基于RCM和综合赋权法的柴油机维修方式决策

2021-10-15欧阳中辉胡道畅陈青华樊辉锦

兵器装备工程学报 2021年9期

欧阳中辉，胡道畅，陈青华，樊辉锦

(海军航空大学，山东烟台 264001)

1 引言

目前，国内外学者对以可靠性为中心的维修策略已经做出了大量的研究，张友鹏等[1]引入灰关联-理想解法提出了基于设备分类逻辑决断和模糊综合评判的轨道电路维修决策模型，解决了维修工作中主观性强、缺少维修侧重点等问题；江秀红等[2]提出了一种基于GO法和RCM的惯性导航系统预防性维修平台设计方法，为维修计划的制定提供了一定的参考依据；马智星等[3]将RCM引入建筑设备系统维护策略的制定过程中，有效的减少了维修成本的支出；刘相新等[4]将RCM应用于发射车的维修分析，阐明了RCM方法在发射车的设计、研制和维护保障方面的重要意义；李伟等[5]结合领结法(Bowtie)和RCM提出一种风险控制方法，该方法对拖航作业各个重要流程的风险进行了有效地进行识别、分析和控制，大大提高了平台拖航作业的安全性；王景春等[6]将RCM运用于隧道监控维修管理中，生成维修方案，提高了隧道维修的社会效益和安全性，降低了维修开销；童晟[7]将RCM应用于工业设备维修领域，构建了RCM-计算机化维修管理系统(CMSS)综合模型，根据设备运行状况实时改变维修方案，提升了维修方案的适用性。

结合以上研究成果，本文提出一种基于RCM和综合赋权法的维修方式决策模型，采用工作结构分解(WBS)对柴油机进行结构分解，将对柴油机正常工作的安全性和可靠性产生重大影响或造成严重经济损失的设备单元确定为重要功能单元(FSI)，采用一种改进的FMEA方法分析重要设备单元可能出现的故障模式、故障原因以及故障造成的影响并进行风险排序，根据排序结果将设备单元按重要度进行，综合采用RCM逻辑决断和综合赋权法对不同等级设备单元进行维修方式的定性和定量分析，确定最终维修方式。

2 维修方式决策模型

车辆维修方式一般分为故障后维修、计划维修和基于状态维修[8]。故障后维修是一种当故障产生后进行的一种维修方式，一般适用于对安全性、任务性和经济性产生较小影响的故障。计划维修是根据维修计划每隔固定的时间(里程)对未产生故障的设备进行维修的一种预防性维修方式，包括定期保养、定期拆修、定期报废等，定期保养是保持产品固有设计性能而进行的表面清洗、擦拭、通风、添加油液或润滑剂、充气等作业；定期拆修是指产品使用到规定的时间予以拆修，使其恢复到规定状态；定期报废是指产品使用到规定的时间予以废弃。基于状态维修是一种基于设备实时或接近实时运行状态进行的一种预防性维修方式，维修人员可以通过感官、监测设备、健康管理系统等途径掌握设备运行状态，根据维修经验或维修手册采取相应的故障预防措施。

柴油机维修方式决策模型流程如图1所示。

图1 柴油机维修方式决策流程框图Fig.1 Decision flow chart of diesel engine maintenance mode

3 确定重要功能构件并分类

柴油发动机结构复杂，需要对其工作结构进行详细分解，挑选出会影响车辆安全运行或造成重大经济损失的部件为重要功能单元，采用一种基于模糊集理论和TOPSIS的FMEA分析方法对单元故障模式、故障产生原因和故障后果进行分析和风险排序，结合排序结果，采用一种基于重要度的分类方法对单元进行分类，以便于进行RCM逻辑决断。

3.1 WBS和FSI

工作分解结构分析是指把一个系统，按一定的原则分解，系统分解成设备，设备再分解成一个个组件，直到分解不下去为止[9]。要确定专用车辆柴油机所要进行的维修项目，首先需要明确柴油机的结构组成，在此可以参考相关设计图纸、文档等资料，对柴油机进行工作结构分解。

重要功能单元是指设备发生故障时，会对系统的任务和安全性产生影响，或产生重大经济性后果的系统组成单元[10]。根据柴油机工作结构分解结果，参考不重要单元特点[11]，剔除影响性较小的单元，确定最终需要研究的对象。

