基于模糊综合评判与故障树法的震压造型机故障诊断*

吴天魁，王 波，顾基发，周晓辉

(上海理工大学 管理学院，上海200093)

0 引言

震压造型机主要有活塞司气型和阀门司气型2种，而活塞司气震压机是利用震压活塞直接开闭进、排气孔，实现震击的。活塞司气结构简单，以断进气膨胀式对压缩空气的能量利用最为充分，比较经济，使用者较多。活塞司气震压机出现故障时主要表现为不震击、震击无力、震击不稳、压实无力4个方面［1］，然而导致出现这些故障的原因却非常多，且设备工作状态具有模糊性，如果设备工作时出现问题不易发觉，则工作者就难于判断设备工作状况，最终可能导致设备受损程度加大，甚至导致设备报废。文中利用故障树分析法找出影响设备故障的主要因素，有利于工作人员及早察觉设备故障和日常对设备重要部件进行维护和保养。通过采用模糊综合评判法对震压造型机压实情况进行分析，能及早发现设备工作状况，以便及时维修来减少带来的麻烦及损失。

震压造型机的复杂性以及模糊不确定性使得分析的难度增加，尽管这样仍有一些学者对此进行了研究。铸钢厂［2］等对Z148B造型机震击机构进行了改造;张楠［3］对拖箱造型机射砂充填不良进行了分析并找出原因提出了相应的对策;陈其红［4］等利用两重威布尔分布对铸造造型机进行了可靠性分析。等等这些学者都为震压造型机的分析做出了贡献，然而没有考虑到该复杂机械的模糊性，因此并不能准确进行评判。模糊综合评判法的出现解决了这类问题，并且被应用在不同的领域。毛巨省［5］利用模糊综合评判法对边坡稳定性进行了评价，使得评价结果更加合理接近实际;李海滨［6］基于模糊综合评判法对沥青路面施工质量控制进行了研究，，实现了有效实时的施工质量监控;李琰［7］等构建了基于AHP的中小型煤矿安全库存模糊综合评价模型，提出运用现代供应链库存管理办法提升中小型煤矿整体安全库存水平;姜杰［8］利用模糊综合评价理论，建立煤矿机器系统可靠性的多因素多级模糊综合评价模型，在实例中对机器设备的可靠性程度进行综合评价，找出影响其可靠性的薄弱环节，并提出提高煤矿机器可靠性的相关措施;褚冬莉［9］等在缺乏足够可靠性数据的情况下，利用模糊综合评判法和故障树分析法为研究矿井通风系统可靠性提供了重要途径。等等这些学者通过利用模糊综合评判法都得出了理想的结果，并为模糊综合评判法的应用与理论推广做出了贡献。

模糊综合评判法［10－11］主要对一些不确定和模糊的事件做出评判的一种方法，其操作步骤为

1 )确定评判因素集 u=(u1，u2，…，um)，其中，u1～um为评判因素指标;

2 )求所有评判因素的权重集 W=(w1，w2，…，wm)，其中，w1～wm为评判因素对应的权数;

3 )确定所分析事件的评价集 V=(v1，v2，…，vn)，其中，v1～v2为评价事件所划分的评价等级的临界值;

其中，rij为评判因素ui对评价等级vi的隶属度。

5 )得出评判矩阵B=(b1，b2，…，bn)=W◦R，其中◦为一种合成运算，其中bj=ai·rij;

6 )得出评判结果值 C=B·VT，此值与评价集V中的值比较，如果评判结果值超出评价等级中的临界值［12］定为该评价等级。

1 震压造型机失效故障树分析

1.1 震压造型机失效故障树的建立

震压造型机故障树把震压造型机故障作为顶事件，然后找出导致震压造型机故障的次顶事件，继续找出导致故障发生的层事件，最后找到所有可能导致顶事件发生的底事件。假设震压造型机故障中各模块的事件状态仅有:发生或不发生，且各事件之间是相互独立的关系，根据文献［1］中的分析，可以建立震压造型机失效故障树如图1所示。

图1 震压造型机失效故障树Fig.1 Fault tree of the failure of jolt squeezing machine

图1中T为震压造型机失效;A1为压实无力;A2为不震压;A3为震压无力;A4为震击不稳;B1为压实活塞与缸间隙大;B2为密封涨圈磨损严重或硬化;B3为保险销密封螺帽密封不好;B4为气源为接通;B5为进气管破裂或掉落;B6为震动活塞与缸径研死;B7为压缩空气压力不足;B8为震动活塞与缸间隙大;B9为震动活塞与缸或导向杆与套研伤;B10为活塞环磨损或断裂;B11为震击面接触不均匀;B12为震动活塞与缸或导向杆与套间隙大;B13为震动活塞与缸或导向杆与套之间一侧研伤;B14为震击时机床产生晃动;X1为内部泄露严重;X2为压力损失过大;X3为内部泄露严重;X4为压力损失过大;X5为内部泄露严重;X6为压力损失过大;X7为压实时压力较低;X8为管路接错;X9为阀门未打开;X10为生产中碰坏;X11为接头与胶管孔径不匹配;X12为胶管未加紧;X13为震动活塞与缸径间隙过小;X14为装配时毛刺、毛边或磕碰未修磨;X15为油路不通;X16为压缩空气压力较低;X17为进气管路密封不好;X18为磨损严重;X19为压力下降;X20为震动活塞与缸或导向杆与套间隙过小;X21为装配时毛刺、毛边未修好;X22为加工误差;X23为密封不好;X24:内部泄漏严重;X25为压实活塞大丝赌密封不好;X26为基础减震垫太厚;X27为受力不均匀;X28为研行产生裂纹;X29为导向性不好;X30为运动中产生摆动;X31为运动中受阻;X32为运动中发滞;X33为运动中摆动;X34为震动工作台肋开裂;X35为地脚螺丝断裂;X36为地脚螺丝松动。

