基于层次分析法的船舶减速器故障模式影响分析★

胡宁，张棠清，王镱涵，吴凡

（1.工业和信息化部电子第五研究所，广东 广州 511370；2.工业装备质量大数据工业和信息化部重点实验室，广东 广州 511370）

0 引言

船舶减速器是船舶的关键传动装置，在船舶动力系统中起到重要的作用，减速器一旦故障就将导致船舶动力系统瘫痪，造成不可估量的损失。因此，对减速器的失效进行全面的风险分析，采取相应的预防措施对于提高船舶整体的安全性与可靠性具有十分重要的现实意义。目前针对产品的失效风险分析主要是通过故障模式及影响分析（FMEA：Failure Mode and Effect Analysis）的方法实现的[1]。FMEA能够确定产品的失效逻辑关系，但在风险分析中存在主观性强、无法准确地评估风险优先等级等缺点，可能导致减速器维修决策的误判，造成维修资源配置不合理，增加运维的时间成本和人力成本。

船舶减速器的故障维修方案众多，例如：更换零件、增加检查频率和再改造等。不同的方案在成本、技术难度和实施效果方面存在较大的差异，因此需要明确减速器故障模式的维修重要度排序，提供科学合理的决策依据。

Hassan S F针对船舶发动机变速箱轴和离合器轴开展了故障分析，提出了减速器强度材料采用深度淬火热处理，选用较低硬度的合金钢做离合器轴，并定期检查和维护等措施[2]。江瑞等[3]针对减速器的故障，结合实际的运行数据进行了FMEA，确定了故障影响因素。根据实际的运行经验和故障统计数据，提出了高效的故障解决方案。张渊博等[4]针对减速器进行了FMEA，提出了促进风机减速器正常运行的若干措施。孙晓伟[5]在统计数据的基础上对减速器的主要结构件进行了FMECA，确定了减速器故障模式危害性次序，探讨了减速器的运行维护和故障防范措施。

目前针对减速器做FMEA的学术研究较少，仅停留在采取传统的FMEA流程找出潜在的故障模式并确定风险等级，从而给出解决措施。然而减速器的结构复杂，存在故障模式风险等级相同或风险等级与实际不符的情况，致使解决措施未能及时、有效地处理故障。因此，需要对传统FMEA的流程加以改进。

本文针对这一痛点问题在FMEA的基础上引入层次分析法对船舶减速器风险分析中的风险优先等级（RPN）进行修正性改进，针对船舶减速器的典型故障模式实现风险定量化分析，减少RPN误判造成的不良后果，为船舶减速器提供科学的维修指导。

1 基于层次分析法的减速器FMEA

1.1 FMEA

FMEA是质量可靠性设计分析的重要工具之一。自20世纪40年代被首次应用以来，已在汽车、医疗、电子和航空航天等领域中得到了广泛的应用，是保证产品高可靠性、安全性，提高用户满意度的重要工具。FMEA旨在分析产品或项目可能产生的故障模式、原因和影响，其核心在于按照不同层级故障模式的严重程度（S）、探测度（D）和频度（O）进行整体风险评价[6]。从而找出产品的薄弱环节，采取适当的纠正措施，提高产品的质量可靠性。

传统的FMEA通过将S、O和D 3项评价指标的乘积RPN作为风险等级，而美国汽车工业行动小组（AIAG：Auto Industry Action Group）和德国汽车工业协会（VDA：Verband der Automobilindustrie）联合发布的新版FMEA标准中采取行动优先级（AP）值评估风险水平。但上述两种方式无法避免不同的故障模式出现风险等级数值相同或接近的情况，这样会导致故障模式的风险等级模糊，甚至造成分析结果与实际的产品需求或事实不符合的情况。此外，FMEA的S、O、D数值确定源自专家评分，难以避免带有主观色彩。因而，采用客观合理的风险评价指标数值来降低FMEA的主观性是非常重要的。

