基于FTA 与AHP 结合的特种车辆变速系统故障研究

辛井超，兰 翔，郭晓辉，王旭平，李 浩，袁晓静

（1.火箭军士官学校，山东潍坊 262500；2.火箭军工程大学，陕西西安 710025）

0 引言

未来战争中，火箭军将发挥重要的战略威慑作用，也将成为重点打击目标，如何实现战时的装备快速精准抢修对于保持战斗力非常关键。备件的科学供应是有效抢修的关键环节，而对装备的受损研判和损伤的准确定位是备件准确提供的重要前提。

近年来，以此为核心的备件需求研究的内容有很多：潘显俊等建立了一种分数阶离散灰色模型来研究备件需求问题[1]；李树广等采用粗糙集方法对备件需求进行预测[2]；陶小创等建立了备件保障概率模型，增强了备件需求预测的可操作性[3]；刘任洋等提出了一种基于寿命分布等效的表决系统备件需求量计算方法[4]；胡起伟等基于备件需求率模型研究了考虑预防性维修的备件需求量计算问题[5]，但所建立的模型仅考虑了工龄更换维修策略，有待考虑成组更换、状态维修等更多维修策略下备件需求量计算建模。

还有一些文献综合运用多种方法确定备件需求，林琳等采用神经网络和时间聚合法对间断型备件需求进行计算[6]，提出了相应的预测方法，但存在误差较大的风险；赵建忠等采用粗糙集—熵权—支持向量机方法对导弹备件需求进行预测[7]；董骁雄等采用相似系统理论和Bayes 方法计算初始备件需求[8]；宋光浩等针对故障相对频繁的设备部件，根据历史故障数据预测备件需求量[9]；Babai M.Z 等提出了一种新的基于复合泊松分布的贝叶斯方法来对备件需求预测[10]。贝叶斯法的主要缺点是要求有非常多的样本，而且各种可能的需求量值必须在样本中出现过。对于间断需求序列，贝叶斯法对样本的要求很高，因此该方法只能适用于一些特殊的情况，通用性不高。

当前，特种车辆是实现导弹武器系统无依托机动发射的重要根基，随着实战化的深入，发射单元接受到作战任务后，需要进行机动实施作战。执行任务时，某特种车辆在复杂环境下受损的可能性大，特别是机动过程中底盘变速系统容易受损。因此，研究复杂环境携带资源有限的情况下，特种车辆备件能否精确携带直接影响作战行动需求。本文以某型特种车辆为例，首先利用故障树分析法对损伤模式和部位进行准确的定位，再运用运用层次分析法对这些故障进行定性定量分析，获得各故障危害等级，为指挥员科学决策备件的携带种类及数量提供理论依据。

1 运用故障树分析法进行故障分析

1.1 故障树分析法原理

故障树分析法（Fault Tree Analysis，FTA）是安全关键系统设计过程中进行安全性、可靠性分析的重要方法[10]，主要采用逻辑方法进行危险的定量与定性分析，体现出系统工程方法研究安全问题的系统性、准确性、预测性。通过定量及定性的分析方法，对系统的可靠性以及相关因素进行深入分析，对于有关顶层事件发生的因素，可以通过故障树进行分析对系统的失效情况进行判断，最终目的是利用故障树进行的分析调整系统设计，提高系统的安全性以及可靠性。

1.2 特种车辆变速系统损伤故障

在遂行发射任务时，某型特种车辆通常需要进行长距离公路机动，尤其跨区域机动时，应对的复杂环境多种多样，容易发生故障。梳理相关资料，对变速系统损伤故障进行分析定位。

特种车辆变速系统损伤的主要原因有液力变矩器故障、变速器故障、液力缓行器故障、取力器损伤、冷却系统损伤。为此，以特种车辆变速系统损伤作为顶层事件，建立该故障模式的故障树（图1）：自顶而下，顶事件为特种车辆不能正常行驶故障T，中间故障为N1～N5，最底层故障为M1～M26（表1）。

图1 特种车辆变速系统损伤故障树

表1 特种车辆变速系统损伤故障明细

根据故障树及表1 可知，特种车辆变速系统损伤的原因主要由N1～N5 五类中间故障导致，与其相对应的M1～M9、M10～M18、M19～M21、M22～M24、M25～M26 等26 类底层基本故障是造成中间故障的根本原因。当变速系统发生损伤时，首先检查确认底层故障M1～M9，即前盖、锁止离合压片、锁止离合摩擦片、减振器、单向离合器、涡轮、导轮、推力轴承、泵轮是否损伤，确定液力变矩器是否发生故障；其次检查确认底层故障M10～M18，即变速箱壳体、齿圈、太阳轮、行星轮、行星架、快慢档控制气路、软轴、执行气缸、变速箱离合器是否损伤，确定变矩器是否发生故障；同理，对底层故障M19～M26 进行检查，确定是否为液力缓行器故障、取力器损伤或冷却系统损伤，达到故障定位的目的。

