪嚙合狀態(tài)不佳、軸承損壞和箱體振動(dòng)異常等。以上述5種故障模式構(gòu)建的減速器FMEA分析簡圖如表3所示。

表3 某船舶減速器FMEA分析簡圖

通過FMEA可找出缺陷和薄弱環(huán)節(jié)，并采取相應(yīng)的措施改善。影響改善措施實(shí)施的因素主要包含技術(shù)可行性、經(jīng)濟(jì)性和故障模式重要度，而RPN的大小對(duì)于采取何種改善措施起主導(dǎo)作用。從表3中可知，漏油/油壓過低＞齒輪嚙合狀態(tài)不佳=箱體振動(dòng)異常＞油溫異常＞軸承損壞。其中，軸承損壞的危害性最高，但風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)系數(shù)較低，且箱體振動(dòng)異常與齒輪嚙合狀態(tài)差的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)相同，這與實(shí)際情況存在差異，因此無法準(zhǔn)確地描述出故障模式風(fēng)險(xiǎn)排序，將影響最終的維修策略。

為了準(zhǔn)確地判斷各個(gè)失效的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)排序，采用基于層次分析法改進(jìn)的FMEA方法對(duì)船舶減速器的故障模式風(fēng)險(xiǎn)重新評(píng)估。

針對(duì)船舶減速器的典型故障模式，結(jié)合船舶減速箱的故障維修時(shí)長數(shù)據(jù)和專家參照表1評(píng)分細(xì)則所得的評(píng)分，給出如表4所示的決策矩陣。

表4 船舶減速器故障模式?jīng)Q策矩陣

通過計(jì)算決策矩陣對(duì)應(yīng)的特征向量，獲得各種故障模式對(duì)應(yīng)的權(quán)重為W=（0.281 8，0.413 2，0.066 2，0.131 8，0.1069）T。經(jīng)驗(yàn)算CR=0.030 9＜0.1，通過一致性檢驗(yàn)。從權(quán)重分析中得出5種故障模式的風(fēng)險(xiǎn)重要度排序。根據(jù)圖1所示的公式計(jì)算出5種故障模式的RPN修正值，如表5所示。

表5 船舶減速器修正風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先等級(jí)

從結(jié)果中可得，船舶減速器5種故障模式的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)和重要度排序?yàn)椋郝┯?油壓過低＞齒輪嚙合狀態(tài)不佳＞油溫異常＞振動(dòng)異常＞軸承損壞，該方法將不同故障模式的RPN區(qū)分開，更切合實(shí)際情況。通過該實(shí)例驗(yàn)證了利用層次分析法改進(jìn)FMEA的方法進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的可行性。

3 結(jié)束語

在船舶減速器FMEA的基礎(chǔ)上，結(jié)合層次分析法對(duì)RPN進(jìn)行了修正，通過決策矩陣等方式計(jì)算故障模式風(fēng)險(xiǎn)權(quán)重，得出修正的RPN，以某船舶減速器的故障模式風(fēng)險(xiǎn)分析為例驗(yàn)證了此方法的可行性。本文提出的方法僅是對(duì)RPN進(jìn)行簡單的修正，未達(dá)到完全定量分析風(fēng)險(xiǎn)的目的，通過建立更深維度的風(fēng)險(xiǎn)分析模型，結(jié)合FTA、HARZARD和RBD等風(fēng)險(xiǎn)分析技術(shù)可進(jìn)一步地完善船舶減速器的故障模式風(fēng)險(xiǎn)分析，提供更科學(xué)、合理的決策參考依據(jù)。