農(nóng)機(jī)裝備早期故障消除模型

柳 劍，岳高峰，葉 進(jìn)，曾百功，魏 梟

(1.西南大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，重慶 400715；2.重慶市農(nóng)業(yè)機(jī)械鑒定站，重慶 402160)

0 引言

長期以來，隨著農(nóng)機(jī)裝備向著復(fù)雜化、高參數(shù)化方向發(fā)展，其可靠性問題越來越受到廣大用戶的重視。然而，根據(jù)全國各級農(nóng)機(jī)質(zhì)量投訴監(jiān)督機(jī)構(gòu)調(diào)查報告的結(jié)果顯示，目前國產(chǎn)農(nóng)機(jī)產(chǎn)品最突出的問題是大量故障集中于零部件、易損件，且可靠性較差[1]，特別是在農(nóng)田作業(yè)過程中發(fā)生故障的概率較大。農(nóng)機(jī)裝備的可靠性直接影響到用戶的購買欲望和使用滿意度，低可靠性產(chǎn)品不僅會極大地制約其在農(nóng)忙時的使用率，增加用戶使用成本，更會嚴(yán)重影響用戶對國產(chǎn)農(nóng)機(jī)裝備的使用信心。

農(nóng)機(jī)裝備在使用初期，其性能是否穩(wěn)定，故障是否頻發(fā)，是用戶從心理上判斷產(chǎn)品可靠性水平高低的關(guān)鍵。文獻(xiàn)[2]對收集到的某國產(chǎn)拖拉機(jī)的現(xiàn)場試驗故障數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，結(jié)果顯示該拖拉機(jī)在初次運行的500h內(nèi)產(chǎn)生的故障占其壽命周期所有觀測到的故障的50%左右。這直接反映出早期故障是導(dǎo)致國產(chǎn)農(nóng)機(jī)裝備可靠性水平低下的重要原因。為此，本文提出了一種農(nóng)機(jī)裝備早期故障通用消除模型，在農(nóng)機(jī)裝備出廠前將早期故障消除，為提高農(nóng)機(jī)裝備可靠性水平提供一種新模式。

1 早期故障期簡介

農(nóng)機(jī)裝備全壽命周期內(nèi)，其故障率隨時間的變化類似于一種“浴盆”的曲線[3]，如圖1所示。從浴盆曲線的形狀可以明顯地劃分為3個階段，即早期故障期、偶然故障期和耗損故障期。農(nóng)機(jī)裝備在使用初期便進(jìn)入早期故障期，在此期間發(fā)生的故障較多，主要是由農(nóng)機(jī)裝備零件質(zhì)量管控不嚴(yán)、設(shè)計失誤、裝配工藝缺陷及“磨合”不夠等原因造成。早期故障期結(jié)束后，農(nóng)機(jī)裝備的故障率明顯降低且近似保持不變[4]，于是便進(jìn)入了偶然故障期，早期故障期與偶然故障期的時間分界點t1，如圖1所示。

圖1 農(nóng)機(jī)裝備故障率浴盆曲線Fig.1 Bathtub curve of agricultural equipment

農(nóng)機(jī)裝備早期故障期的典型特點有以下3個：①故障頻率高。在早期故障期內(nèi)故障多，故障間的時間間隔往往較短。②持續(xù)時間短。與農(nóng)機(jī)裝備的全壽命周期相比，早期故障期的時間跨度較短。③影響程度大。早期故障主要是由產(chǎn)品質(zhì)量薄弱環(huán)節(jié)和設(shè)計制造缺陷造成的，當(dāng)其發(fā)生時往往需要維修才能使農(nóng)機(jī)裝備恢復(fù)正常運行。這3個特點表明早期故障對農(nóng)機(jī)裝備可靠性水平的影響極大，因此及時發(fā)現(xiàn)并消除早期故障成為農(nóng)機(jī)裝備可靠性提升的關(guān)鍵。

2 農(nóng)機(jī)裝備早期故障期的定量化建模

通過第1節(jié)的分析可知，早期故障期與偶然故障期之間存在明顯的時間分界點。這就意味著農(nóng)機(jī)裝備包含有不同的故障特征，是在不同故障期間的不同故障機(jī)理作用下產(chǎn)生的，因此其模型就不能完全由一條平滑曲線來表達(dá)。雙重Weibull分段模型很好地解決了此問題[5]，不僅可以真實地表達(dá)出早期故障期與偶然故障期之間的相互銜接分布，而且還能準(zhǔn)確地找出早期故障期與偶然故障期的分界點，為農(nóng)機(jī)裝備早期故障的消除提供依據(jù)。

