基于層次分析法的城軌制動裝置表面處理優(yōu)化設(shè)計(jì)

王玥龍，孫廣合，張 超，程智剛

(北京縱橫機(jī)電科技有限公司，北京 100094)

制動系統(tǒng)作為城軌車輛的重要組成部分，具有安全性、可靠性、功能性和美觀性的設(shè)計(jì)要求，由于表面處理技術(shù)能夠獲得原有基材所不具備的特殊性能，所以該技術(shù)是強(qiáng)化制動系統(tǒng)上述設(shè)計(jì)要求的重要途徑。但是，表面處理設(shè)計(jì)是涉及多方面的系統(tǒng)工程，經(jīng)驗(yàn)性很強(qiáng)，各種影響因素往往不能夠直接進(jìn)行定量衡量，僅具有一定程度上的定性關(guān)系。如何確定各因素的權(quán)重大小，并以此為基礎(chǔ)衡量各種表面處理的適用性，成為亟待解決的問題。

層次分析法是一種決策工程中對非定量事件進(jìn)行定量分析的簡便方法，是一種客觀描述人們主觀判斷的有效方法。該方法是一種定性與定量相結(jié)合、系統(tǒng)化、層次化的分析方法，適用于那些難以完全進(jìn)行定量分析的復(fù)雜問題。

將層次分析法應(yīng)用于城軌制動裝置的表面處理優(yōu)化設(shè)計(jì)中，有效解決了依靠經(jīng)驗(yàn)的定性分析與設(shè)計(jì)的弊端，并通過城軌制動控制裝置外部零部件的實(shí)例應(yīng)用，驗(yàn)證了方法的可行性。

1 制動系統(tǒng)表面處理類別與特點(diǎn)

根據(jù)城軌車輛制動系統(tǒng)的功能、安裝位置和運(yùn)用環(huán)境等因素，其表面處理的作用大致可分為3個方面：裝飾性作用、防護(hù)性作用和功能性作用。

雖然城軌車輛制動系統(tǒng)通常安裝于車體下部，總體裝飾性要求不如車輛內(nèi)飾件要求高。但是，隨著我國整車外觀設(shè)計(jì)水平的提高，對于車下外漏部件的裝飾性也提出了一定的要求。城軌車輛制動系統(tǒng)起裝飾性作用的表面處理主要包括涂裝、陽極氧化、電鍍以及拋光等。

防護(hù)性作用是制動系統(tǒng)表面處理最為重要的作用，由于制動系統(tǒng)所處的安裝位置是整車運(yùn)用環(huán)境最為惡劣的車下及轉(zhuǎn)向架部分，所以要求其表面處理必須具有優(yōu)良的防護(hù)性能，包括防化學(xué)腐蝕、防電化學(xué)腐蝕、防磕碰等性能。

功能性作用主要指滿足產(chǎn)品特殊性能要求的作用，例如耐磨性、絕緣性、導(dǎo)電性等。

根據(jù)上述不同作用，表面處理在城軌車輛制動系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。

例如，在城軌制動系統(tǒng)中，噴漆提供防護(hù)性和裝飾性作用，達(dá)克羅提供防腐蝕和潤滑性作用，陽極氧化提供鋁材表面硬度與防腐蝕作用，磷化提供鋼材的基礎(chǔ)防銹和涂裝打底作用，鍍鋅提供防腐蝕與耐磨的作用等等。

這些表面處理技術(shù)，又依據(jù)其成膜原理分為鍍層技術(shù)、涂覆技術(shù)與表面轉(zhuǎn)化技術(shù)。不同的表面處理技術(shù)，其生產(chǎn)工藝與生產(chǎn)成本都存在較大的差異，所以合理的選擇最為合適的表面處理方式，進(jìn)行表面處理應(yīng)用設(shè)計(jì)，需要綜合考慮涂層的性能與功能、施工成本、外觀效果與工藝性等因素。

