基于FMEA分析的路面銑刨機(jī)設(shè)計(jì)方法研究

冷志剛，姚柯飛

(江蘇華通動(dòng)力重工有限公司 產(chǎn)品研發(fā)部，江蘇 鎮(zhèn)江　212028)

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基于FMEA分析的路面銑刨機(jī)設(shè)計(jì)方法研究

冷志剛，姚柯飛

(江蘇華通動(dòng)力重工有限公司 產(chǎn)品研發(fā)部，江蘇 鎮(zhèn)江212028)

摘要：結(jié)合路面銑刨機(jī)的工作及設(shè)計(jì)特點(diǎn)，以HM2100A型路面銑刨機(jī)為例，將FMEA分析方法應(yīng)用于路面銑刨機(jī)研發(fā)過(guò)程，形成系統(tǒng)安全性報(bào)告和系統(tǒng)可靠性報(bào)告。應(yīng)用結(jié)果表明，結(jié)合該方法進(jìn)行路面銑刨機(jī)設(shè)計(jì)，可以提高產(chǎn)品的安全性和可靠性，節(jié)省研發(fā)成本、縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期。

關(guān)鍵詞：路面銑刨機(jī)；FMEA；系統(tǒng)安全性；系統(tǒng)可靠性

路面銑刨機(jī)是一種常見(jiàn)的路面機(jī)械化養(yǎng)護(hù)專用設(shè)備，屬于特種工程機(jī)械類產(chǎn)品，主要用于高等級(jí)公路、機(jī)場(chǎng)、大型廣場(chǎng)等路面的大面積銑刨破碎，路面油包、油浪、車(chē)轍等病害的銑平修整，還可以對(duì)摩擦系數(shù)較低的瀝青和水泥路面進(jìn)行快速拉毛作業(yè)[1-2]。路面銑刨機(jī)具有以下特點(diǎn)：屬于特種機(jī)械設(shè)備，系統(tǒng)化、標(biāo)準(zhǔn)化程度較低，缺少有效的產(chǎn)品質(zhì)量控制及評(píng)估方法；工作環(huán)境惡劣，各系統(tǒng)需承受很大的沖擊載荷，潛在故障點(diǎn)較多；需要滿足連續(xù)施工要求，對(duì)安全性和可靠性要求高；系統(tǒng)復(fù)雜且龐大，設(shè)計(jì)、制造及使用過(guò)程中不可控因素較多。

1傳統(tǒng)研發(fā)過(guò)程

針對(duì)大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，如圖1所示，傳統(tǒng)的研發(fā)手段缺少系統(tǒng)化的可預(yù)見(jiàn)性分析，產(chǎn)品的安全可靠性受到制約，造成產(chǎn)品定型周期長(zhǎng)，質(zhì)量問(wèn)題多，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的可持續(xù)發(fā)展。優(yōu)質(zhì)的現(xiàn)代產(chǎn)品應(yīng)滿足性能、可靠性與維修等指標(biāo)。性能指標(biāo)是能夠代表產(chǎn)品使用價(jià)值的主要質(zhì)量指標(biāo)，可靠性和可維修性直接影響產(chǎn)品性能的有效發(fā)揮[3]。

2FMEA方法

FMEA(Failure Mode and Effects Analysis)，即潛在失效模式及后果分析，同SPC(Statistical Process Control)和MSA(Measurement System Analysis)一并被稱為預(yù)防三劍客。FMEA是一種對(duì)在產(chǎn)品和過(guò)程開(kāi)發(fā)中可能出現(xiàn)的潛在問(wèn)題進(jìn)行預(yù)防性考慮和消除的分析方法[4]。FMEA分析過(guò)程伴隨產(chǎn)品的整個(gè)生命周期，為所有失效可能性提供解決方案，不僅可以提高產(chǎn)品的質(zhì)量、安全性和可靠性，降低產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)間與成本，還可以提升企業(yè)的形象與競(jìng)爭(zhēng)力，提高客戶的滿意度。