3.2 FMEA分析及风险排序

FMEA是对整个系统进行分析的一种归纳分析方法，分析系统中所有可能的故障模式及其可能产生的影响，并按每个故障模式产生影响的严重程度及发生概率予以分类，是属于单因素的分析方法[12]

在此基于已有的研究成果，采用改进的失效模式及其影响分析方法(FMEA)对其进行可靠性评估，该方法通过模糊语言术语和三角模糊数对专家经验和评价进行量化，模糊语言变量与模糊数的对应关系如表1所示，建立失效模式规范化评估矩阵，采用基于理想点理论的组合赋权法分配风险因子权重并构建加权规范化矩阵，最后基于逼近理想解排序法(TOPSIS)计算出各设备单元的相对贴近度，依据相对贴近度大小对失效模式进行风险排序。

表1 模糊语言变量与模糊数的对应关系

3.3 重要度分类

根据风险排序结果计算柴油发动机设备单元的重要度排序比，重要度排序比计算公式如下：

(1)

式中：α为柴油机设备单元重要度排序比；Ci为第i个设备相对贴近度；Ci，max为柴油机设备单元最大相对贴近度。

根据柴油机设备单元重要度排序比α将设备划分为Ⅲ、Ⅱ、Ⅰ三个类别[13]，如表2所示。

表2 基于重要度评价的设备分类

4 RCM逻辑决断

逻辑决断图是逻辑决断法的一种应用形式，将逻辑决断过程用流程图的形式直观表述，不仅具有较强的规范性和直观性，并且可以灵活配置，适合在设计关键特性识别过程中应用[14]。

重要设备单元的逻辑决断分析是RCM的核心，需要充分考虑设备单元的故障模式特点以选择合适的维修方式。对此，以维修的技术适用性和经济性为指导准则，根据专家意见设置A、B、C、D、E、F六个环节问题；针对不同三类不同重要程度的设备单元采用不同流程的维修方式逻辑决断，以提高工作效率，减少不必要的分析流程，具体逻辑决断分析工过程如图2～图4所示。

图2 Ⅲ类关键设备单元维修方式逻辑决断过程框图Fig.2 Logic decision process block diagram of maintenance mode of class Ⅲ key equipment unit

图3 Ⅱ类关键设备单元维修方式逻辑决断过程框图Fig.3 Logic decision process block diagram of maintenance mode of class Ⅱ key equipment uni

图4 Ⅰ类关键设备单元维修方式逻辑决断过程框图Fig.4 Logic decision process block diagram of maintenance mode of class Ⅰ key equipment unit

5 基于理想点综合赋权法

常见的综合赋权法有线性加权合成法、乘法合成法、混合法和代换法等[15]。本文采用一种基于理想点理论的组合赋权法，使目标向量与评估问题的理想点偏差最小，从而减少主客观因素对结果造成的影响。

首先，根据基层相关维修单位专家意见，建立从目标层A到准则层B到指标层C再到方案成D的分层次评价体系，准则层从可靠性B1、维修性B2、经济性B33个方面进行分析，并引入相应的评价指标，建立了如图5所示的柴油机设备单元维修方式适用性评价体系。

图5 柴油机设备单元维修方式适用性评价体系框图Fig.5 Applicability evaluation system of diesel engine equipment unit maintenance mode

然后，采用层次分析法(AHP)[16]得到的主观权重α=(α1，α2，…，αn)，采用熵权法[17]得到的客观权重β=(β1，β2，…，βn)，假设n个评估指标的综合权重为ε=(ε1，ε2，…，εn)，各个指标属性的理想值为γj(j=1，2，…，n)，从而定义理想评估结果zj=(z1，z2，…，zn)=(ε1γ1，ε2γ2，…，εnγn)，计算第i个评估结果到理想点的距离为：

(1)

根据上式可以得出主观、客观、综合权重各评估结果到理想结果的距离为：

(2)

为了使权重分配更合理，要求综合权重与主客观权重的距离尽可能小，为此构造综合权重、主观权重和客观权重评估结果与理想结果之间距离的非线性规划模型，即：

(3)