2 表面處理設(shè)計(jì)原則

表面處理的突出特點(diǎn)是在無需改變整體基材的情況下，獲得原基材所不具備的某些性能。其另一個技術(shù)特點(diǎn)就是基材與鍍覆材料選擇范圍很廣，具有極大的靈活性。所以，表面處理的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及方面眾多，同時又是一項(xiàng)經(jīng)驗(yàn)性很強(qiáng)的應(yīng)用性技術(shù)。

表面技術(shù)種類很多，特點(diǎn)各異，但使用某些不同表面技術(shù)卻能達(dá)到同一目的。因此，對于具體的工件，如何在眾多可用的表面處理技術(shù)中選擇一種或加以復(fù)合的幾種，對工件表面進(jìn)行處理，獲得最佳的經(jīng)濟(jì)技術(shù)效果，是設(shè)計(jì)首先要解決的問題。

在進(jìn)行表面處理應(yīng)用設(shè)計(jì)時，不能簡單的拼湊，需要綜合考慮表面性能、生產(chǎn)成本、外觀效果、工藝性等因素。

(1)表面性能。這里的性能包括防腐蝕、防護(hù)性等基本要求，也包括耐磨、絕緣、導(dǎo)電等特殊性能。性能因素是表面處理設(shè)計(jì)的最基礎(chǔ)因素，只有滿足使用要求的處理方式，才能作為可選的方案。

(2)生產(chǎn)成本。表面處理的性能不是越高越好，其使用壽命應(yīng)與產(chǎn)品的修程和壽命周期相協(xié)調(diào)，在滿足產(chǎn)品使用要求的前提下，盡量選擇經(jīng)濟(jì)的表面處理方式，既可避免不必要的浪費(fèi)，也能縮短產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，提高產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)效益。

(3)外觀效果。隨著我國軌道交通日新月異的發(fā)展，人們對城軌車輛的外觀效果也提出了更高的要求，作為城軌車輛重要組成部分的制動系統(tǒng)，也要重點(diǎn)考慮外觀特性，提高產(chǎn)品的附加值與競爭力。

(4)工藝性。表面處理設(shè)計(jì)要遵循工藝可行性，適用于現(xiàn)有工業(yè)條件。不同的基材表面狀態(tài)適用于不同的處理方式，例如鑄造的粗糙表面不利于電鍍處理，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的內(nèi)部型腔、盲孔等也不易電鍍，高強(qiáng)度鋼材電鍍易發(fā)生氫脆，表面過于光滑的部件不利于直接涂裝等等。此外，在表面處理設(shè)計(jì)時還要考慮環(huán)保要求，非環(huán)保的表面處理方式應(yīng)盡量避免，在滿足性能的前提下選用可替代的其他方式。

由于表面處理設(shè)計(jì)的影響因素眾多，不同處理方式的性能、成本、外觀與工藝性均存在不同程度的差異，所以在實(shí)際應(yīng)用中，設(shè)計(jì)人員往往采用類比法，即參考已有的案例，分析異同點(diǎn)，采用相同或相似的處理方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。

但這種方式存在一定的局限性。不同產(chǎn)品的表面狀態(tài)、運(yùn)用環(huán)境和使用要求不盡相同，產(chǎn)品的外觀要求與經(jīng)濟(jì)性要求往往也存在差異，采用類比法往往不能進(jìn)行有針對性的設(shè)計(jì)，且在開發(fā)全新產(chǎn)品時，由于沒有既有案例的參考，也無法采用類比法進(jìn)行設(shè)計(jì)。

由于表面處理設(shè)計(jì)的4個影響因素不能夠直接進(jìn)行量化對比，其各因素之間僅存在一定的定性關(guān)系，故需要采用一種定量與定性相結(jié)合的決策方法，通過各專業(yè)專家的經(jīng)驗(yàn)判斷，科學(xué)的衡量各種處理方式的優(yōu)劣次序，從而指導(dǎo)表面處理的設(shè)計(jì)工作。