圖1　傳統(tǒng)產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程

3路面銑刨機(jī)產(chǎn)品的FMEA方法及內(nèi)容

HM2100A型路面銑刨機(jī)主要有車(chē)架總成、動(dòng)力系統(tǒng)、行走升降系統(tǒng)、傳動(dòng)罩、工作裝置、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、灑水系統(tǒng)、輸料系統(tǒng)等部件組成，其功能圖見(jiàn)圖2。

利用FMEA分析方法保證HM2100A型路面銑刨機(jī)的可靠性，并分析安全隱患，提出控制措施與事故風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，形成系統(tǒng)安全性報(bào)告和系統(tǒng)可靠性報(bào)告，指導(dǎo)設(shè)計(jì)及生產(chǎn)。

圖2　HM2100A型路面銑刨機(jī)功能圖

4系統(tǒng)可靠性報(bào)告

系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)是指設(shè)計(jì)時(shí)就使產(chǎn)品具備在規(guī)定的時(shí)間、使用條件下完成所規(guī)定性能的能力與性質(zhì)[3]。系統(tǒng)的可靠性受零部件可靠度、環(huán)境因素、操作因素等的影響。

系統(tǒng)可靠性報(bào)告包括銑刨機(jī)的可靠性要求、可靠性的研發(fā)途徑、故障模式和影響的分析、可靠性關(guān)鍵部件和可靠性關(guān)鍵特性以及所進(jìn)行的工業(yè)性試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析。

4.1可靠性要求

按照GB/T 25643—2010《道路施工與養(yǎng)護(hù)機(jī)械設(shè)備路面銑刨機(jī)》的規(guī)定，銑刨機(jī)在完成200 h可靠性試驗(yàn)(或工業(yè)性考核)后，可靠性指標(biāo)應(yīng)符合以下要求：

1) 工作可靠度(有效度)≥85%。

2) 平均無(wú)故障工作時(shí)間(平均失效間隔時(shí)間)≥120 h。

3) 首次故障前工作時(shí)間(平均首次失效前時(shí)間)≥120 h。

4.2可靠性的研發(fā)途徑

1) 設(shè)計(jì)故障(DFMEA分析方法)。DFMEA，即Design Failure Mode and Effects Analysis,設(shè)計(jì)失效模式及后果分析，在設(shè)計(jì)概念最終確定之前開(kāi)始，在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的各個(gè)階段不斷更新，在產(chǎn)品加工圖樣完成之前完成，用于評(píng)估設(shè)計(jì)輸出，識(shí)別和消除產(chǎn)品或每一零部件的設(shè)計(jì)缺陷。主要包括設(shè)計(jì)故障嚴(yán)重度分級(jí)、設(shè)計(jì)故障頻度分級(jí)、設(shè)計(jì)故障探測(cè)度分級(jí)等。

2) 過(guò)程故障(PFMEA分析方法)。PFMEA，即Process Failure Mode and Effects Analysis，過(guò)程失效模式及后果分析，在可行性階段或之前進(jìn)行，在生產(chǎn)工裝、設(shè)備或采購(gòu)準(zhǔn)備之前完成，用于評(píng)估工藝流程，識(shí)別和消除制造/服務(wù)過(guò)程每一環(huán)節(jié)的潛在隱患。主要包括過(guò)程故障嚴(yán)重度分級(jí)、過(guò)程故障頻度分級(jí)、過(guò)程故障探測(cè)度分級(jí)。

3) 風(fēng)險(xiǎn)矩陣。風(fēng)險(xiǎn)矩陣是一種有效的風(fēng)險(xiǎn)管理工具，可應(yīng)用于分析項(xiàng)目的潛在風(fēng)險(xiǎn)、采取某種方法的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