雙重Weibull分段模型將時間t≥0的區(qū)間分為兩個時段T1和T2，T1={0,t1}，T2={t1,t}。雙重Weibull分段模型的可靠性函數(shù)為

R(t)=kiRi(t)t∈Ti(i=1,2)

(1)

其中，ki為權(quán)參數(shù)，其幾何意義是調(diào)節(jié)兩段Weibull曲線，使其平滑對接；Ri(t)是參數(shù)為αi和βi的兩參數(shù)Weibull分布。如果β1=β2，則模型演變?yōu)橐粋€簡單Weibull分布。假定兩種情況β1>β2和β1<β2，則雙重Weibull分段模型的表達(dá)式為

a)硬件結(jié)構(gòu)部分。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)一般包括硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩大部分。硬件是基礎(chǔ)，軟件是靈魂。沒有硬件基礎(chǔ)，無從談軟件編程。硬件部分一般包括單片機(jī)引腳及功能、存儲器配置、特殊功能存儲器配置、定時器計數(shù)器、中斷系統(tǒng)、I/O口等，這些內(nèi)容教材一般都包括。但從近年來學(xué)生學(xué)習(xí)此門課程的效果來看，可以對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行增添和刪除，保留必要部分，去除繁瑣用處不大的部分。

(2)

在雙重Weibull分段模型中，t1便是農(nóng)機(jī)裝備早期故障期與偶然故障期的分界點，且其概率密度函數(shù)與可靠性函數(shù)在分界點處連續(xù)，則

(3)

由式(2)與式(3)可得

k1exp[-(t1/a1)β1]=k2exp[-(t1/a2)β2]

(4)

(5)

令k1=1，則由式(4)與式(5)可得

(6)

k2=exp[(1-β2/β1)(t1/α2)β2]

(7)

對雙重Weibull分段模型參數(shù)進(jìn)行極大似然估計，其似然函數(shù)為

ln[L(θ)]=nln(β)-nln(α)+(β-1)×

(8)

其中，n為農(nóng)機(jī)裝備的故障次數(shù)；τi為故障的間隔時間。

對式(8)求偏微分并進(jìn)一步整理可得

(9)

通過求解方程組(9)即可求得雙重Weibull分段模型參數(shù)的極大似然估計值，將求得的參數(shù)值代入式(6)與式(7)，便可得到t1。通過對早期故障期定量化模型的求解，便可確定農(nóng)機(jī)裝備在早期故障期內(nèi)的持續(xù)時間，為早期故障消除工作的開展提供理論參考。

3 農(nóng)機(jī)裝備早期故障的消除機(jī)理

從上述分析可知，農(nóng)機(jī)裝備早期故障的消除機(jī)理是以可靠性設(shè)計分析為理論基礎(chǔ)，以可靠性試驗激發(fā)潛在故障為手段，通過針對性地實施改進(jìn)措施來達(dá)到消除農(nóng)機(jī)裝備早期故障的目的。

4 農(nóng)機(jī)裝備早期故障消除模型

通過對農(nóng)機(jī)裝備早期故障消除機(jī)理的分析，建立面向早期故障期的，包括可靠性設(shè)計分析層、可靠性試驗層及早期故障消除層的農(nóng)機(jī)裝備早期故障通用消除模型，如圖3所示。3層結(jié)構(gòu)之間相互支撐，關(guān)系緊密，從而形成一個有機(jī)整體。