6 实例分析

本文数据来源于某团车队对配备有该种柴油机的车型两年来所进行的故障统计，维修方式决策小组由基层部队士官、高工、院校教员五名专家组成。

6.1 重要功能单元确定以及FMEA分析

通过设计手册和文档可以得到柴油机工作分解结构结果，该型柴油机由柴油机机体组、柴油机曲柄连杆机构、柴油机配气机构、柴油机燃油供给系、柴油机冷却系、柴油机润滑系、柴油机进、排气及EGR系统七大部分组成，参考柴油机设备单元维修方式适用性评价体系，确定重要设备单元，并进行FMEA分析，结果如表3所示。

表3 曲轴FMEA分析

续表(表3)

6.2 风险排序及重要度分类

采用表1规定的模糊术语集对各失效模式进行评价，评价结果如表4所示，根据文献[18]风险因子O、S、D的最终权重为0.55、0.17、0.28。根据该文献提出的方法计算出各设备单元的相对贴近度分别为0.787、0.616、0.598、0.320、0.667、0.433、0.335、0.396、0.313、0.497。

表4 专家评价结果

风险排序结果为：单元1>单元5>单元2>单元3>单元10>单元6>单元8>单元7>单元4>单元9。

根据式(1)对设备单元进行分类，分类结果如表5所示。

表5 柴油机重要设备单元分类

6.3 维修方式RCM定性分析

根据分类，采用图2～图4的RCM逻辑决断对设备单元的不同失效模式进行维修方式进行定性分析。以Ⅲ类关键设备单元曲轴的轴颈磨损失效模式为例，通过图2 RCM逻辑决断对其进行维修方式定性分析，通过回答A～F环节问题，确定曲轴该失效模式的维修方式为基于状态维修。其他设备单元各失效模式的维修方式定性分析结果如表6所示。

表6 柴油机重要设备单元RCM逻辑决断结果Table 6 RCM logic decision results of important equipment units of diesel engine

6.4 维修方式综合赋权法定量分析

针对表4中维修方式决断结果不一致的设备单元进行综合评判，以确定最终的维修方式。在此以曲轴为例进行定量分析。

1) 计算主观权重

采用的1～9相对重要性标度定义法，由维修方式决策小组进行打分，建立判断矩阵。

① 准则层B关于目标层A的评判矩阵

根据式(3)～式(5)可以计算出准则层主观权重αB=(0.637，0.258，0.105)，通过式(6)和式(7)进行一致性检验，λmax=3.038，CR=0.033<0.10，结果符合一致性。同理可以计算出指标层关于目标层评判矩阵

② 指标层C关于准则层B的评判矩阵

αC1=(0.614，0.268，0.117)，λmax=3.074，CR=0.064<0.10，结果符合一致性。

αC2=(0.122，0.230，0.648)，λmax=3.004，CR=0.003<0.10，结果符合一致性。

αC3=(0.258，0.637，0.105)，λmax=3.039，CR=0.033<0.10，结果符合一致性。

③ 指标层C关于目标层A的权重

α=(αB1αC1，αB2αC2，αB3αC3)=

(0.391，0.171，0.075，0.0315，0.0593，

0.1672，0.0271，0.0669，0.011)

2) 计算客观权重

根据建立的柴油机设备单元维修方式适用性评价体系确定各层指标集VB={可靠性，维修性，经济性}，VC1={安全影响，功能影响，故障率}，VC2={停机时间，可监测性，维修难度}，VC3={维修费用，任务损失，设备原值}；评判集S={基于状态维修，定期保养，定期报废，故障后维修}，根据维修方式决策小组打分构建指标层各指标集模糊评判矩阵：

根据式(8)～式(10)可以计算出指标层客观权重为βC1=(0.5，0.25，0.25)，βC2=(0.316，0.228，0.456)，βC3=(0.048，0.635，0.317)

3) 计算综合权重并确定维修方式

已知指标层主观权重αC1～αC3和客观权重βC1～βC3，由4.3节可以计算出指标层综合权重ωC1=(0.749，0.160，0.091)，ωC2=(0.135，0.124，0.741)，ωC3=(0.070，0.817，0.113)，则准则层指标集模糊评判矩阵可以求出：

根据式(8)～式(10)可以计算出准则层客观权重为βB=(0.347 8，0.266 3，0.385 9)，已知准则层主观权重αB，则可以计算出准则层综合权重ωB=(0.639 1，0.166 8，0.194 1)，最终可得综合评判模糊集结果N=ωB·R=[0.606 0 0.269 2 0.049 8 0.075 0]，根据结果可知基于状态维修方式所占权重最大，则曲轴的最佳维修方式为基于状态维修。