面向全生命周期的產品可維護度評價

簡小剛,蔡帥博,陳前鋒,劉 釗,石來德

(1.同濟大學 機械與能源工程學院,上海 201804;2.廣西柳工機械股份有限公司,廣西柳州 545005)

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面向全生命周期的產品可維護度評價

簡小剛1,蔡帥博1,陳前鋒2,劉 釗1,石來德1

(1.同濟大學 機械與能源工程學院,上海 201804;2.廣西柳工機械股份有限公司,廣西柳州 545005)

對產品進行可維護性評價,是優(yōu)化產品設計方案、提升產品品質的有效手段.對產品可維護性研究的國內外現狀進行了分析與梳理,結合實際需求提出了產品可維護度的概念及內涵.基于產品全生命周期理論,建立了產品可維護度綜合評價指標體系及其計算模型,并以實際案例驗證其可行性,為產品設計方案優(yōu)化提供依據.

可維護度; 全生命周期; 模型; 評價方法TH 39

JIAN Xiao-gang1,CAI Shuai-bo1,Chen Qian-feng2,Liu Zhao1,Shi Lai-de1

(1.School of Mechanical Engineering,Tongji University,Shanghai 201804,China;2.Guangxi LiuGong Machinery Co.,Ltd,Liuzhou 545005,China)

產品維護的目的是保持或恢復其規(guī)定狀態(tài),相應的可維護性也就是在規(guī)定的約束(包括條件、時間、方法等)下完成維護保養(yǎng)的能力[1].用“可維護度”來評價面向全生命周期的產品可維護性,有助于規(guī)范產品可維護性評價流程,促使產品設計的各項指標改進,進而實現優(yōu)化產品設計方案、提升產品經濟性的目的,同時也符合節(jié)能減排、保護生態(tài)環(huán)境的社會理念.

另一方面,產品可維護性的評價是一個涉及多因素、多目標的決策過程,而目前關于產品可維護性的評價研究仍停留在定性的范圍內,維護工作仍然依賴于維護人員對整個系統的熟悉程度[2].可維護度這個衡量產品可維護性的數量指標的提出,相較于傳統的評價模型,其對于產品可維護性的評估更加精確,而國內在這方面的研究目前還很缺乏,因此,建立一種新型的面向全生命周期產品可維護度評價模型已迫在眉睫.

1 國內外研究現狀

可維護性是指通過維護保養(yǎng),使產品盡量保持正常工作能力的特性,它是一種質量特性,這種質量特性既可以用定性的特征來表達,也可以用定量的參數來表達.可維護度評價是對產品可維護性的綜合度量,是一種定量評價.表1為國內外產品可維護性評價研究現狀.

從以上的研究中仍然可以看到一些不足:一方面,目前國內機械領域經常將可維護性的含義包括在可維修性中,造成兩者混淆,事實上是錯誤的.設備的日常維護保養(yǎng)通常包括清掃、潤滑、緊固、堵漏等,而維修則是對于發(fā)生故障后的設備進行檢測修理,將其恢復至正常工作狀態(tài).兩者實施階段不同,操作方式不同,涉及費用也不同.另一方面,評價產品維修性的方法各異,在評價指標框架的建立上具有很強的主觀性,缺乏規(guī)范化的評價流程以及定量的綜合評價指標,評估結果準確性有待驗證,難以在實際運用中為產品設計部門提供有效的參考.

表1 國內外產品可維護性評價研究現狀

因此,要實現良好的產品可維護性評價就需要建立全面、系統、清晰的可維護性評價體系.

2 可維護度評價研究

2.1 可維護度定義及內涵

根據以上分析,可維護度可定義為:產品在規(guī)定時間及條件下,通過維護保養(yǎng),保持規(guī)定功能狀態(tài)的難易程度(概率).概念采用了“三規(guī)定一概率”的定義方式,包含了與可維護度密切相關的五個要點:產品、條件、時間、功能、概率,其關系如圖1所示.

圖1 可維護度要素

可維護度作為評價產品可維護性的定量指標,這一概念的提出,旨在通過前期小代價的維護保養(yǎng)措施,避免或降低故障發(fā)生后高昂的維修費用,符合現代社會的理念.根據產品可維護度概念,其內涵可分為兩個層面:一為產品各組成部分在維護保養(yǎng)時的相對難易程度;二為產品的所有組成部分有關可維護性的綜合度量.

