多棱立輥式玉米收獲機割臺FMECA分析

何 珂，姜 萌，劉洋成，王 騫，耿端陽，張明源

(1.山東理工大學 農業工程與食品科學學院，山東 淄博 255000；2.雷沃重工股份有限公司，山東 濰坊 261206)

0 引言

隨著科學技術的快速發展和農業生產的實際需要，農業機械裝備正朝著功能復合、技術先進、高效快捷的方向發展；但是，由于行業制約、觀念問題甚至技術原因導致許多大型農業裝備雖然功能更強，但是可靠性卻差強人意，從而制約了農業裝備的有效利用，也出現了國內農業裝備難以與國外先進工業國家農業裝備競爭的尷尬局面。因此，許多專家學者和骨干農機裝備制造企業都開始加強了我國農業裝備的可靠性研究[1-2]。

可靠性是裝備的設計屬性，主要是通過設計實現。為了提高裝備的可靠性，需要在裝備設計階段運用可靠性設計、分配、預計等方法進行驗證，確保開發裝備的可靠性要求。通過對農業裝備可靠度進行預測，有助于加快裝備的研發周期，降低裝備研發和后期維護成本，保障裝備的可用度；另外，還可以及時發現制約裝備可靠性提高的技術瓶頸，為農業裝備的設計優化提供改進依據[3-4]。

故障樹分析(Fault Tree Analysis,FTA)和故障模式、影響及危害性分析(Failure Mode Effect and Criticality Analysis,FMECA)是可靠度設計過程進行失效分析的重要手段，是發現設計薄弱環節和制定維修大綱的依據。其中，FMECA是在FTA基礎上更為詳細的一種分析方法，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的補充和擴展。FMECA是產品可靠性分析的一項重要內容，是開展維修性分析、安全性分析、測試性分析和保障性分析的基礎。目前，FMECA分析已經廣泛應用于汽車、航天、工程機械領域中。例如，電子科技大學張晗亮以FMECA方法分析了柴油機的可靠性，上海海事大學竹建福則通過FMECA對船舶主機系統進行了可靠性分析等[5-8]。在農業裝備功能復合、結構復雜、技術水平不斷提高的情況下，為了確保農業裝備的使用可靠性、降低維護成本、提高使用安全性和有效性，開展復雜農業裝備的可靠性研究具有重要意義。

本文以與雷沃重工國際股份有限公司共同研發的多棱立輥式玉米收獲機割臺為例，通過對多棱立輥式玉米收獲機割臺的工作原理分析和參照相關可靠性數據，運用FMECA分析方法對多棱立輥式玉米收獲機割臺的可靠性進行相關分析預測。

1 FMECA一般分析方法及步驟

FMECA分析作為一種主動檢驗的定量與定性結合的可靠性分析方法，是以故障模式為基礎、以故障影響或者后果為分析對象，進行系統可靠性評估的分析技術。根據FMECA標準GJB/Z1391-2006，進行FMECA分析的主要步驟如圖1所示。

系統定義是了解和確定系統需要分析的范圍，明確分析系統的結構和故障的評判依據。

故障模式影響分析是通過統計、試驗、預計等方法確定產品可能出現的所有故障模式，分析各故障模式產生的原因及影響，提出保障或者改進系統可靠性的所應采取的措施和對策。

危害性分析是對產品所有故障模式的嚴重程度及其發生的概率等進行綜合分析，確定產品中可能出現的所有故障模式的影響等級，全面評價產品中可能出現故障的影響，為產品所有故障模式的預防和改進提供設計意見。

圖1 FMECA分析步驟Fig.1 FMECA analyze step

2 多棱立輥式玉米收獲機割臺結構

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

本割臺主要由機架、變速箱、多棱立輥、夾持輸送裝置、擺環、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.動刀 3.定刀 4.撥禾輪 5.壓刃器 6.撥指 7.擺環 8.多棱立輥 9.變速箱 10.機架 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：隨著收獲機的前行，撥禾輪引導植株進入夾持輸送鏈前端，在夾持輸送鏈夾持植株的同時，由往復式切割器切斷玉米植株，夾持輸送鏈上撥指配合壓桿引導玉米植株前行至多棱立輥處，多棱立輥的下段拉莖輥抓取玉米植株，并將其向后拽拉；在此拽拉過程中，玉米植株隨之進入多棱摘穗輥，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架上。其傳動路線為發動機的動力經過變速箱后一路傳至摘穗裝置，另一路傳至切割裝置，傳入摘穗裝置的動力經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的動力傳輸。

3 立輥式玉米收獲機割臺FMECA分析

3.1 FMEA分析

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

一般分級功能框圖采用自上而下的方式進行劃分, 立輥式玉米收獲機割臺的分級功能框圖如圖4所示。

圖4 立輥式玉米割臺分級功能框圖Fig.4 Vertical corn harvester head classification functional diagram

