面向全生命周期的产品可维护度评价

简小刚,蔡帅博,陈前锋,刘 钊,石来德

(1.同济大学 机械与能源工程学院,上海 201804;2.广西柳工机械股份有限公司,广西柳州 545005)



面向全生命周期的产品可维护度评价

简小刚1,蔡帅博1,陈前锋2,刘 钊1,石来德1

(1.同济大学 机械与能源工程学院,上海 201804;2.广西柳工机械股份有限公司,广西柳州 545005)

对产品进行可维护性评价,是优化产品设计方案、提升产品品质的有效手段.对产品可维护性研究的国内外现状进行了分析与梳理,结合实际需求提出了产品可维护度的概念及内涵.基于产品全生命周期理论,建立了产品可维护度综合评价指标体系及其计算模型,并以实际案例验证其可行性,为产品设计方案优化提供依据.

可维护度; 全生命周期; 模型; 评价方法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)

产品维护的目的是保持或恢复其规定状态,相应的可维护性也就是在规定的约束(包括条件、时间、方法等)下完成维护保养的能力[1].用“可维护度”来评价面向全生命周期的产品可维护性,有助于规范产品可维护性评价流程,促使产品设计的各项指标改进,进而实现优化产品设计方案、提升产品经济性的目的,同时也符合节能减排、保护生态环境的社会理念.

另一方面,产品可维护性的评价是一个涉及多因素、多目标的决策过程,而目前关于产品可维护性的评价研究仍停留在定性的范围内,维护工作仍然依赖于维护人员对整个系统的熟悉程度[2].可维护度这个衡量产品可维护性的数量指标的提出,相较于传统的评价模型,其对于产品可维护性的评估更加精确,而国内在这方面的研究目前还很缺乏,因此,建立一种新型的面向全生命周期产品可维护度评价模型已迫在眉睫.

1 国内外研究现状

可维护性是指通过维护保养,使产品尽量保持正常工作能力的特性,它是一种质量特性,这种质量特性既可以用定性的特征来表达,也可以用定量的参数来表达.可维护度评价是对产品可维护性的综合度量,是一种定量评价.表1为国内外产品可维护性评价研究现状.

从以上的研究中仍然可以看到一些不足:一方面,目前国内机械领域经常将可维护性的含义包括在可维修性中,造成两者混淆,事实上是错误的.设备的日常维护保养通常包括清扫、润滑、紧固、堵漏等,而维修则是对于发生故障后的设备进行检测修理,将其恢复至正常工作状态.两者实施阶段不同,操作方式不同,涉及费用也不同.另一方面,评价产品维修性的方法各异,在评价指标框架的建立上具有很强的主观性,缺乏规范化的评价流程以及定量的综合评价指标,评估结果准确性有待验证,难以在实际运用中为产品设计部门提供有效的参考.

表1 国内外产品可维护性评价研究现状

因此,要实现良好的产品可维护性评价就需要建立全面、系统、清晰的可维护性评价体系.

2 可维护度评价研究

2.1 可维护度定义及内涵

根据以上分析,可维护度可定义为:产品在规定时间及条件下,通过维护保养,保持规定功能状态的难易程度(概率).概念采用了“三规定一概率”的定义方式,包含了与可维护度密切相关的五个要点:产品、条件、时间、功能、概率,其关系如图1所示.

图1 可维护度要素

可维护度作为评价产品可维护性的定量指标,这一概念的提出,旨在通过前期小代价的维护保养措施,避免或降低故障发生后高昂的维修费用,符合现代社会的理念.根据产品可维护度概念,其内涵可分为两个层面:一为产品各组成部分在维护保养时的相对难易程度;二为产品的所有组成部分有关可维护性的综合度量.

2.2 可维护度评价指标体系

根据可维护度概念及其内涵,评价指标体现为两个方面:固有属性和外部因素.固有属性是产品在设计、制造中赋予的,包括出厂的设计等,这在很大程度上已经决定维护时的难易程度;外部因素是产品在实际使用过程中表现的一种性能的特性,需要考虑操作使用和维修保障等方面因素的影响,外部因素的变化同样也会影响设备维护的难易程度.

另一方面,产品全生命周期(如图2所示)是指某一产品从设计、生产、使用直到报废的全部时间.产品的全生命周期强调的是其在时间上的意义,不仅包括前期的方案探讨、图纸设计及生产制造的全过程,还包括后期的使用、维护、报废及回收[8].

•设计阶段:产品出厂的结构设计、零部件布局、模块化与否等,这在很大程度上已经决定了维护时的难易程度.

•制造阶段:零部件的材料、用量及工艺均会影响其可维护度的大小.

•使用阶段:涉及工作环境、燃润料品质以及操作人员操作等.

•维护阶段:考虑维护保养时维护人员的位置、动作、操作等,以便考察维护的难易程度.此外,备件保障亦会影响其可维护度.

图2 涉及可维护度的产品全生命周期示意图

图3 产品全生命周期与可维护度关系图

据此可以确定评价指标,将其分为一级、二级和三级3个级别,继而建立评价指标集,具体步骤如下:

①将一级评价指标确定为“固有属性”和“外部因素”;

②将二级指标分为4个,从产品全生命周期着手,“固有属性”下包括“设计”和“制造”阶段,“外部因素”包括“使用”和“维护”阶段;

③将三级指标分为20个,具体如图4所示.

