何 珂，姜 萌，劉洋成，王 騫，耿端陽(yáng)，張明源

(1.山東理工大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，山東 淄博 255000；2.雷沃重工股份有限公司，山東 濰坊 261206)

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際需要，農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備正朝著功能復(fù)合、技術(shù)先進(jìn)、高效快捷的方向發(fā)展；但是，由于行業(yè)制約、觀念問(wèn)題甚至技術(shù)原因?qū)е略S多大型農(nóng)業(yè)裝備雖然功能更強(qiáng)，但是可靠性卻差強(qiáng)人意，從而制約了農(nóng)業(yè)裝備的有效利用，也出現(xiàn)了國(guó)內(nèi)農(nóng)業(yè)裝備難以與國(guó)外先進(jìn)工業(yè)國(guó)家農(nóng)業(yè)裝備競(jìng)爭(zhēng)的尷尬局面。因此，許多專家學(xué)者和骨干農(nóng)機(jī)裝備制造企業(yè)都開(kāi)始加強(qiáng)了我國(guó)農(nóng)業(yè)裝備的可靠性研究[1-2]。

可靠性是裝備的設(shè)計(jì)屬性，主要是通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。為了提高裝備的可靠性，需要在裝備設(shè)計(jì)階段運(yùn)用可靠性設(shè)計(jì)、分配、預(yù)計(jì)等方法進(jìn)行驗(yàn)證，確保開(kāi)發(fā)裝備的可靠性要求。通過(guò)對(duì)農(nóng)業(yè)裝備可靠度進(jìn)行預(yù)測(cè)，有助于加快裝備的研發(fā)周期，降低裝備研發(fā)和后期維護(hù)成本，保障裝備的可用度；另外，還可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)制約裝備可靠性提高的技術(shù)瓶頸，為農(nóng)業(yè)裝備的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供改進(jìn)依據(jù)[3-4]。

故障樹(shù)分析(Fault Tree Analysis,FTA)和故障模式、影響及危害性分析(Failure Mode Effect and Criticality Analysis,FMECA)是可靠度設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行失效分析的重要手段，是發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)薄弱環(huán)節(jié)和制定維修大綱的依據(jù)。其中，F(xiàn)MECA是在FTA基礎(chǔ)上更為詳細(xì)的一種分析方法，是故障模式影響及影響分析(Failure Mode and Effects Analysis,FMEA)和危害性分析(Critically Analysis,CA)的綜合，CA是FMEA的補(bǔ)充和擴(kuò)展。FMECA是產(chǎn)品可靠性分析的一項(xiàng)重要內(nèi)容，是開(kāi)展維修性分析、安全性分析、測(cè)試性分析和保障性分析的基礎(chǔ)。目前，F(xiàn)MECA分析已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、航天、工程機(jī)械領(lǐng)域中。例如，電子科技大學(xué)張晗亮以FMECA方法分析了柴油機(jī)的可靠性，上海海事大學(xué)竹建福則通過(guò)FMECA對(duì)船舶主機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了可靠性分析等[5-8]。在農(nóng)業(yè)裝備功能復(fù)合、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、技術(shù)水平不斷提高的情況下，為了確保農(nóng)業(yè)裝備的使用可靠性、降低維護(hù)成本、提高使用安全性和有效性，開(kāi)展復(fù)雜農(nóng)業(yè)裝備的可靠性研究具有重要意義。

本文以與雷沃重工國(guó)際股份有限公司共同研發(fā)的多棱立輥式玉米收獲機(jī)割臺(tái)為例，通過(guò)對(duì)多棱立輥式玉米收獲機(jī)割臺(tái)的工作原理分析和參照相關(guān)可靠性數(shù)據(jù)，運(yùn)用FMECA分析方法對(duì)多棱立輥式玉米收獲機(jī)割臺(tái)的可靠性進(jìn)行相關(guān)分析預(yù)測(cè)。

1 FMECA一般分析方法及步驟

FMECA分析作為一種主動(dòng)檢驗(yàn)的定量與定性結(jié)合的可靠性分析方法，是以故障模式為基礎(chǔ)、以故障影響或者后果為分析對(duì)象，進(jìn)行系統(tǒng)可靠性評(píng)估的分析技術(shù)。根據(jù)FMECA標(biāo)準(zhǔn)GJB/Z1391-2006，進(jìn)行FMECA分析的主要步驟如圖1所示。

系統(tǒng)定義是了解和確定系統(tǒng)需要分析的范圍，明確分析系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和故障的評(píng)判依據(jù)。

