可搭載切割設(shè)備的移動(dòng)式升降平臺(tái)關(guān)鍵部件可靠性分析

鄒樹梁,陳樹強(qiáng)*,黃斌海

(1.南華大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院,湖南 衡陽(yáng) 421001,2.核設(shè)施應(yīng)急安全技術(shù)與裝備湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 衡陽(yáng) 421001)

0 引 言

在我國(guó)某核工程設(shè)施退役過(guò)程中有大量試劑輸送管道、蒸汽管線、壓空管道等需要拆除，這些管道一般距離地面有1～6 m的高度，使得拆除工作有一定的難度。目前普遍采用的拆除方法是冷切與熱切相結(jié)合的辦法，即人員在搭設(shè)好的腳手架上利用剪切設(shè)備如液壓剪切機(jī)、往復(fù)鋸等冷切方式或者采用離子電弧切割等熱切割方式對(duì)管道進(jìn)行拆解。由于管道高度不一致，每次剪切時(shí)腳手架需搭接的高度也不一致，使得工作量增加。并且人員站在腳手架上工作，危險(xiǎn)系數(shù)相對(duì)較高[1-2]。為提高工作效率，降低危險(xiǎn)，在現(xiàn)有移動(dòng)式升降機(jī)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出一種全自動(dòng)多自由度移動(dòng)式升降平臺(tái)[3]的基礎(chǔ)平臺(tái)，搭載拆除設(shè)備實(shí)施管道拆除工作。由于移動(dòng)式升降平臺(tái)工作環(huán)境復(fù)雜，零部件易受到輻射，容易加速其失效，如在作業(yè)中途失效便會(huì)造成巨大損失。因此，通常需對(duì)設(shè)備進(jìn)行可靠性分析，提高其安全性并減少經(jīng)濟(jì)損失。

針對(duì)可靠性[4]的研究，V.Talbofer和S.Hoskova[5]運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)及模糊概率理論，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)和空間信息的精確捕捉完成對(duì)指揮控制系統(tǒng)的可靠性分析評(píng)價(jià)。趙德孜[6-7]則是提出模糊綜合評(píng)價(jià)的改進(jìn)方法，以航空發(fā)電機(jī)為對(duì)象，對(duì)系統(tǒng)初期進(jìn)行可靠性分配。鄒小琦[8]以滾珠絲杠副為研究對(duì)象，分析工作中實(shí)際負(fù)載和工作壽命分布狀態(tài)，闡述了滾珠絲杠副的可靠性設(shè)計(jì)方法。劉英[9]等通過(guò)對(duì)數(shù)控刀架系統(tǒng)建立模糊故障樹，發(fā)展三角函數(shù)用以確定部件失效概率，從而對(duì)數(shù)控刀架系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析。在模糊狀態(tài)理論中，一般采取專家打分法獲取可靠性數(shù)據(jù)，但專家打分主觀性較大，難以精確估算事件概率。在1992年S.J.Chen[10]等提出左右模糊排序法，提出了模糊數(shù)向模糊概率的轉(zhuǎn)換。左右模糊排序法利用的是左右優(yōu)勢(shì)度及貼合度來(lái)定義正負(fù)理想點(diǎn)，并通過(guò)α截集將模糊數(shù)變?yōu)閰^(qū)間數(shù)，再將期望值映射到數(shù)軸上，利用其距離形成一個(gè)類似貼近度的綜合排序指標(biāo)，該方法在后面獲取可靠性數(shù)據(jù)方面應(yīng)用比較廣泛，如張靜[11]等利用左右模糊排序法計(jì)算了汽油管道的泄露概率；T.Onisawa[12]研究了人機(jī)系統(tǒng)中人的失誤概率也是應(yīng)用的左右模糊排序。

1 移動(dòng)式升降平臺(tái)可靠性分析模型

可搭載切割設(shè)備移動(dòng)式升降平臺(tái)[13]工作環(huán)境復(fù)雜，在作業(yè)中出現(xiàn)故障將會(huì)造成較大的損失，由于設(shè)備工作環(huán)境的特殊性，相同部件故障率也將會(huì)有所差異，因此，本文將采用模糊集理論來(lái)確定各部件的失效概率。沿用專家評(píng)判的方法，通過(guò)改進(jìn)的隸屬度函數(shù)將專家評(píng)判轉(zhuǎn)換為模糊數(shù)，最后采用左右模糊排序法轉(zhuǎn)換模糊數(shù)為失效概率。