4.1 可靠性設(shè)計分析層

在農(nóng)機(jī)裝備可靠性設(shè)計分析層面主要有以下工作內(nèi)容：故障數(shù)據(jù)分析、故障率浴盆曲線分析、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)功能分析和潛在故障分析。首先，要廣泛收集農(nóng)機(jī)裝備的故障數(shù)據(jù)，建立詳盡的故障數(shù)據(jù)庫，并對故障數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計處理；然后，采用第2節(jié)中提供的雙重Weibull分段模型擬合出農(nóng)機(jī)裝備的故障率曲線，確定其浴盆曲線中早期故障期和偶然故障期的分界點，該分界點是確定農(nóng)機(jī)裝備可靠性試驗時間的理論依據(jù)；接下來根據(jù)用戶需求與設(shè)計任務(wù)，對農(nóng)機(jī)裝備各關(guān)鍵功能部件的結(jié)構(gòu)、功能和性能指標(biāo)進(jìn)行分析，采用結(jié)構(gòu)化分解的方法[6]，對農(nóng)機(jī)裝備整機(jī)功能進(jìn)行分解，并建立農(nóng)機(jī)裝備的可靠性模型，為后續(xù)的故障分析提供依據(jù)，常用模型包括可靠性框圖模型、功能結(jié)構(gòu)樹模型、GO法模型和故障樹模型等[7]；最后，對農(nóng)機(jī)裝備進(jìn)行設(shè)計FMECA分析和過程FMECA分析，得到潛在故障模式與故障機(jī)理，并對其嚴(yán)酷度進(jìn)行排序，找出激發(fā)這些潛在故障的各種物理參數(shù)，從而確定可靠性試驗中應(yīng)力參數(shù)的類型和水平。

4.2 可靠性試驗層

在農(nóng)機(jī)裝備可靠性試驗層面主要有以下工作內(nèi)容：可靠性試驗方案設(shè)計、試驗建模與仿真、試驗監(jiān)控及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計、可靠性試驗的實施和試驗結(jié)果分析?？煽啃栽囼炇轻槍r(nóng)機(jī)裝備樣機(jī)及其關(guān)鍵功能部件的試驗，試驗時間參考早期故障期和偶然故障期的分界點來確定，盡可能充分地激發(fā)農(nóng)機(jī)裝備全部早期故障，將農(nóng)機(jī)裝備的性能指標(biāo)和精度指標(biāo)作為故障被激發(fā)的判斷依據(jù)?？煽啃栽囼灡O(jiān)控和數(shù)據(jù)采集是利用傳感器測量和記錄需要監(jiān)控的物理參數(shù)，監(jiān)控目標(biāo)能夠真實地反映農(nóng)機(jī)裝備性能在試驗過程中的變化；而對于一些無法通過監(jiān)控系統(tǒng)來監(jiān)測的故障(如零部件斷裂、松動等)，則采用人工定時觀察的方法進(jìn)行。根據(jù)農(nóng)機(jī)裝備的功能和使用條件，建立由環(huán)境剖面和任務(wù)剖面組成的綜合試驗剖面?？煽啃栽囼瀾?yīng)力類型和應(yīng)力水平的確定是試驗成功的關(guān)鍵[8]，針對具體的潛在故障選擇與之相對應(yīng)的應(yīng)力類型，同時在試驗前盡可能對試驗方案進(jìn)行建模和仿真[9]，以便快速確定可靠性試驗應(yīng)力水平。應(yīng)力水平應(yīng)在農(nóng)機(jī)裝備的正常使用范圍內(nèi)，如果選用加速應(yīng)力，則需建立加速模型，用以折算正常應(yīng)力下的可靠性試驗數(shù)據(jù)。農(nóng)機(jī)裝備可靠性試驗過程中應(yīng)密切觀察并系統(tǒng)記錄各種參數(shù)的變化，為故障發(fā)生后的分析提供現(xiàn)實依據(jù)。在試驗結(jié)束后，對激發(fā)出的故障進(jìn)行系統(tǒng)分析，采用FTA與FMECA相結(jié)合的方法，在農(nóng)機(jī)裝備設(shè)計、制造和使用過程中找到其產(chǎn)生的根本原因和解決方案，最后從故障物理[10]的角度來研究故障激發(fā)機(jī)理。只有經(jīng)歷這樣的早期故障分析過程，才會發(fā)現(xiàn)問題的本質(zhì)，為針對性地提出改進(jìn)措施提供重要理論依據(jù)。

4.3 早期故障消除層

在農(nóng)機(jī)裝備早期故障消除層面主要工作包括：提出改進(jìn)措施、試驗驗證改進(jìn)措施和修正技術(shù)文件，也可對使用過程中發(fā)生的早期故障采取相同的模式進(jìn)行故障消除。對可靠性試驗層的結(jié)果分析完成后，質(zhì)量部門、技術(shù)部門和相關(guān)管理部門針對每個故障原因提出具體可行的改進(jìn)措施，將改進(jìn)措施落實在設(shè)計、加工、裝配、外購件驗收和使用工況等環(huán)節(jié)，并由專人負(fù)責(zé)考核。當(dāng)所有改進(jìn)措施都實施完成后，需要再次通過可靠性試驗的方法去驗證改進(jìn)措施的有效性。若類似早期故障再次被激發(fā)，則應(yīng)重新對故障模式、故障原因和故障機(jī)理進(jìn)行分析，提出新的改進(jìn)措施，直至早期故障被完全消除為止。最后，將農(nóng)機(jī)裝備早期故障消除過程中形成的各種文件進(jìn)行歸檔，為將來新產(chǎn)品的研發(fā)提供重要參考。至此，農(nóng)機(jī)裝備的早期故障消除工作結(jié)束。