④将图4中的评价指标用因素集的形式表示,即可得到评价因素集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}.

图4 面向全生命周期的产品可维护度评价体系框架图

2.3 可维护度评价模型

产品可维护度评价模型包含各组成部分的评价模型和整体的综合评价模型.各组成部分的可维护度主要依据优先关系矩阵和相关矩阵进行计算(如表2所示).首先,根据模糊层次法计算在各自指标体系中从上至下各级指标的权重;其次,专家对各指标的等级(3个等级:良好、一般、差)予以评价;最后,自下而上对指标进行融合计算,得到各组成部分的可维护度评价值.

根据上述可维护度评价模型的思路,评价流程如图5所示.

图5 产品可维护度评价流程图

2.4 权重系数的确定

根据上述建立的评价指标集,采用模糊层次分析法确定各指标的权重系数.

(1) 构建优先关系矩阵Q,使用优先关系矩阵数量标度方法把qij的取值分为3个标度,具体如表2所示.

表2 优先关系矩阵数量标度方法

构建每个级别评价指标的优先关系矩阵,将二级指标之间的优先关系矩阵记为Q1,将二级指标中设计指标之间的优先关系矩阵记为Q2,将二级指标中制造指标之间的优先关系矩阵记为Q3,将二级指标中使用指标之间的优先关系矩阵记为Q4,将二级指标中维护指标之间的优先关系矩阵记为Q5,表示如下:

上述矩阵中,qi,j表示矩阵的具体赋值,即各因素对应的优先关系矩阵数量标度.

(2) 构造模糊一致矩阵R=(rij)n×n.对模糊互补矩阵Q=(qij)n×n按行求和,记为

(1)

式中:qi为对矩阵Q进行按行求和.

实施如下变换:

(2)

式中:qj为对矩阵Q进行按列求和.

得模糊一致矩阵R=(rij)n×n.

(3) 计算R的权向量gij

(3)

(4)

式中:gi为对gij进行按行求和.

3.5 评价细则的拟定

建立三级评价指标的评价规范,分析其影响因素,以确定评价细则.具体步骤如下:

① 对各项三级评价指标分析影响因素;

② 运用模糊层次分析法确定各影响因素权重;

③ 每项因素以语言定性地表述各项评价指标及其等级划分标准,指标的评语设为三个等级,即良好、一般、差.

3.6 计算可维护度

建立评价模型,设定总分1 000分,根据所对应的权重,将各项指标分数(指标分数=权重×A)、各维护项目对应不同的评价指标,检查所得分数,相加计算总得分,最后进行无量纲化处理,得出可维护度M.A为总分1 000分.

(5)

4 实例分析

以某型装载机检查变速箱油位可维护度评价为例,具体步骤如下:

(1) 将各评价指标用因素集的形式表示,即可得到评价因素集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) 确定各项评价指标的权重

采用模糊层次分析法,建立的优先关系矩阵Q1,Q2,Q3,Q4,Q5:

经过计算可得各项指标权重值

R1的权向量为(0.6729,0.5445,0.4137,0.2767),归一化权重向量w1=(0.353,0.285,0.217,0.145);R2的权向量为(0.4356,0.3463,0.2512,0.5659,0.5659,0.6942),归一化权重向量w2=(0.152,0.121,0.088,0.198,0.198,0.243);R3的权向量为(0.6525,0.4807,0.3029),归一化权重向量w3=(0.454,0.335,0.211);R4的权向量为(0.6525,0.3029,0.4807),归一化权重向量w4=(0.454,0.211,0.335);R5的权向量(0.7042,0.6403,0.5111,0.5759,0.4456,0.3447,0.3447,0.2354),归一化权重向量w5=(0.185,0.168,0.134,0.151,0.117,0.091,0.091,0.063).Ri(i=1,2,3,4,5)分别为与矩阵Qi(i=1,2,3,4,5)对应的模糊一致矩阵.

(3) 分析各项三级评价指标的影响因素,建立评价规范,拟定评价细则;

(4) 根据不同的维护项目,考察指标各有不同,检查变速箱油位指标,具体如表3所示;

(5) 专家根据不同的维护项目,参照评价细则进行打分(检查变速箱油位分值具体如表4所示),计算可维护度.

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

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

经评测,该型装载机检查变速箱油位可维护度为0.88,属于良好状况.

5 结语

本文对产品可维护性研究的国内外现状进行了分析与梳理,结合实际需求提出了产品可维护度的概念及内涵.通过建立产品可维护度评价指标体系与评价算法,综合各项评价指标,能够准确定量评估产品可维护性,为产品设计方案优化提供依据.此外,该评价方法在实际操作中简单易行,评价过程清晰规范,具有较好的推广应用价值.

表3 检查变速箱油位的考察指标

表4 检查变速箱油位分值表

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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

国家“八六三”高技术发展计划资助项目(2014AA041502)

简小刚(1975-),男,副教授.E-mail:jianxgg@tongji.edu.cn

文献标志码： A 文章编号： 1672-5581(2016)01-0006-06