閥門軸質(zhì)量可靠性綜合評(píng)價(jià)與研究

石冬喜

(蘇州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇 蘇州：215009)

合金鋼是制造承受大載荷、大彎扭等各種機(jī)器(如閥門軸、齒輪軸、曲軸、汽輪發(fā)電機(jī))的重要零件[1]。合金鋼的性能直接關(guān)系到這些產(chǎn)品的質(zhì)量。在評(píng)價(jià)某一產(chǎn)品是否可靠的過程中，有些問題是模糊不清的。比如：如何判斷石油管道中使用的閥門軸質(zhì)量是否可靠？軸的物理、化學(xué)和機(jī)械等性能雖然符合質(zhì)量要求，但是否在性能最佳的狀態(tài)下工作？閥門軸是閥門能否可靠工作的主要零件之一。在檢驗(yàn)閥門軸質(zhì)量的過程中存在著大量不確定的問題，如何來(lái)評(píng)價(jià)閥門軸質(zhì)量的可靠性，這是很多企業(yè)目前普遍存在的問題[2]。文中嘗試采用評(píng)價(jià)簡(jiǎn)單且容錯(cuò)性好的模糊綜合評(píng)價(jià)法，對(duì)閥門軸質(zhì)量可靠性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

1 數(shù)學(xué)模型

美國(guó)科學(xué)家L.A.zadeh教授(扎德先生)在上世紀(jì)六十年代創(chuàng)立了一門新興的學(xué)科——模糊理論。該理論主要包括：模糊集合理論、模糊推理、模糊邏輯及其模糊控制等內(nèi)容。在扎德先生提出模糊理論之前，二十世紀(jì)二十年代，著名的哲學(xué)家和數(shù)學(xué)家B.Russell就發(fā)表一篇關(guān)于“模糊性”的論文。B.Russell教授在論文中首先提出現(xiàn)在使用的任何語(yǔ)言都是帶有模糊性的，比如“高的”、“瘦的”、“小的”、“美麗的”等該類詞語(yǔ)所表達(dá)的內(nèi)容信息都存在不確定性，把這些稱為不明確的和模糊的。但是在一些特定的環(huán)境中，用這些詞語(yǔ)來(lái)描述某個(gè)具體的對(duì)象時(shí)，人們又能明白其具體的含義，不會(huì)引起大家的誤解或歧義。扎德教授首次提出了用隸屬函數(shù)來(lái)描述模糊性事物的概念，奠定了模糊理論的基礎(chǔ)[3]。到目前為止模糊理論的應(yīng)用非常廣泛，無(wú)論是人文科學(xué)、社會(huì)科學(xué)、數(shù)學(xué)科學(xué)還是自然科學(xué)等領(lǐng)域，幾乎所有的領(lǐng)域都可以用模糊理論去研究。

1.1 因素集的建立

U={u1,u2,…,um}式中μi={ui1,ui2,…,uip},(i=1,2,…,m)記為因素集U。

1.2 權(quán)重集的建立

G={G1,G2,…,Gm},評(píng)價(jià)者對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象可能做出的各種總的評(píng)價(jià)所組成的集合，記為評(píng)價(jià)集，用G表示。

1.3 評(píng)價(jià)集的建立

R={R1,R2,…,Rm},各因素之間的評(píng)價(jià)形成評(píng)價(jià)集，記為R。

1.4 模糊綜合評(píng)判矩陣的建立

計(jì)算各個(gè)指標(biāo)的隸屬度，對(duì)于第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)說，每個(gè)評(píng)語(yǔ)的隸屬度都為R上的模糊子集(U到V的模糊映射)，Ri={Ri1,Ri2,…,Rin}

1.5 模糊評(píng)判

根據(jù)以上分析可得綜合評(píng)判的結(jié)果為：

B=G·R=(b1,b2,…,bn)

