基于模糊綜合評價法的高加速度物流設(shè)備系統(tǒng)可靠性評價

孫偉琛，王成林，陳華婷

（北京物資學(xué)院，北京　101149）

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基于模糊綜合評價法的高加速度物流設(shè)備系統(tǒng)可靠性評價

孫偉琛，王成林，陳華婷

（北京物資學(xué)院，北京101149）

從設(shè)計可靠性、制造可靠性與使用可靠性三方面對物流設(shè)備系統(tǒng)可靠性進行了分析，篩選了高加速度物流設(shè)備系統(tǒng)可靠性指標(biāo)，并進行了系統(tǒng)可靠性層次模型的構(gòu)建。以堆垛機為例，通過模糊綜合評價法對高加速度條件運行下的堆垛機進行了綜合評價，驗證了模糊綜合評價法在高加速度物流設(shè)備系統(tǒng)可靠性評價中的適用性。

模糊綜合評價法；物流設(shè)備系統(tǒng)；可靠性評價；評價指標(biāo)

1　引言

物流設(shè)備作為典型的機械設(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)品在運行過程中的安全可靠是物流設(shè)備產(chǎn)品競爭的焦點，這種競爭主要體現(xiàn)為產(chǎn)品可靠性的競爭。因此在物流設(shè)備系統(tǒng)的設(shè)計與使用過程中，必須重視系統(tǒng)可靠性的評價。目前物流設(shè)備在物流企業(yè)中的應(yīng)用需求逐漸增大，而我國物流設(shè)備的可靠性設(shè)計水平與國際先進水平相比還有很大差距，這已經(jīng)成為制約我國行業(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)識到可靠性工程在物流設(shè)備系統(tǒng)設(shè)計與使用中的重要性。業(yè)界認(rèn)為，當(dāng)物流設(shè)備系統(tǒng)的行走加速度達到1.5m/s2時，在啟動與停止的過程中會產(chǎn)生很大的慣性力，需要驗證其結(jié)構(gòu)是否符合強度要求。

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)展趨勢分析

物流設(shè)備是組織物流活動的物質(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強度，提高了物流運作效率和服務(wù)質(zhì)量，降低了物流成本，在物流作業(yè)中起著重要作用，極大地促進了物流的快速發(fā)展。當(dāng)前我國物流設(shè)備的發(fā)展出現(xiàn)了大型化與高速化、實用化與輕型化、專用化與通用化、自動化與智能化、成套化與系統(tǒng)化以及綠色化的特點［1］。

2.2物流設(shè)備發(fā)展趨勢對可靠性影響分析

2.2.1大型化對可靠性的影響。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使得物流設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生較大的應(yīng)力、沖擊與振動，對物流設(shè)備可靠性產(chǎn)生影響。尺寸大型化帶來的另外一個問題是加工與制造困難。目前大尺寸的機械零件加工制造依然存在技術(shù)難度，國家標(biāo)準(zhǔn)對大尺寸機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，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)一般有多個功能，不同的物流設(shè)備還具有自身獨特的功能。功能的增加對物流設(shè)備系統(tǒng)完成多個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)可靠性不能簡單地表示為物流設(shè)備系統(tǒng)中所有零部件可靠性簡單地相加。由于系統(tǒng)中模塊可靠性對系統(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)，不同模塊對系統(tǒng)可靠性的影響程度也不同。

2.2.3經(jīng)濟性要求對可靠性的影響。物流設(shè)備的經(jīng)濟性要求主要體現(xiàn)在價格要求低、維修成本低和壽命要求長等。

表1展示了不同力學(xué)性能工程材料的價格對比，可見力學(xué)性能較好的材料成本相對較高。物流設(shè)備系統(tǒng)的經(jīng)濟性要求使得物流設(shè)備系統(tǒng)中模塊的設(shè)計與制造過程經(jīng)常選擇一些經(jīng)濟性很好但力學(xué)性能相對不佳的材料。在面對特殊的使用條件，如高加速度條件時，材料的力學(xué)性能不足會嚴(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)備的低價格要求和大尺寸要求勢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?？梢娪捎谖锪髟O(shè)備系統(tǒng)偏向于選用較低的精度進行加工制造，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)的運行頻率、連續(xù)運行時間越來越高。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)運行頻率的升高會影響物流設(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，隨著物流業(yè)作業(yè)時間的降低與作業(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行的頻率也越來越高。

2.2.5工作環(huán)境對可靠性的影響。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，對設(shè)備的運行產(chǎn)生不利影響。此外，環(huán)境還會對操作物流設(shè)備的工作人員產(chǎn)生影響，根據(jù)人機工程學(xué)理論，環(huán)境溫度和環(huán)境噪聲的變化會明顯影響工作人員的主觀感受，從而影響工作人員出錯率［2］。

2.2.6高速化與高加速度化對可靠性的影響。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)致某些對普通物流設(shè)備影響不大或者無需考慮的因素對高加速度物流設(shè)備的影響變得顯著。

3　高加速度物流設(shè)備系統(tǒng)可靠性評價指標(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［3］。在產(chǎn)品的整個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)濟性與競爭力、更有效地利用資源與環(huán)境。

從整個壽命周期來看，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)計可靠性與制造可靠性，是在產(chǎn)品設(shè)計、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，對系統(tǒng)可靠性產(chǎn)生的影響。