2.2 可維護度評價指標體系

根據可維護度概念及其內涵,評價指標體現為兩個方面:固有屬性和外部因素.固有屬性是產品在設計、制造中賦予的,包括出廠的設計等,這在很大程度上已經決定維護時的難易程度;外部因素是產品在實際使用過程中表現的一種性能的特性,需要考慮操作使用和維修保障等方面因素的影響,外部因素的變化同樣也會影響設備維護的難易程度.

另一方面,產品全生命周期(如圖2所示)是指某一產品從設計、生產、使用直到報廢的全部時間.產品的全生命周期強調的是其在時間上的意義,不僅包括前期的方案探討、圖紙設計及生產制造的全過程,還包括后期的使用、維護、報廢及回收[8].

?設計階段:產品出廠的結構設計、零部件布局、模塊化與否等,這在很大程度上已經決定了維護時的難易程度.

?制造階段:零部件的材料、用量及工藝均會影響其可維護度的大小.

?使用階段:涉及工作環(huán)境、燃潤料品質以及操作人員操作等.

?維護階段:考慮維護保養(yǎng)時維護人員的位置、動作、操作等,以便考察維護的難易程度.此外,備件保障亦會影響其可維護度.

圖2 涉及可維護度的產品全生命周期示意圖

圖3 產品全生命周期與可維護度關系圖

據此可以確定評價指標,將其分為一級、二級和三級3個級別,繼而建立評價指標集,具體步驟如下:

①將一級評價指標確定為“固有屬性”和“外部因素”;

②將二級指標分為4個,從產品全生命周期著手,“固有屬性”下包括“設計”和“制造”階段,“外部因素”包括“使用”和“維護”階段;

③將三級指標分為20個,具體如圖4所示.

④將圖4中的評價指標用因素集的形式表示,即可得到評價因素集U,U={U1,U2},其中,U1={U11,U12},U2={U21,U22},U11={U111,U112,U113,U114,U115,U116},U12={U121,U122,U123},U21={U211,U212,U213},U22={U221,U222,U223,U224,U225,U226,U227,U228}.

圖4 面向全生命周期的產品可維護度評價體系框架圖

2.3 可維護度評價模型

產品可維護度評價模型包含各組成部分的評價模型和整體的綜合評價模型.各組成部分的可維護度主要依據優(yōu)先關系矩陣和相關矩陣進行計算(如表2所示).首先,根據模糊層次法計算在各自指標體系中從上至下各級指標的權重;其次,專家對各指標的等級(3個等級:良好、一般、差)予以評價;最后,自下而上對指標進行融合計算,得到各組成部分的可維護度評價值.

根據上述可維護度評價模型的思路,評價流程如圖5所示.

圖5 產品可維護度評價流程圖

2.4 權重系數的確定

根據上述建立的評價指標集,采用模糊層次分析法確定各指標的權重系數.

(1) 構建優(yōu)先關系矩陣Q,使用優(yōu)先關系矩陣數量標度方法把qij的取值分為3個標度,具體如表2所示.

表2 優(yōu)先關系矩陣數量標度方法

構建每個級別評價指標的優(yōu)先關系矩陣,將二級指標之間的優(yōu)先關系矩陣記為Q1,將二級指標中設計指標之間的優(yōu)先關系矩陣記為Q2,將二級指標中制造指標之間的優(yōu)先關系矩陣記為Q3,將二級指標中使用指標之間的優(yōu)先關系矩陣記為Q4,將二級指標中維護指標之間的優(yōu)先關系矩陣記為Q5,表示如下:

上述矩陣中,qi,j表示矩陣的具體賦值,即各因素對應的優(yōu)先關系矩陣數量標度.

(2) 構造模糊一致矩陣R=(rij)n×n.對模糊互補矩陣Q=(qij)n×n按行求和,記為

(1)

式中:qi為對矩陣Q進行按行求和.

實施如下變換:

(2)

式中:qj為對矩陣Q進行按列求和.