4.3故障模式及后果分析

1) 設(shè)計(jì)失效模式及后果分析(DFMEA)。分析車(chē)架子系統(tǒng)中的底架、水箱、中門(mén)部件，銑刨鼓子系統(tǒng)中的銑刨鼓部件，傳動(dòng)系統(tǒng)中的皮帶傳動(dòng)部件，邊刮板子系統(tǒng)的尾門(mén)組件，輸料子系統(tǒng)中的輸料泵的設(shè)計(jì)失效模式及后果。主要分析過(guò)程包括對(duì)潛在的失效模式和潛在的失效后果的嚴(yán)重度進(jìn)行評(píng)級(jí)，對(duì)潛在的失效起因/機(jī)理的頻度進(jìn)行評(píng)級(jí)，利用現(xiàn)行設(shè)計(jì)控制方法對(duì)該失效模式的探測(cè)度、風(fēng)險(xiǎn)順序數(shù)、風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先矩陣進(jìn)行評(píng)價(jià)。在此基礎(chǔ)上提出改進(jìn)措施，并由專人負(fù)責(zé)執(zhí)行，并對(duì)改進(jìn)結(jié)果進(jìn)行評(píng)審，從而對(duì)DFMEA方法的有效性進(jìn)行評(píng)價(jià)，主要實(shí)施內(nèi)容如圖3所示。

2) 過(guò)程失效模式及后果分析(PFMEA)。與DFMEA相同，主要從工藝制造的角度確定各種評(píng)價(jià)指標(biāo)，并進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)。PFMEA的主要內(nèi)容如圖4所示。

3) 可靠性關(guān)鍵部件(RCI)和可靠性關(guān)鍵特征(RCC)。在銑刨機(jī)設(shè)計(jì)及生產(chǎn)期間進(jìn)行故障模式及影響分析，區(qū)分潛在故障模式、查找故障原因、劃分故障影響等級(jí)，確定可靠性關(guān)鍵部件(RCI)和可靠性關(guān)鍵特性(RCC)，并制定相應(yīng)的控制措施，詳見(jiàn)圖5。

設(shè)計(jì)失效模式及后果分析 車(chē)架總成 系統(tǒng)FEMA編號(hào): 車(chē)架 子系統(tǒng)DFMEA共1頁(yè)第1頁(yè) 部件 水箱 設(shè)計(jì)責(zé)任:水箱設(shè)計(jì)工程師 編制人: 設(shè)計(jì)工程師 車(chē)型年/車(chē)輛類型:HM2100A型銑刨機(jī) 關(guān)鍵日期: FEMA日期(編制): (修訂):領(lǐng)導(dǎo)人: 供應(yīng)商: 供應(yīng)商代碼:核心小組(名單): 項(xiàng)目/功能潛在失效模式潛在失效后果SEV嚴(yán)重度S級(jí)別潛在失效起因/機(jī)理OOC頻度現(xiàn)行設(shè)計(jì)控制預(yù)防探測(cè)DET探測(cè)度RPN風(fēng)險(xiǎn)順序數(shù)RPL風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先矩陣建議措施責(zé)任及目標(biāo)完成日期措施結(jié)果采取的措施SEVOOCDETRPNRPL水箱為整機(jī)用水提供儲(chǔ)水空間開(kāi)裂滲漏,不能及時(shí)提供用水,工作減弱,影響周?chē)h(huán)境7焊接殘余應(yīng)力7增加焊前處理,增加時(shí)效處理要求檢查圖紙,確認(rèn)有無(wú)焊后去應(yīng)力技術(shù)要求4196H增加焊前處理,增加時(shí)效處理要求,增加振動(dòng)試驗(yàn),增加小組評(píng)價(jià)水箱設(shè)計(jì)工程師焊前打好合理的坡口,進(jìn)行時(shí)效處理,降低應(yīng)力73484H7焊接不當(dāng)5工藝人員檢查與復(fù)檢6210H進(jìn)行滲漏試驗(yàn),觀察有無(wú)滲漏現(xiàn)象水箱設(shè)計(jì)工程師滲漏試驗(yàn)73484H