3.1設(shè)計可靠性指標(biāo)分析

物流設(shè)備系統(tǒng)屬于復(fù)雜機械系統(tǒng)，一般可以選擇平均壽命（θ）、結(jié)構(gòu)可靠度（R）來對設(shè)計可靠性進行評價。根據(jù)預(yù)估的設(shè)備失效模式，結(jié)構(gòu)可靠度（R）還可劃分為強度可靠度、振動可靠度、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、維護方式與狀態(tài)監(jiān)控等條件，保證產(chǎn)品最大限度達到設(shè)計時的可靠性水平。根據(jù)相似系統(tǒng)可靠性指標(biāo)的選取以及人機工程學(xué)所考慮的人員因素，可以選擇設(shè)備維護有效性、使用環(huán)境穩(wěn)定性、狀態(tài)監(jiān)測可靠性、人員可靠性、管理規(guī)定可靠性等指標(biāo)進行評價。

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

對一個復(fù)雜系統(tǒng)來說，隨著對系統(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)計可靠性、制造可靠性和使用可靠性三個方面對系統(tǒng)可靠性進行展開。設(shè)計可靠性和制造可靠性是由多個不同的機械模塊可靠性共同組成的，可以通過各模塊對設(shè)計可靠性與制造可靠性進行分析。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)備維護因素等對設(shè)備可靠性的影響，其計算與機械結(jié)構(gòu)基本無關(guān)。系統(tǒng)可靠性層次模型如圖4所示。

該層次模型中實線表達了設(shè)計可靠性的分析過程，點劃線表達了制造可靠性的分析過程，虛線表達了使用可靠性的分析過程。層次模型表達了設(shè)計可靠性和制造可靠性通過不同的模塊分別進行分析的過程。同時，該層次模型中的多對多關(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　基于模糊綜合評價法的高加速度堆垛機系統(tǒng)可靠性評價

堆垛機是一種常見的物流設(shè)備，主要在倉庫中完成貨物的搬運、堆垛等功能。目前隨著堆垛機在使用過程中運行速度與運行頻率的提高，堆垛機在運行中出現(xiàn)高加速度工況的情況也變得越來越普遍。通過對高速運行的堆垛機進行評價，驗證模糊評價法在物流設(shè)備系統(tǒng)可靠性評價中的適用性。

5.1堆垛機的可靠性影響因素與指標(biāo)分析

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

設(shè)計可靠性與制造可靠性由各模塊的設(shè)計可靠性與制造可靠性構(gòu)成，堆垛機經(jīng)過模塊分解后，通過模塊設(shè)計可靠性分析結(jié)果進行分析計算與評價。根據(jù)結(jié)構(gòu)分析，堆垛機可以分為支撐模塊、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)為堆垛機的使用環(huán)境穩(wěn)定性、狀態(tài)監(jiān)測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)堆垛機的組成，將堆垛機的固有可靠性指標(biāo)通過模塊進行分配，從設(shè)計可靠性、制造可靠性、使用可靠性三個方面細(xì)化構(gòu)建堆垛機的可靠性評價層次模型，具體如圖5所示。

圖5　堆垛機系統(tǒng)可靠性評價層次模型

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算堆垛機的可靠性指標(biāo)對系統(tǒng)可靠性的影響權(quán)值，根據(jù)5位專家對各模塊的影響重要性程度進行打分，分析得到的權(quán)值表見表5。

表5　各指標(biāo)對系統(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軟件進行蒙特卡洛模擬分析，計算各模塊的結(jié)構(gòu)可靠性可靠度指標(biāo)。根據(jù)各模塊設(shè)計可靠性計算結(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：

堆垛機系統(tǒng)可靠性評價結(jié)果：

5.3根據(jù)最大隸屬度原則進行可靠性模糊評價

將模糊評價的等級分為五個等級，分別為低、較低、一般、較高、高。三角型隸屬度函數(shù)結(jié)構(gòu)簡單，在機械設(shè)備的可靠性評價中較為準(zhǔn)確，使用三角型隸屬度函數(shù)對堆垛機可靠性進行模糊評價，構(gòu)建的三角型隸屬度函數(shù)見式（2）。

如式（2），可靠性對每個等級的隸屬度由 μi（x）（i=1，2，3，4，5）進行衡量，構(gòu)建隸屬度向量U：

通過隸屬度函數(shù)可以計算系統(tǒng)可靠度對各評價級別的隸屬度：

根據(jù)最大隸屬度原則，由第4評價等級隸屬度最大（0.904 8）可以確認(rèn)堆垛機的模糊評價等級為“較高”。

6　結(jié)論

本文從全壽命周期的角度對物流設(shè)備系統(tǒng)的可靠性進行了研究。從設(shè)計可靠性、制造可靠性、使用可靠性三個方面對物流設(shè)備系統(tǒng)可靠性進行了分析，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價法對物流設(shè)備系統(tǒng)進行模糊綜合評價。通過實例分析，驗證了模糊綜合評價法在物流設(shè)備系統(tǒng)可靠性評價工作中的適用性，為物流設(shè)備系統(tǒng)可靠性評價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結(jié)構(gòu)強度研究分析［J］.組合機床與自動化加工技術(shù)，2008，（12）：12-16.

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

［3］王武宏.人機系統(tǒng)可靠性分析的發(fā)展［J］.系統(tǒng)工程學(xué)報，1998，13（1）.

［4］張義民，孫志禮.機械產(chǎn)品的可靠性大綱［J］.機械工程學(xué)報，2014，（14）：14-20.

［5］武小悅.復(fù)雜關(guān)聯(lián)系統(tǒng)的可靠性建模與分析［D］.長沙：中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2000.

［6］鄭簡平.鋼軌可靠度分析［D］.成都：西南交通大學(xué)，2002.

［7］王磊.物流中心搬運系統(tǒng)可靠性分析與評價［D］.成都：西南交通大學(xué)，2009.

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

北京市教育委員會科研成果轉(zhuǎn)化專項基金（0351504501）；國家自然基金“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；陳華婷（1993-），女，吉林德惠人，主要研究方向：物流工程。