多棱立辊式玉米收获机割台FMECA分析

何 珂，姜 萌，刘洋成，王 骞，耿端阳，张明源

(1.山东理工大学 农业工程与食品科学学院，山东 淄博 255000；2.雷沃重工股份有限公司，山东 潍坊 261206)

0 引言

随着科学技术的快速发展和农业生产的实际需要，农业机械装备正朝着功能复合、技术先进、高效快捷的方向发展；但是，由于行业制约、观念问题甚至技术原因导致许多大型农业装备虽然功能更强，但是可靠性却差强人意，从而制约了农业装备的有效利用，也出现了国内农业装备难以与国外先进工业国家农业装备竞争的尴尬局面。因此，许多专家学者和骨干农机装备制造企业都开始加强了我国农业装备的可靠性研究[1-2]。

可靠性是装备的设计属性，主要是通过设计实现。为了提高装备的可靠性，需要在装备设计阶段运用可靠性设计、分配、预计等方法进行验证，确保开发装备的可靠性要求。通过对农业装备可靠度进行预测，有助于加快装备的研发周期，降低装备研发和后期维护成本，保障装备的可用度；另外，还可以及时发现制约装备可靠性提高的技术瓶颈，为农业装备的设计优化提供改进依据[3-4]。

故障树分析(Fault Tree Analysis,FTA)和故障模式、影响及危害性分析(Failure Mode Effect and Criticality Analysis,FMECA)是可靠度设计过程进行失效分析的重要手段，是发现设计薄弱环节和制定维修大纲的依据。其中，FMECA是在FTA基础上更为详细的一种分析方法，是故障模式影响及影响分析(Failure Mode and Effects Analysis,FMEA)和危害性分析(Critically Analysis,CA)的综合，CA是FMEA的补充和扩展。FMECA是产品可靠性分析的一项重要内容，是开展维修性分析、安全性分析、测试性分析和保障性分析的基础。目前，FMECA分析已经广泛应用于汽车、航天、工程机械领域中。例如，电子科技大学张晗亮以FMECA方法分析了柴油机的可靠性，上海海事大学竹建福则通过FMECA对船舶主机系统进行了可靠性分析等[5-8]。在农业装备功能复合、结构复杂、技术水平不断提高的情况下，为了确保农业装备的使用可靠性、降低维护成本、提高使用安全性和有效性，开展复杂农业装备的可靠性研究具有重要意义。

本文以与雷沃重工国际股份有限公司共同研发的多棱立辊式玉米收获机割台为例，通过对多棱立辊式玉米收获机割台的工作原理分析和参照相关可靠性数据，运用FMECA分析方法对多棱立辊式玉米收获机割台的可靠性进行相关分析预测。

1 FMECA一般分析方法及步骤

FMECA分析作为一种主动检验的定量与定性结合的可靠性分析方法，是以故障模式为基础、以故障影响或者后果为分析对象，进行系统可靠性评估的分析技术。根据FMECA标准GJB/Z1391-2006，进行FMECA分析的主要步骤如图1所示。

系统定义是了解和确定系统需要分析的范围，明确分析系统的结构和故障的评判依据。

故障模式影响分析是通过统计、试验、预计等方法确定产品可能出现的所有故障模式，分析各故障模式产生的原因及影响，提出保障或者改进系统可靠性的所应采取的措施和对策。

危害性分析是对产品所有故障模式的严重程度及其发生的概率等进行综合分析，确定产品中可能出现的所有故障模式的影响等级，全面评价产品中可能出现故障的影响，为产品所有故障模式的预防和改进提供设计意见。

图1 FMECA分析步骤Fig.1 FMECA analyze step

2 多棱立辊式玉米收获机割台结构

产品组成和结构是进行可靠性分析的基础，如本文研究的多棱立辊式玉米收获机割台，采用激振原理完成玉米果穗与茎秆的分离,具有作业效率高、果穗损伤小和落粒损失少的特点。如果割台可靠性较低或者故障后果比较严重，甚至存在安全性隐患，则必然影响整机的推广与使用。