3 層次分析法的應(yīng)用

層次分析法(AHP)是解決多方案多準(zhǔn)則問題的定性與定量相結(jié)合的決策方法。該方法根據(jù)問題的性質(zhì)和目標(biāo)，將問題分解為不同層次的組成因素，形成一個多層次的分析結(jié)構(gòu)模型。通過不同專業(yè)決策者的經(jīng)驗(yàn)，判斷各因素之間的相對重要程度，運(yùn)用算法計(jì)算出每個決策方案對于各因素的權(quán)數(shù)，利用權(quán)數(shù)求出各方案的優(yōu)劣次序，從而進(jìn)行最終決策。

層次分析法的應(yīng)用，主要可分為如下4步：建立層次結(jié)構(gòu)、構(gòu)造判斷矩陣、層次單排序及一致性檢驗(yàn)、層次總排序及一致性檢驗(yàn)。

根據(jù)層次分析法的原理與應(yīng)用步驟，運(yùn)用MATLAB編程計(jì)算，對各影響因素的權(quán)重進(jìn)行定量評估，確定最為合理的表面處理方式。

3.1 建立層次結(jié)構(gòu)

運(yùn)用層次分析法解決實(shí)際問題，首先要將實(shí)際問題歸納為一定的層次結(jié)構(gòu)。通常情況下，層次結(jié)構(gòu)主要由目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和方案層3層結(jié)構(gòu)組成。

目標(biāo)層O，表示解決問題的目的，即總目標(biāo)，例如選擇一種表面處理方式。

準(zhǔn)則層C，表示影響決策的主要因素和遵循的基本原則，例如選擇表面處理方式時，需要綜合考慮生產(chǎn)成本、外觀效果、表面性能、工藝性這四項(xiàng)因素。

方案層P，表示根據(jù)預(yù)期目標(biāo)所制定的備選方案或措施，例如根據(jù)工件的特點(diǎn)與應(yīng)用要求，初步確定的幾種表面處理方式。

3.2 構(gòu)造判斷矩陣

層次結(jié)構(gòu)模型建立后，需要確定各層次各因素間的權(quán)重，為了避免完全主觀定性比較的缺點(diǎn)，層次分析法采用了兩兩對比，構(gòu)造判斷矩陣的方法。

判斷矩陣是表示本層所有因素針對上一層某因素的相對重要性的比較，采用九級標(biāo)度，應(yīng)用方法如表1所示。

表1 判斷矩陣標(biāo)度方法

3.3 層次單排序及一致性檢驗(yàn)

判斷矩陣是正互反矩陣，在理想情況下是一致陣。一致陣的非零特征根n所對應(yīng)的特征向量歸一化后可作為權(quán)向量W，稱為層次單排序。

對于不一致的情況，為避免數(shù)據(jù)矛盾造成的計(jì)算結(jié)果和決策準(zhǔn)確性影響，層次分析法提出了一致性檢驗(yàn)的方法。

n階正互反陣A的最大特征根λ≥n，當(dāng)且僅當(dāng)λ=n時A為一致陣。以λ-n數(shù)值的大小來衡量A的不一致程度。

定義一致性指標(biāo)為：

(1)

CI=0，有完全的一致性。CI接近于0，有滿意的一致性。CI越大，不一致越嚴(yán)重。

為衡量CI的大小，引入隨機(jī)一致性指標(biāo)RI，如表2所示。

表2 隨機(jī)一致性指標(biāo)RI

定義一致性比率：

(2)

當(dāng)CR<0.1時，通過一致性檢驗(yàn)，可用其歸一化特征向量作為權(quán)向量，否則需要重新構(gòu)造判斷矩陣。

3.4 層次總排序及一致性檢驗(yàn)

計(jì)算方案層P所有方案對于目標(biāo)層O相對重要性的權(quán)值，稱為層次總排序。設(shè)準(zhǔn)則層C對目標(biāo)層O的層次單排序權(quán)向量為Wc=[c1c2c3c4]T，方案層P對準(zhǔn)則層C的層次單排序權(quán)向量WPi組成的矩陣WP=[WP1WP2WP3WP4]，則方案層P對目標(biāo)層O的層次總排序?yàn)椋篧=Wp·Wc。