圖3　設(shè)計(jì)失效模式及后果分析表

圖4　過(guò)程失效模式及后果分析表

圖5設(shè)計(jì)故障關(guān)鍵部件及關(guān)鍵特征

4.4工業(yè)試驗(yàn)

工業(yè)試驗(yàn)報(bào)告主要數(shù)據(jù)包括：可靠性試驗(yàn)內(nèi)的累積作業(yè)時(shí)間tc，可靠性試驗(yàn)累積作業(yè)時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)的當(dāng)量故障數(shù)rb(rb<1時(shí)，按rb=1計(jì)算)，故障停機(jī)累積時(shí)間t1，首次故障前平均工作時(shí)間。根據(jù)上述數(shù)據(jù)計(jì)算產(chǎn)品的平均無(wú)故障工作時(shí)間MTBF和可靠度K[6]，即

(1)

(2)

5系統(tǒng)安全性報(bào)告

機(jī)械設(shè)備安全是指從人的安全需要出發(fā)，在使用機(jī)械設(shè)備全過(guò)程的各種狀態(tài)下，達(dá)到使人的身心免受外界因素危害的存在狀態(tài)和保障條件[5]。路面銑刨機(jī)產(chǎn)品在預(yù)定的使用條件下，執(zhí)行其預(yù)定功能，或在運(yùn)輸、安裝、調(diào)整、維修、拆卸以及報(bào)廢處理時(shí)不出現(xiàn)損傷或危害人員健康的行為。系統(tǒng)安全性報(bào)告包括系統(tǒng)安全性的評(píng)估范圍及系統(tǒng)安全的實(shí)施方法、安全隱患和控制措施及系統(tǒng)安全標(biāo)準(zhǔn)、對(duì)關(guān)鍵安全部件及其特性的有效監(jiān)控。

5.1安全隱患分析

參考MIL-STD-882D系統(tǒng)安全標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合事故的嚴(yán)重性和可能性給出評(píng)價(jià)等級(jí)，參照隱患風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)一覽表、事故風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)、各等級(jí)的風(fēng)險(xiǎn)接受部門(mén)，HM2100A共有15種隱患，即車(chē)輛傾翻、制動(dòng)失靈、轉(zhuǎn)向失靈、操作人員高處墜落、懸掛輸送機(jī)脫落、頂棚塌下、發(fā)動(dòng)機(jī)頂罩塌下、升降支腿下降、翻轉(zhuǎn)尾門(mén)非正常關(guān)閉、輸送機(jī)左右擺動(dòng)過(guò)快、發(fā)生火災(zāi)、噪音過(guò)大、高溫燙傷、蓄電池爆炸、高壓液體。分析安全隱患，包括潛在隱患效應(yīng)、潛在原因，確定控制措施和核實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，有效控制風(fēng)險(xiǎn)。

5.2安全要求核對(duì)

參考JB6030—2001《工程機(jī)械通用安全技術(shù)要求》和GB/T25643—2010《道路施工與養(yǎng)護(hù)機(jī)械設(shè)備路面銑刨機(jī)》的相關(guān)要求標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，詳見(jiàn)圖5。