1.2 震压造型机失效故障树分析

根据震压造型机失效故障树模型图，利用下行法，可以求出该故障树最小割集有28个如下

结构重要度系数［13］反映了某一基本事件在整个故障树结构中所占的地位，从结构上反映基本事件的重要程度，用Ii表示。引入公式

其中Ii为第i个基本事件的结构重要度;ns为第s个包含基本事件i的最小割集的容量;k为包含基本事件i的最小割集的个数。

根据公式(1)可以计算出来各事件的结构重要度为

比较各事件的结构重要度可以得出X7～X17;X20～X24;X34～X36这些事件的结构重要度比较大，说明这些事件发生，将很大可能导致顶事件的发生，因此平时要对这些事件多加防范并及时维修保养。

2 评判模型的建立

为了研究方便，文中仅对次顶事件“压实无力”进行评判。由于次顶事件“压实无力”中的底事件“X1为内部泄露严重;X2为压力损失过大;X3为内部泄露严重;X4为压力损失过大;X5为内部泄露严重;X6为压力损失过大;X7为压实时压力较低”有重复的，也即仅有事件“内部泄漏严重”、“压力损失过大”以及“压实时压力较低”3个事件决定着“压实无力”事件，因此可用C1为内部泄漏严重;C2为压力损失过大;C3为压实时压力较低来简化，则可得压实无力故障树简化图如图3所示。

利用下行法，可以得出简化后次顶事件的最小割集为K1=(C1，C2)，K2=(C3).即导致次顶事件压实无力发生的主要事件为C1，C2，C3.故把它们作为评判压实情况的因素，则设备压实无力的评判因素集为U=(C1，C2，C3)。

图2 压实无力故障树Fig.2 Fault tree of compaction weakness

图3 压实无力故障树简化图Fig.3 Simplified diagram for fault tree of compaction weakness

在此给出这3个事件发生的概率分别为:0.05，0.15，0.25，则可以计算出次顶事件A1(简化前)发生的概率

概率重要度［14］是基本事件发生概率变化引起顶事件发生概率的变化程度，用Ig(i)来表示事件i的概率重要度，由于顶事件发生概率函数是一个多重线性函数，只要对自变量求一次偏导，就可以得到该基本事件的概率重要度，其计算公式为

其中，P为顶事件;Pi为i事件。

针对次顶事件压实无力简化后P=C1C2+C3，利用公式(2)可得

临界重要度［14］能从敏感度和自身发生概率的双重角度衡量各基本事件的重要度标准，因此根据压实无力评判因素的临界重要度的比重，对所有评判因素赋予相对应的权数。其中临界重要度用IG(i)来表示，计算公式为

式中qi为i事件的概率;p为顶事件概率;Ig(i)为i事件的概率重要度。

利用公式(2)和(3)可以计算出各事件的临界重要度为IG(1)=0.027 5，IG(2)=0.027 5，IG(3)=0.917 4.

则评判因素ui的权数为

可得出所有评判因素的权重集

针对设备压实情况，对其划分为4个等级:差，一般，良，好。由于划分等级具有模糊性和不确定性，可以请10位专家对其打分，结果为:差(4)，一般(3)，良(2)，好(1)。则可以得出评价等级的临界值V=(差，一般，良，好)=(0.4，0.3，0.2，0.1)。文中通过隶属关系对模糊映射进行描述，建立评判因素集 U=(u1，u2，u3)=(C1，C2，C3)到评价 V=(v1，v2，v3，v4)=(差，一般，良，好)的模糊映射，结合临界重要度分析和经验，得出ui对于评价等级vi的隶属度rij，从而得出评判矩阵

根据评判因素的权重集和评判矩阵对设备压实情况进行模糊综合评判，可以计算得出对应的等级评判矩阵

最后得出评判结果值为

该评判结果值介于差和一般之间，因此该设备压实情况为一般。此时就需要注意对前面分析得出的一些重要部件进行维护了，防止设备更加严重以至于造成报废。

3 结论

针对震压造型机失效，构建失效故障树模型，分析出了哪些部件对震压造型机失效影响更大，便于操作人员对该设备日常的维护和保养，同时采用模糊综合评判法针对震压造型机压实情况进行评判，便于工作人员及时发现问题，从而可以及时修理以减少以后工作时的不必要麻烦。

文中在对震压造型机压实情况进行评判时，所设计的数据要根据实际情况而定，搜集准确的数值，对实际情况精确分析，从而可以更加及时的得出该设备目前工作状况，以便及时维修。可以看出，利用故障树和模糊综合评判相结合的方法，对设备故障及工作状况进行分析是可行的，便于设备及时维修和调整。

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