設(shè)方案層P對準(zhǔn)則層C的層次單排序一致性指標(biāo)為CIi(i=1,2,…,4)，隨機(jī)一致性指標(biāo)為RIi(i=1,2,…,4)，則層次總排序的一致性比率為：

(3)

當(dāng)CR<0.1時，層次總排序通過一致性檢驗(yàn)。層次總排序具有滿意的一致性，否則需要重新調(diào)整那些一致性比率高的判斷矩陣的元素取值。

由此，依據(jù)方案層P的層次總排序做出最后決策。

4 實(shí)例應(yīng)用

以城軌制動控制裝置外部零部件為研究對象，通過層次分析法進(jìn)行表面處理優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4.1 層次結(jié)構(gòu)的建立

城軌制動控制裝置的外部零部件主要包括風(fēng)缸、管座、濾清器、消音器，優(yōu)化前這些零件都是按照項(xiàng)目要求，進(jìn)行表面噴漆處理。由于各項(xiàng)目的噴漆顏色、厚度等指標(biāo)不同，故這些零件在各項(xiàng)目之間不能通用，無法形成批量化生產(chǎn)，成本較高。

圖1 城軌制動控制裝置外部零部件圖示

為了改善這種情況，需要對這幾種零部件進(jìn)行表面處理的優(yōu)化設(shè)計(jì)。由于這幾種零部件的材質(zhì)為不銹鋼，運(yùn)營環(huán)境為車下運(yùn)用，初步確定了5種表面處理方式，分別為：鑄造面本體、統(tǒng)一顏色噴漆、噴砂、拋丸、拋啞光。

根據(jù)3.1節(jié)的方法，可以從生產(chǎn)成本、外觀效果、表面性能和工藝性4個方面建立如圖2層次結(jié)構(gòu)。

圖2 城軌制動控制裝置外部零部件表面處理層次結(jié)構(gòu)

4.2 構(gòu)造判斷矩陣

首先，根據(jù)第2節(jié)中的設(shè)計(jì)原則，分別從生產(chǎn)成本、外觀效果、表面性能和工藝性4個方面進(jìn)行對比分析。

(1)鑄造面本體

優(yōu)點(diǎn)：由于不需要進(jìn)行附加處理，所以成本最低。

缺點(diǎn)：鑄造面本體通常顏色一致性較差，表面粗糙，不美觀。由于不進(jìn)行表面處理，故耐腐蝕性完全依靠不銹鋼本體，雖然可以滿足運(yùn)用要求，但性能不高。

(2)噴漆處理(統(tǒng)一噴漆顏色，色號RAL9006)

優(yōu)點(diǎn)：防腐性能好，美觀，顏色與氣路板本色陽極氧化后近似，項(xiàng)目之間可以通用。

缺點(diǎn)：工藝性無改進(jìn)(只改變原噴漆顏色)，生產(chǎn)成本相比其他處理方式高。

(3)噴砂處理(沙粒30號，白剛玉沙)

優(yōu)點(diǎn)：操作簡便，沙粒成本低，只需采購要求大小的沙粒，有噴砂機(jī)即可操作。表面一致性好，遮蓋瑕疵。

缺點(diǎn)：表面粗糙度高，易附著污漬，不易清洗。顏色與氣路板陽極氧化后色差大，外觀效果不佳。

(4)拋丸處理(鋼球直徑0.3 mm)

優(yōu)點(diǎn)：拋丸處理屬于物理處理方式，對環(huán)境無污染。操作簡便，鋼球成本低，只需采購要求大小的鋼珠，有拋丸機(jī)即可。操作表面一致性好，遮蓋瑕疵。

缺點(diǎn)：拋丸處理后的產(chǎn)品外觀與氣路板本色陽極氧化后的顏色有輕微差異。

(5)拋啞光處理

優(yōu)點(diǎn)：產(chǎn)品外觀美觀，有光澤，與氣路板本色陽極氧化后顏色近似。

缺點(diǎn)：拋啞光處理屬于化學(xué)處理方式，工序較復(fù)雜，對環(huán)境有一定污染，且不能遮蓋產(chǎn)品表面的麻點(diǎn)等物理缺陷。