1.2 层次分析法

a）层次分析法概念

层次分析法是系统分析与决策中将与决策有关的元素分解成目标、准则和方案等层次，并在此基础上进行定性和定量分析的决策方法。通过建立决策系统的层级结构、构造两两因素的比较决策矩阵，以及计算要素权重等方法得到属性或因素的重要度排序。

b）决策矩阵

层次分析法的决策矩阵是求解元素之间相对准则重要性（即权重）问题的依据，是属性值和准则这两个要素的基础。设aij表示元素i和j相对于准则的重要度的比例标度，即：

aij的标度取值范围如表1所示。

表1 决策矩阵的标度取值

则对于n个元素而言，可得两两元素之间的决策矩阵A=（aij）n×n，构造矩阵格式为：

c）权重计算和一致性检验

权重计算是将二维数组的决策矩阵转换成一维权重数组的过程，其实质为计算决策矩阵的最大特征根和特征向量λ。各层级相对权重的计算需根据决策矩阵A=（aij）n×n来求出元素对于上一层因素的相对权重向量W=（w1，w2，……，wn）T。一致性检验采用一致性比率CR值作为判定指标，若CR＜0.1，则认为决策矩阵的一致性是可以接受的；否则认为决策矩阵的一致性是不能接受的。CR的计算公式为CR=CI/RI，其中，CI为一致性指标，CI=（λ-n）/（n-1）；RI为随机一致性指标，RI随维度n变化，n与RI值的关系如表2所示[7]。

表2 随机一致性指标RI取值

1.3 基于层次分析法的FMEA方法

针对传统FMEA方法在风险评估中风险等级评估方面的不足之处，本文在FMEA方法的基础上结合层次分析法对RPN进行了修正。考虑故障模式涉及的各个方面，进一步地综合各种因素来对故障模式进行评价、排序和制定纠正措施，提供定量计算故障风险等级的方法。

改进FMEA方法的流程图如图1所示，通过FMEA进行风险分析，得到分析对象的RPN。采用层次分析法分析得出故障模式的影响因素对应的权重wi以修正RPN，引入RPN'=RPN×wi作为修正的RPN，得到更加精确的风险等级评估方式。

图1 修正风险优先等级流程

2 案例介绍

为了验证上文所提方法的实用性，本文对某船舶减速器进行故障模式风险分析。针对船舶减速器的各个系统部件，分析各个关键零部件故障对整体船舶减速器系统运行的可靠性和安全性等方面的影响、潜在的风险和带来的损害，研究故障模式的RPN。

应用FMEA方法对船舶减速器进行结构分析，可知减速器由齿轮结构、轴承系统、润滑系统和固定结构等关键部分组成。减速器常见的故障模式有漏油/油压过低、油温异常、齿轮啮合状态不佳、轴承损坏和箱体振动异常等。以上述5种故障模式构建的减速器FMEA分析简图如表3所示。

表3 某船舶减速器FMEA分析简图

通过FMEA可找出缺陷和薄弱环节，并采取相应的措施改善。影响改善措施实施的因素主要包含技术可行性、经济性和故障模式重要度，而RPN的大小对于采取何种改善措施起主导作用。从表3中可知，漏油/油压过低＞齿轮啮合状态不佳=箱体振动异常＞油温异常＞轴承损坏。其中，轴承损坏的危害性最高，但风险等级系数较低，且箱体振动异常与齿轮啮合状态差的风险等级相同，这与实际情况存在差异，因此无法准确地描述出故障模式风险排序，将影响最终的维修策略。

为了准确地判断各个失效的风险等级排序，采用基于层次分析法改进的FMEA方法对船舶减速器的故障模式风险重新评估。

针对船舶减速器的典型故障模式，结合船舶减速箱的故障维修时长数据和专家参照表1评分细则所得的评分，给出如表4所示的决策矩阵。

表4 船舶减速器故障模式决策矩阵

通过计算决策矩阵对应的特征向量，获得各种故障模式对应的权重为W=（0.281 8，0.413 2，0.066 2，0.131 8，0.1069）T。经验算CR=0.030 9＜0.1，通过一致性检验。从权重分析中得出5种故障模式的风险重要度排序。根据图1所示的公式计算出5种故障模式的RPN修正值，如表5所示。

表5 船舶减速器修正风险优先等级

从结果中可得，船舶减速器5种故障模式的风险等级和重要度排序为：漏油/油压过低＞齿轮啮合状态不佳＞油温异常＞振动异常＞轴承损坏，该方法将不同故障模式的RPN区分开，更切合实际情况。通过该实例验证了利用层次分析法改进FMEA的方法进行风险评估的可行性。

3 结束语

在船舶减速器FMEA的基础上，结合层次分析法对RPN进行了修正，通过决策矩阵等方式计算故障模式风险权重，得出修正的RPN，以某船舶减速器的故障模式风险分析为例验证了此方法的可行性。本文提出的方法仅是对RPN进行简单的修正，未达到完全定量分析风险的目的，通过建立更深维度的风险分析模型，结合FTA、HARZARD和RBD等风险分析技术可进一步地完善船舶减速器的故障模式风险分析，提供更科学、合理的决策参考依据。