得模糊一致矩陣R=(rij)n×n.

(3) 計算R的權向量gij

(3)

(4)

式中:gi為對gij進行按行求和.

3.5 評價細則的擬定

建立三級評價指標的評價規(guī)范,分析其影響因素,以確定評價細則.具體步驟如下:

① 對各項三級評價指標分析影響因素;

② 運用模糊層次分析法確定各影響因素權重;

③ 每項因素以語言定性地表述各項評價指標及其等級劃分標準,指標的評語設為三個等級,即良好、一般、差.

3.6 計算可維護度

建立評價模型,設定總分1 000分,根據所對應的權重,將各項指標分數(指標分數=權重×A)、各維護項目對應不同的評價指標,檢查所得分數,相加計算總得分,最后進行無量綱化處理,得出可維護度M.A為總分1 000分.

(5)

4 實例分析

以某型裝載機檢查變速箱油位可維護度評價為例,具體步驟如下:

(1) 將各評價指標用因素集的形式表示,即可得到評價因素集U,U={U1,U2},其中,U1={U11,U12},U2={U21,U22},U11={U111,U112,U113,U114,U115,U116},U12={U121,U122,U123},U21={U211,U212,U213},U22={U221,U222,U223,U224,U225,U226,U227,U228}.

(2) 確定各項評價指標的權重

采用模糊層次分析法,建立的優(yōu)先關系矩陣Q1,Q2,Q3,Q4,Q5:

經過計算可得各項指標權重值

R1的權向量為(0.6729,0.5445,0.4137,0.2767),歸一化權重向量w1=(0.353,0.285,0.217,0.145);R2的權向量為(0.4356,0.3463,0.2512,0.5659,0.5659,0.6942),歸一化權重向量w2=(0.152,0.121,0.088,0.198,0.198,0.243);R3的權向量為(0.6525,0.4807,0.3029),歸一化權重向量w3=(0.454,0.335,0.211);R4的權向量為(0.6525,0.3029,0.4807),歸一化權重向量w4=(0.454,0.211,0.335);R5的權向量(0.7042,0.6403,0.5111,0.5759,0.4456,0.3447,0.3447,0.2354),歸一化權重向量w5=(0.185,0.168,0.134,0.151,0.117,0.091,0.091,0.063).Ri(i=1,2,3,4,5)分別為與矩陣Qi(i=1,2,3,4,5)對應的模糊一致矩陣.

(3) 分析各項三級評價指標的影響因素,建立評價規(guī)范,擬定評價細則;

(4) 根據不同的維護項目,考察指標各有不同,檢查變速箱油位指標,具體如表3所示;

(5) 專家根據不同的維護項目,參照評價細則進行打分(檢查變速箱油位分值具體如表4所示),計算可維護度.

標準得分=43+30+86+99+46+73+27+24+20+22+17+13+9=509

實際得分=43+30+86+70+40+73+9+24+20+22+15+13+7=452

經評測,該型裝載機檢查變速箱油位可維護度為0.88,屬于良好狀況.

5 結語

本文對產品可維護性研究的國內外現狀進行了分析與梳理,結合實際需求提出了產品可維護度的概念及內涵.通過建立產品可維護度評價指標體系與評價算法,綜合各項評價指標,能夠準確定量評估產品可維護性,為產品設計方案優(yōu)化提供依據.此外,該評價方法在實際操作中簡單易行,評價過程清晰規(guī)范,具有較好的推廣應用價值.

表3 檢查變速箱油位的考察指標

表4 檢查變速箱油位分值表

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Entire life cycle oriented product maintainability evaluation

Owing that the product maintainability evaluation plays a critical role in product design optimization and quality improvement,the advances of domestic and foreign researches are first investigated.Then,the conception and connotation are practically proposed.Based on entire product life cycle,the evaluation indexing system and calculation model are finally established.By applying practical cases for feasibility verification,this approach provides a reference to design option optimization.

maintainability;entire life cycle;model;evaluation method

國家“八六三”高技術發(fā)展計劃資助項目(2014AA041502)

簡小剛(1975-),男,副教授.E-mail:jianxgg@#edu.cn

文獻標志碼： A 文章編號： 1672-5581(2016)01-0006-06