基于层次分析法的城轨制动装置表面处理优化设计

王玥龙，孙广合，张 超，程智刚

(北京纵横机电科技有限公司，北京 100094)

制动系统作为城轨车辆的重要组成部分，具有安全性、可靠性、功能性和美观性的设计要求，由于表面处理技术能够获得原有基材所不具备的特殊性能，所以该技术是强化制动系统上述设计要求的重要途径。但是，表面处理设计是涉及多方面的系统工程，经验性很强，各种影响因素往往不能够直接进行定量衡量，仅具有一定程度上的定性关系。如何确定各因素的权重大小，并以此为基础衡量各种表面处理的适用性，成为亟待解决的问题。

层次分析法是一种决策工程中对非定量事件进行定量分析的简便方法，是一种客观描述人们主观判断的有效方法。该方法是一种定性与定量相结合、系统化、层次化的分析方法，适用于那些难以完全进行定量分析的复杂问题。

将层次分析法应用于城轨制动装置的表面处理优化设计中，有效解决了依靠经验的定性分析与设计的弊端，并通过城轨制动控制装置外部零部件的实例应用，验证了方法的可行性。

1 制动系统表面处理类别与特点

根据城轨车辆制动系统的功能、安装位置和运用环境等因素，其表面处理的作用大致可分为3个方面：装饰性作用、防护性作用和功能性作用。

虽然城轨车辆制动系统通常安装于车体下部，总体装饰性要求不如车辆内饰件要求高。但是，随着我国整车外观设计水平的提高，对于车下外漏部件的装饰性也提出了一定的要求。城轨车辆制动系统起装饰性作用的表面处理主要包括涂装、阳极氧化、电镀以及抛光等。

防护性作用是制动系统表面处理最为重要的作用，由于制动系统所处的安装位置是整车运用环境最为恶劣的车下及转向架部分，所以要求其表面处理必须具有优良的防护性能，包括防化学腐蚀、防电化学腐蚀、防磕碰等性能。

功能性作用主要指满足产品特殊性能要求的作用，例如耐磨性、绝缘性、导电性等。

根据上述不同作用，表面处理在城轨车辆制动系统中得到了广泛的应用。

例如，在城轨制动系统中，喷漆提供防护性和装饰性作用，达克罗提供防腐蚀和润滑性作用，阳极氧化提供铝材表面硬度与防腐蚀作用，磷化提供钢材的基础防锈和涂装打底作用，镀锌提供防腐蚀与耐磨的作用等等。

这些表面处理技术，又依据其成膜原理分为镀层技术、涂覆技术与表面转化技术。不同的表面处理技术，其生产工艺与生产成本都存在较大的差异，所以合理的选择最为合适的表面处理方式，进行表面处理应用设计，需要综合考虑涂层的性能与功能、施工成本、外观效果与工艺性等因素。

2 表面处理设计原则

表面处理的突出特点是在无需改变整体基材的情况下，获得原基材所不具备的某些性能。其另一个技术特点就是基材与镀覆材料选择范围很广，具有极大的灵活性。所以，表面处理的设计是一项复杂的系统工程，涉及方面众多，同时又是一项经验性很强的应用性技术。

表面技术种类很多，特点各异，但使用某些不同表面技术却能达到同一目的。因此，对于具体的工件，如何在众多可用的表面处理技术中选择一种或加以复合的几种，对工件表面进行处理，获得最佳的经济技术效果，是设计首先要解决的问题。

在进行表面处理应用设计时，不能简单的拼凑，需要综合考虑表面性能、生产成本、外观效果、工艺性等因素。

(1)表面性能。这里的性能包括防腐蚀、防护性等基本要求，也包括耐磨、绝缘、导电等特殊性能。性能因素是表面处理设计的最基础因素，只有满足使用要求的处理方式，才能作为可选的方案。

(2)生产成本。表面处理的性能不是越高越好，其使用寿命应与产品的修程和寿命周期相协调，在满足产品使用要求的前提下，尽量选择经济的表面处理方式，既可避免不必要的浪费，也能缩短产品的生产周期，提高产品的经济效益。

(3)外观效果。随着我国轨道交通日新月异的发展，人们对城轨车辆的外观效果也提出了更高的要求，作为城轨车辆重要组成部分的制动系统，也要重点考虑外观特性，提高产品的附加值与竞争力。

(4)工艺性。表面处理设计要遵循工艺可行性，适用于现有工业条件。不同的基材表面状态适用于不同的处理方式，例如铸造的粗糙表面不利于电镀处理，结构复杂的内部型腔、盲孔等也不易电镀，高强度钢材电镀易发生氢脆，表面过于光滑的部件不利于直接涂装等等。此外，在表面处理设计时还要考虑环保要求，非环保的表面处理方式应尽量避免，在满足性能的前提下选用可替代的其他方式。