1.1 建立專家評(píng)語(yǔ)集

在評(píng)價(jià)具體事物時(shí)，將評(píng)價(jià)的結(jié)果分成具體的等級(jí)。通常用集合P={p1,p2,…,pn}表示。本文為評(píng)價(jià)可搭載切割設(shè)備移動(dòng)式升降平臺(tái)關(guān)鍵零部件的失效概率，可建立評(píng)語(yǔ)集：P={很小，小，較小，中，較大，大，很大}。組織相關(guān)專業(yè)的專家小組，對(duì)相關(guān)部件依次用評(píng)語(yǔ)集進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1.2 專家意見(jiàn)量化

在專家對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行評(píng)判后，利用模糊集處理專家的評(píng)判意見(jiàn)。本文采用嶺行隸屬度函數(shù)[14]將專家意見(jiàn)量化，其相較三角及梯形隸屬度函數(shù)具有更好的平滑性。而一般中間型隸屬度函數(shù)通常用于一級(jí)評(píng)語(yǔ)，為了改善平滑性并適用多級(jí)評(píng)語(yǔ)，將采用改進(jìn)的中間型嶺型隸屬度函數(shù)[15]，見(jiàn)式(2)。

偏小型隸屬度函數(shù)為

(1)

改進(jìn)的中間型隸屬度函數(shù)為

(2)

偏大型隸屬度函數(shù)為

(3)

式中n為評(píng)語(yǔ)的總集數(shù)；ni為級(jí)數(shù)，例如評(píng)語(yǔ)集為{很小，小，較小，中，較大，大，很大}，n=7，令ni=i，當(dāng)評(píng)語(yǔ)為“很小”時(shí)，i=2，當(dāng)評(píng)語(yǔ)為“小”時(shí)，i=3。

1.3 計(jì)算模糊數(shù)

對(duì)應(yīng)評(píng)語(yǔ)集建立隸屬度函數(shù)，對(duì)專家評(píng)判意見(jiàn)進(jìn)行模糊數(shù)計(jì)算，采用模糊集的?截集。設(shè)式(1)～式(3)的?截集為?=[k1,k2]，k1和k2為?截集的上限和下限。式(1)～式(3)的截集計(jì)算如下。

1)偏小型隸屬度函數(shù)截集為?=[s1,s2]。

則

2)中間型隸屬度函數(shù)的截集為?=[z1,z2]。

則

3)偏大型隸屬度函數(shù)截集為?=[l1,l2]。

則

通過(guò)計(jì)算上述截集，得到的模糊集可適用于多級(jí)評(píng)語(yǔ)。也得到了各種模糊語(yǔ)言與模糊數(shù)w對(duì)應(yīng)的關(guān)系函數(shù)。

偏小型為

(4)

中間型為

(5)

偏大型為

(6)

1.4 模糊數(shù)轉(zhuǎn)換為模糊率

通過(guò)計(jì)算模糊數(shù)w，轉(zhuǎn)換專家意見(jiàn)為[0,1]的模糊集合，采用左右模糊排序法將模糊數(shù)轉(zhuǎn)換成模糊分?jǐn)?shù)s。

則左、右模糊可能性值可表示為

(7)

(8)

(9)

將模糊可能性分?jǐn)?shù)S轉(zhuǎn)換為模糊失效概率P。

(10)

(11)

由此，結(jié)合模糊數(shù)學(xué)與專家打分建立移動(dòng)式升降平臺(tái)失效概率的計(jì)算模型。改模型的操作步驟見(jiàn)圖1。

圖1 移動(dòng)式升降平臺(tái)可靠性計(jì)算流程Fig.1 Flow for reliability calculation of mobile lifting gear

2 模型的應(yīng)用與分析

選取移動(dòng)式升降平臺(tái)傳動(dòng)系統(tǒng)的零部件為例，計(jì)算其失效概率。根據(jù)移動(dòng)式升降平臺(tái)在實(shí)際工作過(guò)程中，傳動(dòng)系統(tǒng)屬于比較容易出故障的地方。因?yàn)槠涔ぷ鲌?chǎng)地的特殊性，一旦發(fā)生故障，工作人員很難進(jìn)行維修，因此，對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)零部件進(jìn)行可靠性分析對(duì)工裝的安全持續(xù)使用有著重要意義。

2.1 專家評(píng)價(jià)意見(jiàn)

1)權(quán)重的確定

組織專家對(duì)平臺(tái)傳動(dòng)系統(tǒng)各零部件進(jìn)行故障模式的評(píng)判。由于各個(gè)專家的經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)層面等影響因素差異，評(píng)價(jià)結(jié)果也會(huì)有差異，為了提升結(jié)果正確性，根據(jù)各自情況賦予相應(yīng)專家對(duì)應(yīng)權(quán)重。設(shè)專家小組為n位，每位權(quán)重為mj，則專家權(quán)重計(jì)算式為