1.6 評(píng)判結(jié)果計(jì)算

2 建評(píng)價(jià)模型

文中以模糊理論為計(jì)算方法，對(duì)35CrMo閥門軸質(zhì)量可靠性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。若直接對(duì)35CrMo閥門軸質(zhì)量進(jìn)行可靠性進(jìn)行評(píng)價(jià)，影響閥門軸產(chǎn)品質(zhì)量的因素較多，在評(píng)價(jià)之前需要先利用灰色關(guān)聯(lián)法來(lái)確定閥門軸和各影響因素的關(guān)聯(lián)程度。根據(jù)建立的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系對(duì)各指標(biāo)賦予權(quán)重系數(shù)，最后再通過采用專家打分法，最終確定各指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)。

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立

評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的確定是最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，評(píng)價(jià)指標(biāo)體系選擇是否合理是評(píng)價(jià)能否成功的關(guān)鍵。指標(biāo)選取的時(shí)候不能盲目追求過多的指標(biāo)，指標(biāo)選取太多會(huì)造成重復(fù)性評(píng)價(jià)；指標(biāo)選取太少會(huì)造成對(duì)所評(píng)價(jià)的內(nèi)容不具有代表性。只有科學(xué)而合理地選取評(píng)價(jià)指標(biāo)，才能獲得合理的評(píng)價(jià)結(jié)果。

在綜合評(píng)價(jià)前，我們把不同材料的性能按不同項(xiàng)目進(jìn)行分類，然后再逐級(jí)計(jì)算權(quán)重系數(shù)[5]，最終得到需要的結(jié)果，詳見表1。

35CrMo閥門軸材料的硬度需要符合以下表2的要求，表2為材料布氏硬度評(píng)價(jià)指標(biāo)的量化標(biāo)準(zhǔn)表。

2.2 評(píng)價(jià)軟件的編寫

文中通過VB編輯語(yǔ)言，編寫了“基于模糊理論的閥門軸質(zhì)量可靠性評(píng)價(jià)系統(tǒng)”，該軟件可以代替人工計(jì)算，對(duì)閥門軸類質(zhì)量可靠性進(jìn)行綜合的評(píng)價(jià)[6]。該軟件可以對(duì)閥門軸的力學(xué)、物理、化學(xué)三大性能進(jìn)行評(píng)價(jià)和分析，該評(píng)判軟件編寫簡(jiǎn)單﹑可操作性強(qiáng)。

表1 指標(biāo)權(quán)重

表2 材料布氏硬度評(píng)價(jià)指標(biāo)的量化標(biāo)準(zhǔn)表 (HB)

評(píng)價(jià)軟件采用了人機(jī)對(duì)話式的操作界面，操作比較簡(jiǎn)單。界面可以很好的顯示評(píng)價(jià)所需的指標(biāo)參數(shù)及對(duì)話框[7]，具體有以下幾個(gè)功能：評(píng)價(jià)指標(biāo)體系﹑評(píng)語(yǔ)﹑評(píng)價(jià)對(duì)象、權(quán)重計(jì)算﹑模糊評(píng)判﹑結(jié)果顯示等，下面選取了計(jì)算隸屬度函數(shù)的幾條條件性判斷語(yǔ)句[8]。

Private Sub Command1_Click()

If Text1 = 0.38 Or Text1 = 0.40 Then

Text3.Text = 1

ElseIf Text1 = 0.32 Or Text1 = 0.37 Then

Text3.Text = 2

ElseIf Text1 = 0.33 Or Text1 = 0.36 Then

Text3.Text = 3

ElseIf Text1 = 0.34 Or Text1 = 0.35 Then

Text3.Text = 4

ElseIf Text1 = 0.34 Then

Text3.Text = 5

End If

End Sub

將已經(jīng)輸入的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行模糊綜合評(píng)價(jià)，再對(duì)模糊綜合評(píng)價(jià)的結(jié)果歸一化處理查看各個(gè)評(píng)語(yǔ)的隸屬度，則可以計(jì)算出該評(píng)價(jià)對(duì)象的最終分值，如圖1。