由于表面处理设计的影响因素众多，不同处理方式的性能、成本、外观与工艺性均存在不同程度的差异，所以在实际应用中，设计人员往往采用类比法，即参考已有的案例，分析异同点，采用相同或相似的处理方式进行设计。

但这种方式存在一定的局限性。不同产品的表面状态、运用环境和使用要求不尽相同，产品的外观要求与经济性要求往往也存在差异，采用类比法往往不能进行有针对性的设计，且在开发全新产品时，由于没有既有案例的参考，也无法采用类比法进行设计。

由于表面处理设计的4个影响因素不能够直接进行量化对比，其各因素之间仅存在一定的定性关系，故需要采用一种定量与定性相结合的决策方法，通过各专业专家的经验判断，科学的衡量各种处理方式的优劣次序，从而指导表面处理的设计工作。

3 层次分析法的应用

层次分析法(AHP)是解决多方案多准则问题的定性与定量相结合的决策方法。该方法根据问题的性质和目标，将问题分解为不同层次的组成因素，形成一个多层次的分析结构模型。通过不同专业决策者的经验，判断各因素之间的相对重要程度，运用算法计算出每个决策方案对于各因素的权数，利用权数求出各方案的优劣次序，从而进行最终决策。

层次分析法的应用，主要可分为如下4步：建立层次结构、构造判断矩阵、层次单排序及一致性检验、层次总排序及一致性检验。

根据层次分析法的原理与应用步骤，运用MATLAB编程计算，对各影响因素的权重进行定量评估，确定最为合理的表面处理方式。

3.1 建立层次结构

运用层次分析法解决实际问题，首先要将实际问题归纳为一定的层次结构。通常情况下，层次结构主要由目标层、准则层和方案层3层结构组成。

目标层O，表示解决问题的目的，即总目标，例如选择一种表面处理方式。

准则层C，表示影响决策的主要因素和遵循的基本原则，例如选择表面处理方式时，需要综合考虑生产成本、外观效果、表面性能、工艺性这四项因素。

方案层P，表示根据预期目标所制定的备选方案或措施，例如根据工件的特点与应用要求，初步确定的几种表面处理方式。

3.2 构造判断矩阵

层次结构模型建立后，需要确定各层次各因素间的权重，为了避免完全主观定性比较的缺点，层次分析法采用了两两对比，构造判断矩阵的方法。

判断矩阵是表示本层所有因素针对上一层某因素的相对重要性的比较，采用九级标度，应用方法如表1所示。

表1 判断矩阵标度方法

3.3 层次单排序及一致性检验

判断矩阵是正互反矩阵，在理想情况下是一致阵。一致阵的非零特征根n所对应的特征向量归一化后可作为权向量W，称为层次单排序。

对于不一致的情况，为避免数据矛盾造成的计算结果和决策准确性影响，层次分析法提出了一致性检验的方法。

n阶正互反阵A的最大特征根λ≥n，当且仅当λ=n时A为一致阵。以λ-n数值的大小来衡量A的不一致程度。

定义一致性指标为：

(1)

CI=0，有完全的一致性。CI接近于0，有满意的一致性。CI越大，不一致越严重。

为衡量CI的大小，引入随机一致性指标RI，如表2所示。

表2 随机一致性指标RI

定义一致性比率：

(2)

当CR<0.1时，通过一致性检验，可用其归一化特征向量作为权向量，否则需要重新构造判断矩阵。

3.4 层次总排序及一致性检验

计算方案层P所有方案对于目标层O相对重要性的权值，称为层次总排序。设准则层C对目标层O的层次单排序权向量为Wc=[c1c2c3c4]T，方案层P对准则层C的层次单排序权向量WPi组成的矩阵WP=[WP1WP2WP3WP4]，则方案层P对目标层O的层次总排序为：W=Wp·Wc。

设方案层P对准则层C的层次单排序一致性指标为CIi(i=1,2,…,4)，随机一致性指标为RIi(i=1,2,…,4)，则层次总排序的一致性比率为：

(3)

当CR<0.1时，层次总排序通过一致性检验。层次总排序具有满意的一致性，否则需要重新调整那些一致性比率高的判断矩阵的元素取值。

由此，依据方案层P的层次总排序做出最后决策。

4 实例应用

以城轨制动控制装置外部零部件为研究对象，通过层次分析法进行表面处理优化设计。

4.1 层次结构的建立

城轨制动控制装置的外部零部件主要包括风缸、管座、滤清器、消音器，优化前这些零件都是按照项目要求，进行表面喷漆处理。由于各项目的喷漆颜色、厚度等指标不同，故这些零件在各项目之间不能通用，无法形成批量化生产，成本较高。

图1 城轨制动控制装置外部零部件图示

为了改善这种情况，需要对这几种零部件进行表面处理的优化设计。由于这几种零部件的材质为不锈钢，运营环境为车下运用，初步确定了5种表面处理方式，分别为：铸造面本体、统一颜色喷漆、喷砂、抛丸、抛哑光。