故障模式影響分析是通過(guò)統(tǒng)計(jì)、試驗(yàn)、預(yù)計(jì)等方法確定產(chǎn)品可能出現(xiàn)的所有故障模式，分析各故障模式產(chǎn)生的原因及影響，提出保障或者改進(jìn)系統(tǒng)可靠性的所應(yīng)采取的措施和對(duì)策。

危害性分析是對(duì)產(chǎn)品所有故障模式的嚴(yán)重程度及其發(fā)生的概率等進(jìn)行綜合分析，確定產(chǎn)品中可能出現(xiàn)的所有故障模式的影響等級(jí)，全面評(píng)價(jià)產(chǎn)品中可能出現(xiàn)故障的影響，為產(chǎn)品所有故障模式的預(yù)防和改進(jìn)提供設(shè)計(jì)意見(jiàn)。

圖1 FMECA分析步驟Fig.1 FMECA analyze step

2 多棱立輥式玉米收獲機(jī)割臺(tái)結(jié)構(gòu)

產(chǎn)品組成和結(jié)構(gòu)是進(jìn)行可靠性分析的基礎(chǔ)，如本文研究的多棱立輥式玉米收獲機(jī)割臺(tái)，采用激振原理完成玉米果穗與莖稈的分離,具有作業(yè)效率高、果穗損傷小和落粒損失少的特點(diǎn)。如果割臺(tái)可靠性較低或者故障后果比較嚴(yán)重，甚至存在安全性隱患，則必然影響整機(jī)的推廣與使用。

本割臺(tái)主要由機(jī)架、變速箱、多棱立輥、夾持輸送裝置、擺環(huán)、撥禾輪和切割器組成，可一次完成撥禾、切斷、輸送及摘穗等功能[9-11]，如圖2所示。

1.夾持輸送鏈 2.動(dòng)刀 3.定刀 4.撥禾輪 5.壓刃器 6.撥指 7.擺環(huán) 8.多棱立輥 9.變速箱 10.機(jī)架 11.壓桿

其中，多棱立輥主要由上段多棱摘穗輥、下段拉莖輥、鏈輪、連接軸和軸承等組成，如圖3所示。切割器主要由動(dòng)刀、定刀和壓刃器等組成；夾持輸送裝置主要由夾持輸送鏈、撥指和壓桿等組成。其工作原理如下：隨著收獲機(jī)的前行，撥禾輪引導(dǎo)植株進(jìn)入夾持輸送鏈前端，在夾持輸送鏈夾持植株的同時(shí)，由往復(fù)式切割器切斷玉米植株，夾持輸送鏈上撥指配合壓桿引導(dǎo)玉米植株前行至多棱立輥處，多棱立輥的下段拉莖輥?zhàn)ト∮衩字仓?，并將其向后拽拉；在此拽拉過(guò)程中，玉米植株隨之進(jìn)入多棱摘穗輥，由其完成玉米果穗的收獲。

1.多棱摘穗輥 2.拉莖輥 3.軸承 4.鏈輪 5.連接軸

上述各部件均安裝于機(jī)架上。其傳動(dòng)路線為發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力經(jīng)過(guò)變速箱后一路傳至摘穗裝置，另一路傳至切割裝置，傳入摘穗裝置的動(dòng)力經(jīng)多棱立輥上鏈輪傳至夾持輸送裝置，從而完成多棱立輥式割臺(tái)的動(dòng)力傳輸。

3 立輥式玉米收獲機(jī)割臺(tái)FMECA分析

3.1 FMEA分析

為保證玉米收獲機(jī)割臺(tái)所有部件的故障模式不被遺漏，需要根據(jù)割臺(tái)的組成部件進(jìn)行劃分。一般而言，玉米收獲機(jī)割臺(tái)主要是按照各部件完成的功能進(jìn)行層次的劃分，所以在進(jìn)行FMEA分析時(shí)同樣按照功能完成玉米收獲機(jī)割臺(tái)的的分級(jí)功能框的建立。

一般分級(jí)功能框圖采用自上而下的方式進(jìn)行劃分, 立輥式玉米收獲機(jī)割臺(tái)的分級(jí)功能框圖如圖4所示。

圖4 立輥式玉米割臺(tái)分級(jí)功能框圖Fig.4 Vertical corn harvester head classification functional diagram