本割台主要由机架、变速箱、多棱立辊、夹持输送装置、摆环、拨禾轮和切割器组成，可一次完成拨禾、切断、输送及摘穗等功能[9-11]，如图2所示。

1.夹持输送链 2.动刀 3.定刀 4.拨禾轮 5.压刃器 6.拨指 7.摆环 8.多棱立辊 9.变速箱 10.机架 11.压杆

其中，多棱立辊主要由上段多棱摘穗辊、下段拉茎辊、链轮、连接轴和轴承等组成，如图3所示。切割器主要由动刀、定刀和压刃器等组成；夹持输送装置主要由夹持输送链、拨指和压杆等组成。其工作原理如下：随着收获机的前行，拨禾轮引导植株进入夹持输送链前端，在夹持输送链夹持植株的同时，由往复式切割器切断玉米植株，夹持输送链上拨指配合压杆引导玉米植株前行至多棱立辊处，多棱立辊的下段拉茎辊抓取玉米植株，并将其向后拽拉；在此拽拉过程中，玉米植株随之进入多棱摘穗辊，由其完成玉米果穗的收获。

1.多棱摘穗辊 2.拉茎辊 3.轴承 4.链轮 5.连接轴

上述各部件均安装于机架上。其传动路线为发动机的动力经过变速箱后一路传至摘穗装置，另一路传至切割装置，传入摘穗装置的动力经多棱立辊上链轮传至夹持输送装置，从而完成多棱立辊式割台的动力传输。

3 立辊式玉米收获机割台FMECA分析

3.1 FMEA分析

为保证玉米收获机割台所有部件的故障模式不被遗漏，需要根据割台的组成部件进行划分。一般而言，玉米收获机割台主要是按照各部件完成的功能进行层次的划分，所以在进行FMEA分析时同样按照功能完成玉米收获机割台的的分级功能框的建立。

一般分级功能框图采用自上而下的方式进行划分, 立辊式玉米收获机割台的分级功能框图如图4所示。

图4 立辊式玉米割台分级功能框图Fig.4 Vertical corn harvester head classification functional diagram

故障分析时，为了避免分析遗漏，对分级功能框图中每一个方框图都自下而上逐级进行故障模式、故障原因、故障影响、检验方法和改进措施分析。

故障模式一般通过统计、试验、分析和预测等方法获取，本文对福田雷沃国际有限公司生产的多棱立辊式玉米收获机割台产生故障模式进行统计得出相关数据。

故障原因分析的目的是找出故障模式产生的原因，进而采取针对性的有效改进和预防措施。

故障影响分析的目的是根据每个故障发生所能造成的影响或者后果采取最为经济、有效的措施，不仅可为装备改进设计提供依据，而且为指定维修大纲提供了分析依据。其主要包括对影响安全性、操作性的故障采取改进设计的方法或采用预防性维修的方法进行坚决杜绝；对影响经济性的故障主要采取预防性维修的方法进行避免，或者延长故障的发生周期，或者将故障影响降低到最小。

为了保证分析程序的完整性和规范性，一般采用表格的形式对所有功能部件从功能—故障—故障原因—故障影响—改进措施等方面进行分析。

3.2 CA分析

考虑故障产生的危害各不相同，为了保证改进措施的可靠性和经济性，需要针对每个故障产生的危害度大小决定采取的合理措施。一般来说，危害性分析分为定性危害性矩阵分析与定量危害性矩阵分析。

定量危害性矩阵分析需要计算每种故障模式的危害度和产品危害度，每种故障模式的危害度计算如式(1)所示，产品危害度计算如式(2)所示。

每种故障模式影响危害度Cmj为

Cmj=αjβjλpt

(1)

其中，j=1，2…，N，N为故障模式总数；αj为产品第j种故障模式发生次数与产品所有可能的故障模式数的比率；βj为产品第j种故障模式发生的条件下其最终影响导致某层次出现严酷度等级的条件概率；λp被分析产品在其任务阶段内的故障率(1/h)；t为产品任务阶段的工作时间(h)。