故障分析時，為了避免分析遺漏，對分級功能框圖中每一個方框圖都自下而上逐級進行故障模式、故障原因、故障影響、檢驗方法和改進措施分析。

故障模式一般通過統計、試驗、分析和預測等方法獲取，本文對福田雷沃國際有限公司生產的多棱立輥式玉米收獲機割臺產生故障模式進行統計得出相關數據。

故障原因分析的目的是找出故障模式產生的原因，進而采取針對性的有效改進和預防措施。

故障影響分析的目的是根據每個故障發生所能造成的影響或者后果采取最為經濟、有效的措施，不僅可為裝備改進設計提供依據，而且為指定維修大綱提供了分析依據。其主要包括對影響安全性、操作性的故障采取改進設計的方法或采用預防性維修的方法進行堅決杜絕；對影響經濟性的故障主要采取預防性維修的方法進行避免，或者延長故障的發生周期，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范性，一般采用表格的形式對所有功能部件從功能—故障—故障原因—故障影響—改進措施等方面進行分析。

3.2 CA分析

考慮故障產生的危害各不相同，為了保證改進措施的可靠性和經濟性，需要針對每個故障產生的危害度大小決定采取的合理措施。一般來說，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算每種故障模式的危害度和產品危害度，每種故障模式的危害度計算如式(1)所示，產品危害度計算如式(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；αj為產品第j種故障模式發生次數與產品所有可能的故障模式數的比率；βj為產品第j種故障模式發生的條件下其最終影響導致某層次出現嚴酷度等級的條件概率；λp被分析產品在其任務階段內的故障率(1/h)；t為產品任務階段的工作時間(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生的危害度，則需要對所有部件的危害度進行累加，即產品危害度Cr，則

(2)

其中，j=1，2，…，N，N為故障模式總數。

當可以獲得較為準確的產品故障數據時，可以選擇定量危害性矩陣分析方法；當不能獲得準確的產品故障數據時，可以選擇定性危害性矩陣分析[12-13]。為了簡化分析過程，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簡單的分析方法，是主要依據故障發生頻率和故障影響的嚴酷度兩方面綜合評價故障產生影響危害程度的方法；但是，考慮兩者沒有必然的聯系，也很難建立準確的數學模型，故采用危害性矩陣進行綜合判定。

其中，故障發生的頻率分為A、B、C、D、E等5個等級。A級(經常發生)即該故障模式出現概率大于總故障率的0.2；B級(很可能發生)即該故障模式出現的概率為總故障率的0.1～0.2；C級(偶然發生)即該故障模式出現的概率為總故障率的0.01～0.1；D級(很少發生)即該故障模式發生的概率為總故障率的0.001～0.01；E級(極不可能發生)即該產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，從而會導致所采用的處理對策也不相同，因此必須針對每一故障模式對其故障影響的嚴酷度進行評價。一般來說，嚴酷度是根據故障后果或者故障影響來評判。嚴酷度標準結合農業機械產品特點及相關參考文獻列表[14]，如表1所示。

表1 多棱立輥式玉米割臺嚴酷度定義Table 1 Vertical roller corn harvester head grimness definition

最后，進行定性危害性矩陣分析。在定性危害性矩陣中，橫坐標代表嚴酷度等級，縱坐標代表故障模式概率等級，如圖5所示。從圖5所標記的故障模式分布點向對角線(圖中虛線OP)做垂線，以該垂線與對角線的交點到原點的距離作為度量故障模式危害性的依據，距離越長，其危害性越大，盡量采用改進設計的方法進行改進。例如，圖5中，O1的距離比O2的距離長，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

依據上述分析方法，對多棱立輥式玉米割臺每種故障模式、故障模式的嚴酷度及概率等級進行確定，并將故障模式標識編碼填入定性危害性矩陣中，即可得多棱立輥式玉米割臺定性危害性矩陣，如圖6所示。

根據圖6，按照上述危害性判別標準即可知多棱立輥式玉米割臺各種故障模式的危害性分布。圖6表明：多棱摘穗輥作為多棱立輥式玉米收獲機割臺最為關鍵的部件，承擔著摘穗的主要功能，其可靠性的高低直接影響割臺的摘穗功能，因此多棱摘穗輥危害性最大，需要定期對其進行功能檢查工作；擺環、連接桿、輸送鏈和拉莖輥作為多棱立輥式玉米收獲機割臺重要的維修項目，也需要對其進行周期性的預防性維修工作。

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

危害性分析過程中，故障模式的嚴酷度等級和故障概率等級分析過程如表2所示。

3.3 FMECA分析工作表建立

完成FMEA分析和CA分析之后，填寫多棱立輥式玉米收獲機割臺FMECA分析工作表，如表2所示。

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

4 結論

1)對可靠性設計中的FMECA分析方法和程序進行了系統闡釋，揭示了FMECA中分析內容的相互聯系和含義，為農業裝備進行可靠性設計提供了理論依據。

2)采用FMECA分析方法對新開發的多棱立輥式玉米收獲機割臺的可靠性進行了分析，建立了割臺重要維修項目的定性危害性矩陣，為改進割臺結構、制定預防性維修大綱提供了依據，也為其他農業裝備的可靠性分析提供了參考。

3)依據FMECA的分析結果，提供了預防維修任務，為下一步確定維修間隔奠定了基礎。