故障分析時(shí)，為了避免分析遺漏，對(duì)分級(jí)功能框圖中每一個(gè)方框圖都自下而上逐級(jí)進(jìn)行故障模式、故障原因、故障影響、檢驗(yàn)方法和改進(jìn)措施分析。

故障模式一般通過(guò)統(tǒng)計(jì)、試驗(yàn)、分析和預(yù)測(cè)等方法獲取，本文對(duì)福田雷沃國(guó)際有限公司生產(chǎn)的多棱立輥式玉米收獲機(jī)割臺(tái)產(chǎn)生故障模式進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得出相關(guān)數(shù)據(jù)。

故障原因分析的目的是找出故障模式產(chǎn)生的原因，進(jìn)而采取針對(duì)性的有效改進(jìn)和預(yù)防措施。

故障影響分析的目的是根據(jù)每個(gè)故障發(fā)生所能造成的影響或者后果采取最為經(jīng)濟(jì)、有效的措施，不僅可為裝備改進(jìn)設(shè)計(jì)提供依據(jù)，而且為指定維修大綱提供了分析依據(jù)。其主要包括對(duì)影響安全性、操作性的故障采取改進(jìn)設(shè)計(jì)的方法或采用預(yù)防性維修的方法進(jìn)行堅(jiān)決杜絕；對(duì)影響經(jīng)濟(jì)性的故障主要采取預(yù)防性維修的方法進(jìn)行避免，或者延長(zhǎng)故障的發(fā)生周期，或者將故障影響降低到最小。

為了保證分析程序的完整性和規(guī)范性，一般采用表格的形式對(duì)所有功能部件從功能—故障—故障原因—故障影響—改進(jìn)措施等方面進(jìn)行分析。

3.2 CA分析

考慮故障產(chǎn)生的危害各不相同，為了保證改進(jìn)措施的可靠性和經(jīng)濟(jì)性，需要針對(duì)每個(gè)故障產(chǎn)生的危害度大小決定采取的合理措施。一般來(lái)說(shuō)，危害性分析分為定性危害性矩陣分析與定量危害性矩陣分析。

定量危害性矩陣分析需要計(jì)算每種故障模式的危害度和產(chǎn)品危害度，每種故障模式的危害度計(jì)算如式(1)所示，產(chǎn)品危害度計(jì)算如式(2)所示。

每種故障模式影響危害度Cmj為

Cmj=αjβjλpt

(1)

其中，j=1，2…，N，N為故障模式總數(shù)；αj為產(chǎn)品第j種故障模式發(fā)生次數(shù)與產(chǎn)品所有可能的故障模式數(shù)的比率；βj為產(chǎn)品第j種故障模式發(fā)生的條件下其最終影響導(dǎo)致某層次出現(xiàn)嚴(yán)酷度等級(jí)的條件概率；λp被分析產(chǎn)品在其任務(wù)階段內(nèi)的故障率(1/h)；t為產(chǎn)品任務(wù)階段的工作時(shí)間(h)。

由于危害度分析采用的是自下而上的分析方法，所以為了掌握部裝或者上層功能部件產(chǎn)生的危害度，則需要對(duì)所有部件的危害度進(jìn)行累加，即產(chǎn)品危害度Cr，則

(2)

其中，j=1，2，…，N，N為故障模式總數(shù)。

當(dāng)可以獲得較為準(zhǔn)確的產(chǎn)品故障數(shù)據(jù)時(shí)，可以選擇定量危害性矩陣分析方法；當(dāng)不能獲得準(zhǔn)確的產(chǎn)品故障數(shù)據(jù)時(shí)，可以選擇定性危害性矩陣分析[12-13]。為了簡(jiǎn)化分析過(guò)程，選擇定性危害性矩陣分析方法。

定性危害性矩陣分析方法屬于一種相對(duì)簡(jiǎn)單的分析方法，是主要依據(jù)故障發(fā)生頻率和故障影響的嚴(yán)酷度兩方面綜合評(píng)價(jià)故障產(chǎn)生影響危害程度的方法；但是，考慮兩者沒(méi)有必然的聯(lián)系，也很難建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，故采用危害性矩陣進(jìn)行綜合判定。

其中，故障發(fā)生的頻率分為A、B、C、D、E等5個(gè)等級(jí)。A級(jí)(經(jīng)常發(fā)生)即該故障模式出現(xiàn)概率大于總故障率的0.2；B級(jí)(很可能發(fā)生)即該故障模式出現(xiàn)的概率為總故障率的0.1～0.2；C級(jí)(偶然發(fā)生)即該故障模式出現(xiàn)的概率為總故障率的0.01～0.1；D級(jí)(很少發(fā)生)即該故障模式發(fā)生的概率為總故障率的0.001～0.01；E級(jí)(極不可能發(fā)生)即該產(chǎn)品的故障率小于總故障率的0.001。