根据3.1节的方法，可以从生产成本、外观效果、表面性能和工艺性4个方面建立如图2层次结构。

图2 城轨制动控制装置外部零部件表面处理层次结构

4.2 构造判断矩阵

首先，根据第2节中的设计原则，分别从生产成本、外观效果、表面性能和工艺性4个方面进行对比分析。

(1)铸造面本体

优点：由于不需要进行附加处理，所以成本最低。

缺点：铸造面本体通常颜色一致性较差，表面粗糙，不美观。由于不进行表面处理，故耐腐蚀性完全依靠不锈钢本体，虽然可以满足运用要求，但性能不高。

(2)喷漆处理(统一喷漆颜色，色号RAL9006)

优点：防腐性能好，美观，颜色与气路板本色阳极氧化后近似，项目之间可以通用。

缺点：工艺性无改进(只改变原喷漆颜色)，生产成本相比其他处理方式高。

(3)喷砂处理(沙粒30号，白刚玉沙)

优点：操作简便，沙粒成本低，只需采购要求大小的沙粒，有喷砂机即可操作。表面一致性好，遮盖瑕疵。

缺点：表面粗糙度高，易附着污渍，不易清洗。颜色与气路板阳极氧化后色差大，外观效果不佳。

(4)抛丸处理(钢球直径0.3 mm)

优点：抛丸处理属于物理处理方式，对环境无污染。操作简便，钢球成本低，只需采购要求大小的钢珠，有抛丸机即可。操作表面一致性好，遮盖瑕疵。

缺点：抛丸处理后的产品外观与气路板本色阳极氧化后的颜色有轻微差异。

(5)抛哑光处理

优点：产品外观美观，有光泽，与气路板本色阳极氧化后颜色近似。

缺点：抛哑光处理属于化学处理方式，工序较复杂，对环境有一定污染，且不能遮盖产品表面的麻点等物理缺陷。

综合分析的结果如表3所示。

通过上述分析可以发现，每种方案均具有不同的优缺点，无法直接确定最适合的方案。这就需要运用两两对比法，进行分别对比，构造判断矩阵。

表3 方案综合分析表

由于构造判断矩阵主观因素较强，这就需要综合考虑设计、工艺、质量、采购等多个不同专业的意见，以减少个人主观因素的影响，同时参照表1的标度方法，统一打分标准。

按照上述方法，构造准则层C关于目标层O的判断矩阵：

(4)

同理，构建方案层P的各方案关于准则层C的判断矩阵P1、P2、P3、P4、P5。

4.3 计算层次单排序及一致性检验

通过MATLAB编程计算，得到判断矩阵C的最大特征值λC=4.215 3，该特征值对应的归一化特征向量Wc=[0.417 2 0.333 7 0.058 6 0.190 5]T。

则可计算得到一致性指标为：

(5)

参照表2得到RI=0.9，则一致性比率为：

(6)

根据一致性比率的计算结果，判断矩阵C通过了一致性检验。

同理，对方案层P的判断矩阵P1、P2、P3、P4、P5依次进行层次单排序与一致性检验，计算结果如表4所示。

表4 方案层单排序与一致性检验结果

根据计算结果，各判断矩阵通过了一致性检验。

4.4 计算层次总排序及一致性检验

根据准则层单排序权向量和各方案层单排序权向量，计算方案层P对目标层O的层次总排序权向量W为：

(7)

同时，计算层次总排序一致性比率为：

(8)

层次总排序一致性比率CR<0.1，通过一致性检验。

依据层次总排序权向量W的权重排序W4>W1>W2>W5>W3，故最终选择P4抛丸作为城轨制动控制装置外部零部件表面处理的最优方案。

根据分析结果，按照优化后的方案进行了小批量试制，如图3所示。

图3 优化后的城轨制动控制装置外部零部件

优化后的制动控制装置外观效果较好，生产成本显著降低，有效缩短了制造周期，零部件的项目通用性增强，达到了优化的目标。

目前，新方案已经应用于多个城轨项目中，取得了较好的经济效益。

5 结 论

表面处理作为产品设计的重要环节，是实现城轨制动系统设计要求的关键因素。通过分析城轨制动系统各种表面处理方式的特点，提出从生产成本、外观效果、表面性能与工艺性四个方面进行表面处理优化设计。通过分析既有经验性设计方法的不足与局限性，提出了采用层次分析法进行定性与定量相结合的设计方法。

阐述了层次分析法的原理与4个操作步骤：建立层次结构、构造判断矩阵、层次单排序及一致性检验、层次总排序及一致性检验。然后，以城轨制动控制装置外部零部件表面处理优化设计为实例，运用上述4步完成了优化设计，并成功应用于实际生产，取得了良好的效果，验证了基于层次分析法的城轨制动系统表面处理优化设计的可行性与合理性。