圖3 農(nóng)機(jī)裝備早期故障通用消除模型Fig.3 General model of eliminating early failures for agricultural equipment

5 案例分析

某農(nóng)機(jī)裝備制造企業(yè)的產(chǎn)品以小型聯(lián)合收割機(jī)為主，由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與功能進(jìn)行了大幅度升級，因此其產(chǎn)品中存在著大量早期故障。針對這種情況，該企業(yè)首先對某型小型聯(lián)合收割機(jī)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)化分解，并采用了本文建立的早期故障消除模型，在小型聯(lián)合收割機(jī)系統(tǒng)層面上開展了早期故障消除工作，下面以該收割機(jī)產(chǎn)品為例進(jìn)行說明。

筆者對10臺該小型聯(lián)合收割機(jī)所有的84個故障數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和分析，將故障間隔時間t∈[2,1990]分為8組，如表1所示。

表1 小型聯(lián)合收割機(jī)故障頻率表Table 1 Fault frequency of small-scale combine harvester

續(xù)表1

采用第2節(jié)中的方法對小型聯(lián)合收割機(jī)進(jìn)行早期故障期的定量化建模，其雙重Weibull分段模型為

(10)

其中，該小型聯(lián)合收割機(jī)早期故障期與偶然故障期的分界點t1為1 532.71h。因此，根據(jù)試驗條件，將可靠性試驗時間長度定為1 540h，以保證其早期故障能夠完全激發(fā)；然后，按照第4節(jié)中的早期故障消除模型逐步實施以下工作。

以該小型聯(lián)合收割機(jī)的割臺為例，根據(jù)其功能結(jié)構(gòu)原理，建立起可靠性模型，如圖4所示。小型聯(lián)合收割機(jī)的其他關(guān)鍵功能部件的可靠性框圖可采用同樣的方法依次建立，本文不再贅述。通過可靠性模型的建立，便可清晰地分析各零部件的基本運動功能及動作失效之后對機(jī)器運行的影響，為接下來的故障分析打下基礎(chǔ)。

圖4 小型聯(lián)合收割機(jī)割臺可靠性框圖Fig.4 Reliability block diagram of cutting table in small-scale combine harvester

對該小型聯(lián)合收割機(jī)的84個故障數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得知該系列的潛在故障主要表現(xiàn)在履帶磨損并脫落、轉(zhuǎn)向失靈、焊接殼體脫落、排氣雙頭螺栓和消聲器等易斷裂、下割刀不剪、上割刀斷裂及下割臺支撐架組件斷裂等方面。在對上述主要故障模式進(jìn)行FTA和FMECA分析后得出以下結(jié)論：

1)履帶磨損并脫落主要是履帶芯金寬度不能滿足實際使用要求，無法起到橫向支撐作用，導(dǎo)致履帶張緊后無支撐點，導(dǎo)向齒變形，無法起到導(dǎo)向作用，托輪跳齒；芯金折彎成型高度及排布定位一致性差，導(dǎo)致左右位置偏移，芯金裸露，從而造成托輪損壞；履帶內(nèi)部無簾布層，同時鋼絲排布不合理；調(diào)節(jié)托架配合間隙偏大，導(dǎo)致托輪直線度差，容易造成托輪滑帶。

2)轉(zhuǎn)向及液壓升降不靈主要表現(xiàn)為履帶不轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)向不靈；液壓升降不靈、無法升降及自動下降。其故障的根本原因為轉(zhuǎn)向壓力低、轉(zhuǎn)向液壓缸故障及油泵工作不良。

3)焊接殼體脫焊、破裂、歪斜，排氣雙頭螺栓和消聲器、油箱下支架等易斷現(xiàn)象占到所有故障的50%以上，其故障主要是由動力振動而引起的，同時設(shè)計不合理也占部分因素。