由于危害度分析采用的是自下而上的分析方法，所以为了掌握部装或者上层功能部件产生的危害度，则需要对所有部件的危害度进行累加，即产品危害度Cr，则

(2)

其中，j=1，2，…，N，N为故障模式总数。

当可以获得较为准确的产品故障数据时，可以选择定量危害性矩阵分析方法；当不能获得准确的产品故障数据时，可以选择定性危害性矩阵分析[12-13]。为了简化分析过程，选择定性危害性矩阵分析方法。

定性危害性矩阵分析方法属于一种相对简单的分析方法，是主要依据故障发生频率和故障影响的严酷度两方面综合评价故障产生影响危害程度的方法；但是，考虑两者没有必然的联系，也很难建立准确的数学模型，故采用危害性矩阵进行综合判定。

其中，故障发生的频率分为A、B、C、D、E等5个等级。A级(经常发生)即该故障模式出现概率大于总故障率的0.2；B级(很可能发生)即该故障模式出现的概率为总故障率的0.1～0.2；C级(偶然发生)即该故障模式出现的概率为总故障率的0.01～0.1；D级(很少发生)即该故障模式发生的概率为总故障率的0.001～0.01；E级(极不可能发生)即该产品的故障率小于总故障率的0.001。

由于每种故障模式影响各不相同，从而会导致所采用的处理对策也不相同，因此必须针对每一故障模式对其故障影响的严酷度进行评价。一般来说，严酷度是根据故障后果或者故障影响来评判。严酷度标准结合农业机械产品特点及相关参考文献列表[14]，如表1所示。

表1 多棱立辊式玉米割台严酷度定义Table 1 Vertical roller corn harvester head grimness definition

最后，进行定性危害性矩阵分析。在定性危害性矩阵中，横坐标代表严酷度等级，纵坐标代表故障模式概率等级，如图5所示。从图5所标记的故障模式分布点向对角线(图中虚线OP)做垂线，以该垂线与对角线的交点到原点的距离作为度量故障模式危害性的依据，距离越长，其危害性越大，尽量采用改进设计的方法进行改进。例如，图5中，O1的距离比O2的距离长，则故障模式M1比M2的危害性大。

图5 危害度矩阵一般模式Fig.5 The model of hazard degree matrix

依据上述分析方法，对多棱立辊式玉米割台每种故障模式、故障模式的严酷度及概率等级进行确定，并将故障模式标识编码填入定性危害性矩阵中，即可得多棱立辊式玉米割台定性危害性矩阵，如图6所示。

根据图6，按照上述危害性判别标准即可知多棱立辊式玉米割台各种故障模式的危害性分布。图6表明：多棱摘穗辊作为多棱立辊式玉米收获机割台最为关键的部件，承担着摘穗的主要功能，其可靠性的高低直接影响割台的摘穗功能，因此多棱摘穗辊危害性最大，需要定期对其进行功能检查工作；摆环、连接杆、输送链和拉茎辊作为多棱立辊式玉米收获机割台重要的维修项目，也需要对其进行周期性的预防性维修工作。

图6 立辊式玉米割台危害度矩阵Fig.6 Vertical corn harvester head hazard degree matrix

危害性分析过程中，故障模式的严酷度等级和故障概率等级分析过程如表2所示。

3.3 FMECA分析工作表建立

完成FMEA分析和CA分析之后，填写多棱立辊式玉米收获机割台FMECA分析工作表，如表2所示。

表2 立辊式玉米收获机割台FMECA工作表Table 2 Vertical roller corn harvester head FMECA List

4 结论

1)对可靠性设计中的FMECA分析方法和程序进行了系统阐释，揭示了FMECA中分析内容的相互联系和含义，为农业装备进行可靠性设计提供了理论依据。

2)采用FMECA分析方法对新开发的多棱立辊式玉米收获机割台的可靠性进行了分析，建立了割台重要维修项目的定性危害性矩阵，为改进割台结构、制定预防性维修大纲提供了依据，也为其他农业装备的可靠性分析提供了参考。

3)依据FMECA的分析结果，提供了预防维修任务，为下一步确定维修间隔奠定了基础。