圖1 模糊評(píng)判

在所有的數(shù)據(jù)錄入評(píng)價(jià)軟件后,可以得出最終結(jié)果，還可以按照需要修正數(shù)據(jù)再次評(píng)價(jià)。根據(jù)軟件得出的評(píng)價(jià)值可以與實(shí)驗(yàn)測(cè)出的實(shí)際值進(jìn)行對(duì)比，來(lái)判斷評(píng)價(jià)是否科學(xué)合理。表3為閥門軸主要指標(biāo)統(tǒng)計(jì)圖，其中各類元素含量的單位按質(zhì)量百分比折算。

表3 閥門軸主要性能指標(biāo)

2.3 評(píng)價(jià)模型

文中聘請(qǐng)了10名在供應(yīng)、質(zhì)檢﹑采購(gòu)﹑倉(cāng)管、預(yù)算、生產(chǎn)﹑設(shè)計(jì)﹑裝配等方面具有豐富經(jīng)驗(yàn)的專家，在專家們?cè)u(píng)價(jià)打分的時(shí)候，各專家都是相互獨(dú)立的，保證分?jǐn)?shù)的真實(shí)性。通過對(duì)這10名專家打分的內(nèi)容進(jìn)行歸類，然后計(jì)算出各因素的權(quán)重，最終得出隸屬度矩陣，表4為一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重和評(píng)分表。

表4 一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重和評(píng)分

對(duì)評(píng)語(yǔ)中的各個(gè)元素量化處理，對(duì)該閥門軸質(zhì)量的可靠性進(jìn)行打分，如果該材料分?jǐn)?shù)越靠近100分，說明該材料可靠性非常的高，反之如果靠近0分則說明該材料的可靠性越低。依次可以實(shí)現(xiàn)二級(jí)綜合評(píng)價(jià)和三級(jí)綜合評(píng)價(jià)[9]。

2.4 結(jié)果的分析

通過閥門軸主要指標(biāo)(表3)、模糊理論的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)，可以判斷35CrMo閥門軸質(zhì)量的可靠性較好，進(jìn)一步分析還可以得出以下結(jié)論：

該閥門軸材料的斷面收縮率實(shí)際值有點(diǎn)高，斷面收縮率高說明了該材料的塑性變形能力好和材料的加工性能好，這樣反而有利于提高材料的安全使用性能。該材料的屈服強(qiáng)度剛超過標(biāo)準(zhǔn)最小值，可以對(duì)材料進(jìn)行再次熱處理，提高該材料的屈服強(qiáng)度。屈服強(qiáng)度是說明了材料受到應(yīng)力后，從彈性狀態(tài)非均勻性向彈塑性狀態(tài)過渡，這樣標(biāo)志著宏觀塑性變形的開始。該材料的布氏硬度值偏低，剛剛符合最小硬度值，這很有可能在閥門軸使用的過程中發(fā)生疲勞斷裂。

綜上所述，可以得出這個(gè)閥門軸質(zhì)量的可靠性相對(duì)較好。

3 結(jié)語(yǔ)

在對(duì)軸類零件可靠性評(píng)價(jià)過程中，存在著很多不確定性和模糊性的問題，很難用一般的方法來(lái)表述，模糊理論可解決傳統(tǒng)方法不能解決的問題。模糊理論的最大優(yōu)點(diǎn)是：通過少量數(shù)據(jù)就能得到精確地?cái)?shù)值，從而可以彌補(bǔ)閥門軸質(zhì)量評(píng)價(jià)研究中數(shù)據(jù)偏少的問題[10]。文中建立基于模糊理論的閥門軸綜合評(píng)價(jià)模型，評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系還需進(jìn)一步完善，評(píng)價(jià)指標(biāo)體系需要更全面和合理，基于VB語(yǔ)言編寫的評(píng)價(jià)軟件系統(tǒng)還不夠穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)過程中的數(shù)據(jù)還要更全面些，以貼近產(chǎn)品實(shí)際工作條件。