安全隱患控制措施核實(shí)HM2100A-001車(chē)輛傾翻1.裝配工藝指導(dǎo)書(shū)2.升降油缸檢驗(yàn)合格證3.HM2100A型路面銑刨機(jī)出廠檢驗(yàn)規(guī)范第14,16項(xiàng)4.HM2100A型路面銑刨機(jī)使用說(shuō)明書(shū)1.2.1.1HM2100A-002制動(dòng)失靈1.HM2100A型路面銑刨機(jī)出廠檢驗(yàn)規(guī)范第7項(xiàng)2.HM2100A型路面銑刨機(jī)使用說(shuō)明書(shū)1.6.13.行走檢驗(yàn)合格證4.HM2100A型路面銑刨機(jī)檢測(cè)試驗(yàn)第7項(xiàng)HM2100A-003轉(zhuǎn)向失靈1.HM2100A型路面銑刨機(jī)出廠檢驗(yàn)規(guī)范第16項(xiàng)2.HM2100A型銑刨機(jī)機(jī)能檢驗(yàn)表第3.3項(xiàng)3.裝配工藝指導(dǎo)書(shū)4.轉(zhuǎn)向油缸檢驗(yàn)合格證5.HM2100A型路面銑刨機(jī)使用說(shuō)明書(shū)1.6.16.HM2100A型路面銑刨機(jī)維修手冊(cè)1.5.9HM2100A-004操作員高處墜落 1.防滑標(biāo)識(shí)2.質(zhì)檢項(xiàng)目缺失3.HM2100A型路面銑刨機(jī)使用說(shuō)明書(shū)1.5.13HM2100A-005懸掛輸送機(jī)脫落 1.危險(xiǎn)警告標(biāo)識(shí)2.裝配檢驗(yàn)缺失裝配檢驗(yàn)項(xiàng)目3.裝配工藝指導(dǎo)書(shū)4.HM2100A型路面銑刨機(jī)使用說(shuō)明1.5.17/1.6.1 5.HM2100A型路面銑刨機(jī)維修手冊(cè)1.5.96.拉伸油缸檢驗(yàn)合格證7.鋼絲繩檢驗(yàn)合格證

圖5系統(tǒng)安全核實(shí)項(xiàng)目

5.3控制措施的實(shí)施

主要對(duì)存在的安全隱患采取控制措施，對(duì)所涉及的關(guān)鍵件的關(guān)鍵特征進(jìn)行關(guān)鍵控制。通過(guò)計(jì)算分析，對(duì)銑刨機(jī)的橫向穩(wěn)定性及拉伸鋼絲繩的安全性進(jìn)行有效的控制。

6結(jié)束語(yǔ)

在路面銑刨機(jī)的生產(chǎn)設(shè)計(jì)中通過(guò)應(yīng)用FMEA方法，對(duì)各類潛在失效模式及后果進(jìn)行詳細(xì)分析，并制定預(yù)防措施，形成系統(tǒng)安全性和可靠性報(bào)告。以這兩份報(bào)告為執(zhí)行文件，相關(guān)部門(mén)配合實(shí)施，可以提高銑刨機(jī)產(chǎn)品質(zhì)量和安全性，節(jié)約人力和物力，積累生產(chǎn)制作經(jīng)驗(yàn)。

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〔責(zé)任編輯： 盧蕊〕

A study on Road Milling Machine Design Methods based on the analysis of FMEA

LENG Zhigang， YAO Kefei

(Prodcut R&D Department, Jiangsu Huatong Kinetics Co.， Ltd， Zhenjiang 212028， China)

Abstract:Taking HM2100A road milling machine as the model， the FMEA method integrated the working condition and design features is applied to the research and development process of the road milling machine. It makes the in-depth analysis of the various problems that may arise in the different systems， presents the preventive measures for its effective control， and works out a safety and reliability report of the specialized system. Application results show that the adopted method greatly has improved the product’s safety and reliability， and furthermore it has provided an important solution to save the research costs and shorten the production cycle.

Key words:road milling machine; FMEA; system safety; system reliability

作者簡(jiǎn)介：冷志剛(1974—)，男，江蘇鎮(zhèn)江人，工程師，主要從事路面工程機(jī)械設(shè)計(jì)研究；姚柯飛(1988—)，男，陜西西安人，工程師，主要從事路面工程機(jī)械設(shè)計(jì)研究。

收稿日期：2015-09-10

中圖分類號(hào)：U418.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：C

文章編號(hào)：1008-8148(2016)01-0059-05