基于FTA與FMECA的麥冬收獲機(jī)故障分析

劉 宇，宋樂見，羅 俊，郭 佳，葉江紅，梅林森，蔣輝霞，劉 波，郭 曦

(四川省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究設(shè)計(jì)院，成都 610066)

四川省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究設(shè)計(jì)院研發(fā)了一款型號為4WM-100B的麥冬收獲機(jī)，當(dāng)前尚處于示范推廣階段。根據(jù)示范基地的反饋，存在故障發(fā)生率較高以及故障模式、危害度不明確等問題。對此，文章建立蒙特卡洛算法FTA與FMECA的麥冬收獲機(jī)故障分析模型，充分利用FTA與FMECA的優(yōu)點(diǎn)，對麥冬收獲機(jī)進(jìn)行故障樹分析，從而明確其故障模式和危害程度。文章數(shù)據(jù)來源于四川省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究設(shè)計(jì)院近3年生產(chǎn)的4WM-100B型號的麥冬收獲機(jī)在實(shí)際使用作業(yè)中的記錄。

1 4WM-100B型號麥冬收獲機(jī)易出現(xiàn)故障主要部件

1.1 二階曲面深挖鏟部件

二階曲面深挖鏟是麥冬收獲機(jī)挖掘麥冬時的主要受力部件，由于麥冬深度一般在20～30cm，所以作業(yè)要求深度至少在25cm以下，因此挖掘鏟的損耗比較嚴(yán)重。二階曲面挖掘鏟分為鋸齒形平面鏟和二階傾角平面鏟，在工作中易造成鏟板焊接處脫落和平鏟口堵塞。該部件造成故障后，會直接導(dǎo)致機(jī)器停止工作，對機(jī)器的使用壽命造成影響。

1.2 變速箱

收獲機(jī)上有主變速箱和副變速箱2個部分，拖拉機(jī)動力輸出軸通過萬向節(jié)驅(qū)動主變速箱，主變速箱通過皮帶傳動和鏈傳動帶動副變速箱。由于長期田間挖掘作業(yè)，對動力的要求高，主、副變速箱會出現(xiàn)齒輪裂紋斷齒、齒輪疲勞等損失與失效問題。若出現(xiàn)漏油會造成潤滑失效，減短機(jī)器使用壽命。

1.3 傳動裝置

該收獲機(jī)傳動主要依靠皮帶傳動、鏈傳動、傳動軸等。皮帶變形斷裂、鏈輪變尖、鏈條變形增長斷裂、傳動軸磨損是該部件主要可能出現(xiàn)的問題。

1.4 篩土裝置

篩土裝置分為逐級碾壓輸送去土裝置、雙級對輥擠壓碎土裝置、離心拋散式循環(huán)篩等3個部件。在作業(yè)過程中，由于喂入量較大，篩吐裝置長期處于重載運(yùn)行狀態(tài)，致其容易產(chǎn)生變形甚至斷裂。同時過程中也可能會遇土壤中的石頭阻塞，從而導(dǎo)致雙級對輥承受石頭撞擊、卡死等問題。

1.5 振動部件

機(jī)身尾部有集條收集裝置，裝置主要機(jī)構(gòu)為擺動桿，主要功能是通過振動收集麥冬。擺動桿身與傳動部件連接磨損，造成擺動桿變形變細(xì)斷裂。

2 仿真模型建立

2.1 針對麥冬收獲機(jī)建立故障樹(FTA)分析模型

故障樹(FTA)一般采用采用圖表方式進(jìn)行因果分析。文章利用該方法建立麥冬收獲機(jī)故障樹模型對其故障發(fā)生的原因及概率進(jìn)行分析。模型(FTA)首先將從故障的開始(頂事件)來尋找各種收獲機(jī)發(fā)生故障的原因。通過隨機(jī)抽樣或統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)方法對FTA仿真模型進(jìn)行分析，其又可稱為蒙特卡羅法。

蒙特卡羅法也是一種統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)法或者說是一種把概率作為研究對象的模擬法。它最大的優(yōu)點(diǎn)就是方法的誤差與問題的維度無關(guān)。整個麥冬收獲機(jī)的仿真過程就是讓構(gòu)建的系統(tǒng)模型按照設(shè)定好的次數(shù)重復(fù)進(jìn)行仿真試驗(yàn)。模擬的過程實(shí)際上就是模擬收獲機(jī)在實(shí)際作業(yè)中可能發(fā)生的真實(shí)故障。通過故障的數(shù)據(jù)得出模擬系統(tǒng)中每個單元部件可能無故障作業(yè)的時間以及故障出現(xiàn)后可以恢復(fù)到正常運(yùn)行狀態(tài)所需要的時間。當(dāng)達(dá)到給預(yù)設(shè)的仿真次數(shù)后，系統(tǒng)會構(gòu)造出收獲機(jī)在給定壽命周期內(nèi)的運(yùn)行“折線圖”，從而給麥冬收獲機(jī)故障分析提供數(shù)據(jù)支撐。