綜合分析的結(jié)果如表3所示。

通過上述分析可以發(fā)現(xiàn)，每種方案均具有不同的優(yōu)缺點(diǎn)，無法直接確定最適合的方案。這就需要運(yùn)用兩兩對比法，進(jìn)行分別對比，構(gòu)造判斷矩陣。

表3 方案綜合分析表

由于構(gòu)造判斷矩陣主觀因素較強(qiáng)，這就需要綜合考慮設(shè)計(jì)、工藝、質(zhì)量、采購等多個不同專業(yè)的意見，以減少個人主觀因素的影響，同時參照表1的標(biāo)度方法，統(tǒng)一打分標(biāo)準(zhǔn)。

按照上述方法，構(gòu)造準(zhǔn)則層C關(guān)于目標(biāo)層O的判斷矩陣：

(4)

同理，構(gòu)建方案層P的各方案關(guān)于準(zhǔn)則層C的判斷矩陣P1、P2、P3、P4、P5。

4.3 計(jì)算層次單排序及一致性檢驗(yàn)

通過MATLAB編程計(jì)算，得到判斷矩陣C的最大特征值λC=4.215 3，該特征值對應(yīng)的歸一化特征向量Wc=[0.417 2 0.333 7 0.058 6 0.190 5]T。

則可計(jì)算得到一致性指標(biāo)為：

(5)

參照表2得到RI=0.9，則一致性比率為：

(6)

根據(jù)一致性比率的計(jì)算結(jié)果，判斷矩陣C通過了一致性檢驗(yàn)。

同理，對方案層P的判斷矩陣P1、P2、P3、P4、P5依次進(jìn)行層次單排序與一致性檢驗(yàn)，計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 方案層單排序與一致性檢驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，各判斷矩陣通過了一致性檢驗(yàn)。

4.4 計(jì)算層次總排序及一致性檢驗(yàn)

根據(jù)準(zhǔn)則層單排序權(quán)向量和各方案層單排序權(quán)向量，計(jì)算方案層P對目標(biāo)層O的層次總排序權(quán)向量W為：

(7)

同時，計(jì)算層次總排序一致性比率為：

(8)

層次總排序一致性比率CR<0.1，通過一致性檢驗(yàn)。

依據(jù)層次總排序權(quán)向量W的權(quán)重排序W4>W1>W2>W5>W3，故最終選擇P4拋丸作為城軌制動控制裝置外部零部件表面處理的最優(yōu)方案。

根據(jù)分析結(jié)果，按照優(yōu)化后的方案進(jìn)行了小批量試制，如圖3所示。

圖3 優(yōu)化后的城軌制動控制裝置外部零部件

優(yōu)化后的制動控制裝置外觀效果較好，生產(chǎn)成本顯著降低，有效縮短了制造周期，零部件的項(xiàng)目通用性增強(qiáng)，達(dá)到了優(yōu)化的目標(biāo)。

目前，新方案已經(jīng)應(yīng)用于多個城軌項(xiàng)目中，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié) 論

表面處理作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，是實(shí)現(xiàn)城軌制動系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的關(guān)鍵因素。通過分析城軌制動系統(tǒng)各種表面處理方式的特點(diǎn)，提出從生產(chǎn)成本、外觀效果、表面性能與工藝性四個方面進(jìn)行表面處理優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過分析既有經(jīng)驗(yàn)性設(shè)計(jì)方法的不足與局限性，提出了采用層次分析法進(jìn)行定性與定量相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法。

闡述了層次分析法的原理與4個操作步驟：建立層次結(jié)構(gòu)、構(gòu)造判斷矩陣、層次單排序及一致性檢驗(yàn)、層次總排序及一致性檢驗(yàn)。然后，以城軌制動控制裝置外部零部件表面處理優(yōu)化設(shè)計(jì)為實(shí)例，運(yùn)用上述4步完成了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并成功應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)，取得了良好的效果，驗(yàn)證了基于層次分析法的城軌制動系統(tǒng)表面處理優(yōu)化設(shè)計(jì)的可行性與合理性。