4)割刀、割臺出現(xiàn)的故障中，割刀不剪是由副變速拉索未調(diào)整到位、安全離合螺母漏裝或者松動、刀具壓刃器壓緊力過大、安全離合止退片未卡入止退槽等造成；割刀斷是由焊接脫焊和加強(qiáng)塊失效所致；下割臺支撐架組件斷裂是由下割刀卡住，導(dǎo)致支撐柱受力過大、焊接電流過大造成焊接缺陷，矩形管材料太薄，焊接后受力強(qiáng)度不夠等造成。

為了節(jié)省開發(fā)周期，選擇加速應(yīng)力進(jìn)行可靠性強(qiáng)化試驗來快速激發(fā)小型聯(lián)合收割機(jī)的早期故障，確定負(fù)載、轉(zhuǎn)速為該小型聯(lián)合收割機(jī)可靠性試驗加速應(yīng)力，并建立其綜合應(yīng)力剖面。開始試驗后，周期性地將收割機(jī)行走離合、扶禾離合、脫粒離合置于開或分離處，同時在整機(jī)上設(shè)置16個觀測點并記錄各個點的振動值。

對3臺小型聯(lián)合收割機(jī)同時進(jìn)行了早期故障期1 550h的可靠性強(qiáng)化試驗，因性能參數(shù)超出正常范圍和部分功能失效，依次在第78、210、242、325、439、1 038h累計發(fā)生6次故障。其中，分別在78、242、1 038h出現(xiàn)3次小型聯(lián)合收割機(jī)支架斷裂的情況。針對此早期故障，該制造企業(yè)對收割機(jī)支架做了如圖5～圖6的改進(jìn)設(shè)計。在210、325h兩次因振動原因造成消聲器脫落的情況，針對此早期故障，該制造企業(yè)將立式消聲器改為臥式消聲器，具體情況如圖7所示。在439h，皮帶輪因負(fù)荷及受力較大而出現(xiàn)斷裂的早期故障，該制造企業(yè)將單皮帶改為雙皮帶，有效地降低了皮帶所受的單位負(fù)荷，具體情況如圖8所示。

圖5 收割機(jī)支架改進(jìn)實例1Fig.5 Harvester bracket improved: example 1

圖6 收割機(jī)支架改進(jìn)實例2Fig.6 Harvester bracket improved: example 2

圖7 收割機(jī)消聲器改進(jìn)實例Fig.7 Example of improvement of harvester muffler

圖8 收割機(jī)皮帶輪改進(jìn)實例Fig.8 Example of improvement of harvester Pulley

最后，再次利用可靠性強(qiáng)化試驗來驗證改進(jìn)措施實施后的有效性，上述故障情況未在試驗過程中發(fā)生，證明改進(jìn)措施切實有效，早期故障被基本消除。對其他農(nóng)機(jī)裝備同樣也采用早期故障消除模型，并將早期故障消除工作推進(jìn)到全國的農(nóng)機(jī)裝備制造企業(yè)，使我國農(nóng)機(jī)裝備的可靠性得到實質(zhì)性提高。

6 結(jié)論

農(nóng)機(jī)裝備的早期故障消除是一種基于全壽命周期浴盆曲線定量化研究的可靠性增長新模式，符合我國大力發(fā)展農(nóng)機(jī)裝備制造業(yè)的戰(zhàn)略需要，對于提升我國農(nóng)機(jī)產(chǎn)品質(zhì)量和制造加工能力，具有重要意義。本文以農(nóng)機(jī)裝備早期故障期的定量化建模為切入點，分析了早期故障的形成與消除機(jī)理，在此基礎(chǔ)上建立起農(nóng)機(jī)裝備早期故障通用消除模型，并系統(tǒng)地提出3層模型的具體內(nèi)容和實施方法，對于規(guī)范我國農(nóng)機(jī)產(chǎn)品的早期故障消除工作與可靠性增長工作具有重要的指導(dǎo)意義。但由于早期故障消除工作各層次的不確定性及我國農(nóng)機(jī)裝備制造企業(yè)的差異性，使現(xiàn)階段的早期故障消除模型得不到成熟的應(yīng)用。因此，下步工作需盡快建立農(nóng)機(jī)裝備早期故障消除的成套技術(shù)體系，以支撐我國農(nóng)機(jī)裝備的規(guī)范化發(fā)展。