由于每種故障模式影響各不相同，從而會(huì)導(dǎo)致所采用的處理對(duì)策也不相同，因此必須針對(duì)每一故障模式對(duì)其故障影響的嚴(yán)酷度進(jìn)行評(píng)價(jià)。一般來(lái)說(shuō)，嚴(yán)酷度是根據(jù)故障后果或者故障影響來(lái)評(píng)判。嚴(yán)酷度標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品特點(diǎn)及相關(guān)參考文獻(xiàn)列表[14]，如表1所示。

表1 多棱立輥式玉米割臺(tái)嚴(yán)酷度定義Table 1 Vertical roller corn harvester head grimness definition

最后，進(jìn)行定性危害性矩陣分析。在定性危害性矩陣中，橫坐標(biāo)代表嚴(yán)酷度等級(jí)，縱坐標(biāo)代表故障模式概率等級(jí)，如圖5所示。從圖5所標(biāo)記的故障模式分布點(diǎn)向?qū)蔷€(圖中虛線OP)做垂線，以該垂線與對(duì)角線的交點(diǎn)到原點(diǎn)的距離作為度量故障模式危害性的依據(jù)，距離越長(zhǎng)，其危害性越大，盡量采用改進(jìn)設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行改進(jìn)。例如，圖5中，O1的距離比O2的距離長(zhǎng)，則故障模式M1比M2的危害性大。

圖5 危害度矩陣一般模式Fig.5 The model of hazard degree matrix

依據(jù)上述分析方法，對(duì)多棱立輥式玉米割臺(tái)每種故障模式、故障模式的嚴(yán)酷度及概率等級(jí)進(jìn)行確定，并將故障模式標(biāo)識(shí)編碼填入定性危害性矩陣中，即可得多棱立輥式玉米割臺(tái)定性危害性矩陣，如圖6所示。

根據(jù)圖6，按照上述危害性判別標(biāo)準(zhǔn)即可知多棱立輥式玉米割臺(tái)各種故障模式的危害性分布。圖6表明：多棱摘穗輥?zhàn)鳛槎嗬饬⑤伿接衩资斋@機(jī)割臺(tái)最為關(guān)鍵的部件，承擔(dān)著摘穗的主要功能，其可靠性的高低直接影響割臺(tái)的摘穗功能，因此多棱摘穗輥危害性最大，需要定期對(duì)其進(jìn)行功能檢查工作；擺環(huán)、連接桿、輸送鏈和拉莖輥?zhàn)鳛槎嗬饬⑤伿接衩资斋@機(jī)割臺(tái)重要的維修項(xiàng)目，也需要對(duì)其進(jìn)行周期性的預(yù)防性維修工作。

圖6 立輥式玉米割臺(tái)危害度矩陣Fig.6 Vertical corn harvester head hazard degree matrix

危害性分析過(guò)程中，故障模式的嚴(yán)酷度等級(jí)和故障概率等級(jí)分析過(guò)程如表2所示。

3.3 FMECA分析工作表建立

完成FMEA分析和CA分析之后，填寫(xiě)多棱立輥式玉米收獲機(jī)割臺(tái)FMECA分析工作表，如表2所示。

表2 立輥式玉米收獲機(jī)割臺(tái)FMECA工作表Table 2 Vertical roller corn harvester head FMECA List

4 結(jié)論

1)對(duì)可靠性設(shè)計(jì)中的FMECA分析方法和程序進(jìn)行了系統(tǒng)闡釋，揭示了FMECA中分析內(nèi)容的相互聯(lián)系和含義，為農(nóng)業(yè)裝備進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

2)采用FMECA分析方法對(duì)新開(kāi)發(fā)的多棱立輥式玉米收獲機(jī)割臺(tái)的可靠性進(jìn)行了分析，建立了割臺(tái)重要維修項(xiàng)目的定性危害性矩陣，為改進(jìn)割臺(tái)結(jié)構(gòu)、制定預(yù)防性維修大綱提供了依據(jù)，也為其他農(nóng)業(yè)裝備的可靠性分析提供了參考。

3)依據(jù)FMECA的分析結(jié)果，提供了預(yù)防維修任務(wù)，為下一步確定維修間隔奠定了基礎(chǔ)。