2 基于层次分析法的变速系统损伤故障分析

2.1 层次分析法原理

层次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）是将与目标层总是相关的元素分解成目标、准则、方案等层次，而后进行定性定量分析的决策方法，可以通过YAAHP 软件进行可视化建模与计算[11]。使用YAAHP 软件可以创建模型、生成AHP 调查问卷、输入判断矩阵，进行输入矩阵的一致性检验和底层对目标层影响权重计算，并且还能实现动态的灵敏度分析，以及数据的导出。层次关系可以显示出某型特种车辆底盘变速系统在战场情况下的损伤与各种因素之间的关系。尤其是可靠性研究方面，不同分系统、不同零部件之间与特种车辆战场损伤的权重关系可以通过图形清楚地表达出来。

2.2 判断矩阵的构建

考虑到要素层的因素较多，专家评分难以得到客观的评价，因此对层次模型进行分析时采用Santy 提出的一致矩阵，可以将不同的因素两两比较，降低不同种因素比较的难度，从而提高准确性。

根据模型情况，邀请6 名专家评分，分别是教学经验丰富的姚春江教员、彭涛教员，教练团负责操作维修保养的4 名高级士官，他们经历过某型装备列装之前的多种适应性试验。根据德尔菲法的思路对模型进行处理打分，将数据处理后录入矩阵模型，得到图2 的判断矩阵。

图2 层次模型矩阵录入（B2-C2m）

利用根据“1—9 尺度表”的专家评分表，得到以下6 个判断矩阵，其中Wi为相对权重（图3～图8）。

图3 变速系统战场损伤判断矩阵

图3 是通过比较液力变矩器、取力器、冷却系统、变速器、液力缓行器5 个分系统的相对重要程度，获得对特种车辆底盘变速系统的重要程度的相对权重（Wi），由图可知液力变矩器、取力器、冷却系统变速器、变速器、液力缓行器的影响权重分别为0.242 2、0.100 8、0.500 5、0.104 3 和0.052 2。

图4～图8 是各个分系统的零部件对各分系统的重要性权重的影响，其表达方式与图3 相同。

图4 液力变矩器判断矩阵

图5 取力器损伤判断矩阵

图6 冷却系统损伤判断矩阵

图7 变速器判断矩阵

图8 液力缓行器判断矩阵

2.3 判断矩阵的构建

在YAAHP 软件中，可以得到各个分系统层要素对于某个底层要素权重排序。具体可以通过软件中的“层次结构”计算和“关于此项的权重排序”两种方式实现：如果判断矩阵设定了自动调整一致性，软件可以直接进行相对权重计算并进行排序；如果不一致或判断矩阵补充不完整，则需要选定自动补全判断矩阵选项，软件将切换至结果页面，显示与子目标相关的计算结果。

在本模型中，构建判断矩阵，并通过一致性检查完成对目标层B 的权重排序计算（图9、图10）。

图9 对目标层的权重排序

图10 对变速系统战场损伤的权重计算结果

2.4 灵敏度分析

由于战场环境是不断变化的，并且随着任务的进行，零部件的可靠性会改变，为了能够掌握在执行任务过程中零部件的可靠性，需要进行灵敏度的分析。

YAAHP 软件通过改变某一要素的权重来进行灵敏度分析，观察权重产生怎样的变化。当改变某个要素权重后，其他的权重将会按照最初的权重比例来相应改变。

在图11 中，当在研究冷却系统对变速系统战场损伤影响时，横坐标表示的是冷却系统占变速系统战场损伤的权重，由图11 可以看出，随着冷却系统的权重由0→1 逐渐递增，其他系统对变速系统战场损伤的影响权重越来越小，冷却系统的散热器和管路对变速系统战场损伤的影响越来越大，当冷却系统损伤为1时，散热器和管路的影响权重分别约0.66、0.33。

图11 灵敏度分析下的冷却系统对变速系统战场损伤影响权重变化

2.5 评估结果分析

运用YAAHP 软件，进行层次分析法评价，把原本的定性评价转换成为定量的评价，其技术优势是规避了传统纯粹的打分主观性强的难题，结果清晰，较好的解决了模糊、难以量化的问题。由图11 计算结果可知，液力变矩器、取力器、冷却系统、变速器、液力缓行器对变速系统的损伤权重分别是0.242 2、0.100 8、0.500 5、0.104 3 和0.052 2，可见对变速系统战场损伤影响最大的是冷却系统。通过比较这些危害度的大小，就可以在实战状态下对损伤进行快速定位以及维修顺序的安排管理。就此也与一线部队交流，发现结果相似度高。

3 结论

（1）运用故障树分析法对特种车辆变速系统损伤故障进行分析，形成了特种车辆底盘典型的故障树，获得了对故障精准定位的方法。

（2）研究发现，特种车辆变速系统损伤时，各总成的损伤权重由高到低依次为冷却系统、液力变矩器、变速器、取力器、液力缓行器，为特种车辆战时维修保障提供了技术支持。