(12)

式中Cj為第j位專家所得的分，參考表1給每位專家打分。

在此次評(píng)價(jià)中，共邀請(qǐng)了5位專家，其中兩名教授，一名安全工程師，一名機(jī)械工程師，一名維修專家。依據(jù)表一評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)5位專家的資質(zhì)，工齡，學(xué)歷等進(jìn)行打分，然后根據(jù)分值估算權(quán)重值，見(jiàn)表2。

2)專家評(píng)價(jià)結(jié)果

本文選取了傳動(dòng)系統(tǒng)零部件各2中常見(jiàn)失效模式為算例。5位專家對(duì)每個(gè)零件的每種故障模式進(jìn)行評(píng)價(jià)，其評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表3。

表1 評(píng)估小組成員的分值分配Table 1 Score allocation of panel members

表2 專家權(quán)重分配Table 2 Expert weight allocation

2.2 失效概率的計(jì)算

由于故障評(píng)語(yǔ)集語(yǔ)言分為7個(gè)等級(jí)，為了保持隸屬度函數(shù)的連續(xù)性和平滑性，取a=0.125，b=0.25，n=7，i=1，2，3，…，7。因此得出模糊數(shù)的關(guān)系函數(shù)。

(13)

(14)

(15)

當(dāng)評(píng)語(yǔ)為“很小”時(shí)，記i=2，當(dāng)評(píng)語(yǔ)為“小”時(shí)，記i=3，以此類推ni=i。

根據(jù)專家評(píng)價(jià)結(jié)果，“軸疲勞斷裂”失效計(jì)算

因此

同理對(duì)“軸重心偏置”失效可能進(jìn)行計(jì)算得

移動(dòng)式升降平臺(tái)傳動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵零部件故障概率計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 傳動(dòng)系統(tǒng)零部件故障概率計(jì)算結(jié)果Table 4 Calculation results of failure probability of transmission system components

由計(jì)算結(jié)果可知，液壓缸跟滾珠絲杠模糊失效概率較高，可靠性較低。計(jì)算結(jié)果與實(shí)際零部件可靠性對(duì)比，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際較為貼近。因此，滾珠絲杠與液壓缸作為系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)，提高其安全性能，增加可靠性對(duì)移動(dòng)式升降平臺(tái)的安全性能與實(shí)際安全操作具有重要意義。

液壓缸系統(tǒng)在停止瞬間，主要體現(xiàn)在對(duì)活塞桿的沖擊上，因此，需提高活塞桿的強(qiáng)度，保證活塞桿承受沖擊時(shí)有一定的安全余量。由于長(zhǎng)時(shí)間的柱塞運(yùn)動(dòng)，頻繁的摩擦，提高油液質(zhì)量也至關(guān)重要，保證油液不含雜質(zhì)。長(zhǎng)期往復(fù)運(yùn)動(dòng)會(huì)造成柱塞桿的應(yīng)力疲勞，甚至斷裂失效，需定期進(jìn)行探傷檢測(cè)，保證柱塞桿疲勞強(qiáng)度。滾珠絲杠主要失效形式為表面損傷失效，斷裂失效。表面損傷失效主要考慮潤(rùn)滑與工作環(huán)境，應(yīng)優(yōu)化潤(rùn)滑方式，選擇合適的潤(rùn)滑劑和潤(rùn)滑量，安裝時(shí)保證零件與環(huán)境的清潔，優(yōu)化密封結(jié)構(gòu)。斷裂失效是由于載荷過(guò)高，異物污染以及材料缺陷造成，因此應(yīng)選用合適的產(chǎn)品，避免沖擊振動(dòng)，保證工作環(huán)境的清潔，選用合適的密封產(chǎn)品。

3 結(jié) 論

1)建立移動(dòng)式升降平臺(tái)可靠性分析模型，通過(guò)改進(jìn)的隸屬度函數(shù)將專家意見(jiàn)轉(zhuǎn)化為模糊數(shù)，采用左右模糊排序法將模糊數(shù)轉(zhuǎn)化為模糊率，從而得到移動(dòng)式升降平臺(tái)故障概率的計(jì)算模型。

2)以移動(dòng)式升降平臺(tái)傳動(dòng)系統(tǒng)零部件為例進(jìn)行計(jì)算，求得各零部件失效概率，通過(guò)對(duì)比分析，液壓缸與滾珠絲杠為傳動(dòng)系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)。

3)針對(duì)液壓缸與滾珠絲杠可能的失效形式，提出增加其可靠性的應(yīng)對(duì)措施。