2.2 FMECA 分析理論

FMECA是也是本次進(jìn)行故障分析的方法之一，它將對麥冬收獲機(jī)的故障模式及其可能的影響進(jìn)行分析， FMECA由故障模式(FMEA)和危害性分析(CA)兩部分組成。文章建立模型首先需要進(jìn)行FMEA故障樹然后進(jìn)行CA危害分析。某種程度上CA危害分析也對故障重要度的分析。采用該分析法主要為了想說明麥冬收獲機(jī)潛在的安全性和可靠性問題，同時為維修和保障策略提供依據(jù)，對每個故障模式發(fā)生的概率和嚴(yán)重程度進(jìn)行綜合評估，找到每個故障因素對機(jī)器的影響。基于定量的分析結(jié)果，識別出故障的頻率。根據(jù)主要故障的原因，提出針對性的改進(jìn)措施，可以有效提高麥冬收獲機(jī)的可靠性。其主要步驟分為：系統(tǒng)定義、故障模式分析、原因分析、影響分析、重要度分析。

系統(tǒng)定義主要兩個部分，一是對麥冬收獲機(jī)各重要部件進(jìn)行分析，二是根據(jù)分析結(jié)果建立各個部件對應(yīng)的可靠性框圖或者其他對應(yīng)關(guān)系框圖。它是整個流程中針對各部件下的故障模式原因和影響分析的基礎(chǔ)。故障模式分析是將3年以來麥冬收獲機(jī)作業(yè)期間收集的故障問題，借鑒其他產(chǎn)品的故障形式，判斷出自身可能出現(xiàn)的故障模式。之后從各個部件的功能原理層面找出它原因，按照約定劃分級別，進(jìn)行定量分析，分析可能出現(xiàn)每個故障模式的影響程度和重要程度。

筆者結(jié)合中藥材收獲機(jī)的特點(diǎn)，提出基于蒙特卡羅算法的FTA與FMECA(逆向FTF)的算法模型，總體流程圖如圖1。

圖1 逆向FTF模型總體流程

3 實(shí)例分析

3.1 麥冬收獲機(jī)故障樹分析過程

根據(jù)逆向FTF模型流程圖，利用故障樹分析法來識別麥冬收獲機(jī)所有事件之間的邏輯關(guān)系，建立的麥冬收獲機(jī)故障樹模型如圖2。故障樹清晰地表明了麥冬收獲機(jī)中不同重要部件發(fā)生的事件是如何導(dǎo)致機(jī)器故障。主要故障部位分為7個部分，包括平鏟故障、變速箱故障、傳動部件故障、篩土部件故障、振動部件故障、機(jī)身軸承故障、防護(hù)罩故障。最終故障樹底事件共計(jì)20個。文章采用的仿真軟件是AvSim+V10.0，由于最佳的仿真次數(shù)無法通過公式計(jì)算出，所以需要進(jìn)行試驗(yàn)來確定。從試驗(yàn)過程得知，如果仿真次數(shù)過多，軟件計(jì)算費(fèi)時費(fèi)力，但是仿真次數(shù)過少，又會產(chǎn)生較大的估計(jì)誤差。通過對1000、1500、2000、3000、3800次的仿真次數(shù)進(jìn)行仿真，估計(jì)誤差如圖3所示，將5次仿真結(jié)果繪制成曲線圖(圖4)，可以看出當(dāng)仿真次數(shù)達(dá)到2000次后，估計(jì)誤差無明顯變化，仿真次數(shù)為3800次誤差率為0.000259819%，是比較合理的。

圖3 1000、1500、2000、3000、3800 次等不同仿真次數(shù)的估計(jì)誤差

圖4 不同仿真結(jié)果估計(jì)誤差率

3.2 利用AvSim+V10.0通過FTA與FMECA故障樹分析方法得到以下麥冬收獲機(jī)故障部位的重要度仿真結(jié)果表和折線圖(圖5)。

圖5 麥冬收獲機(jī)故障樹重要度仿真分布折線圖

取仿真次數(shù)為3800次，利用算法仿真分析得到各個底事件重要度如表1。重要度的大小表示底層事件對麥冬收獲機(jī)影響的重要程度，同時也判斷是否為麥冬收獲機(jī)薄弱環(huán)節(jié)的重要依據(jù)。通過對表1數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，本文選取麥冬收獲機(jī)重要度前8的底事件對其進(jìn)行蒙特卡羅法分析。重要度排列順序?yàn)椋篍VENT1>EVENT17>EVENT18>EVENT19>EVENT14>EVENT15>EVENT12>EVENT8。

表1 麥冬收獲機(jī)故障樹重要度仿真結(jié)果

4 總結(jié)

本文采用FTA和 FMECA方法對麥冬收獲機(jī)的典型失效模式進(jìn)行了相關(guān)性分析和定量評價，避免了依靠經(jīng)驗(yàn)對可靠性及嚴(yán)重度評價存在主觀因素大、可重復(fù)性差的問題。通過對其重要程度進(jìn)行排序，快速有效地尋找到了影響麥冬收獲機(jī)可靠性的關(guān)鍵因素。平鏟口堵塞、支撐輪損壞、軸承磨損等幾種典型失效模式的重要程度排序結(jié)果與收獲機(jī)作業(yè)實(shí)際結(jié)果相符合，表明本文提出的方法在麥冬收獲機(jī)整體設(shè)計(jì)過程中以及可靠性分析中是適用的。在麥冬收獲機(jī)的后期改進(jìn)中，應(yīng)該對重要程度高的失效模式進(jìn)行針對性地優(yōu)化設(shè)計(jì)和改進(jìn)。