農機裝備早期故障消除模型

柳 劍，岳高峰，葉 進，曾百功，魏 梟

(1.西南大學 工程技術學院，重慶 400715；2.重慶市農業機械鑒定站，重慶 402160)

0 引言

長期以來，隨著農機裝備向著復雜化、高參數化方向發展，其可靠性問題越來越受到廣大用戶的重視。然而，根據全國各級農機質量投訴監督機構調查報告的結果顯示，目前國產農機產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]，特別是在農田作業過程中發生故障的概率較大。農機裝備的可靠性直接影響到用戶的購買欲望和使用滿意度，低可靠性產品不僅會極大地制約其在農忙時的使用率，增加用戶使用成本，更會嚴重影響用戶對國產農機裝備的使用信心。

農機裝備在使用初期，其性能是否穩定，故障是否頻發，是用戶從心理上判斷產品可靠性水平高低的關鍵。文獻[2]對收集到的某國產拖拉機的現場試驗故障數據進行了分析，結果顯示該拖拉機在初次運行的500h內產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致國產農機裝備可靠性水平低下的重要原因。為此，本文提出了一種農機裝備早期故障通用消除模型，在農機裝備出廠前將早期故障消除，為提高農機裝備可靠性水平提供一種新模式。

1 早期故障期簡介

農機裝備全壽命周期內，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。農機裝備在使用初期便進入早期故障期，在此期間發生的故障較多，主要是由農機裝備零件質量管控不嚴、設計失誤、裝配工藝缺陷及“磨合”不夠等原因造成。早期故障期結束后，農機裝備的故障率明顯降低且近似保持不變[4]，于是便進入了偶然故障期，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 農機裝備故障率浴盆曲線Fig.1 Bathtub curve of agricultural equipment

農機裝備早期故障期的典型特點有以下3個：①故障頻率高。在早期故障期內故障多，故障間的時間間隔往往較短。②持續時間短。與農機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品質量薄弱環節和設計制造缺陷造成的，當其發生時往往需要維修才能使農機裝備恢復正常運行。這3個特點表明早期故障對農機裝備可靠性水平的影響極大，因此及時發現并消除早期故障成為農機裝備可靠性提升的關鍵。

2 農機裝備早期故障期的定量化建模

通過第1節的分析可知，早期故障期與偶然故障期之間存在明顯的時間分界點。這就意味著農機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理作用下產生的，因此其模型就不能完全由一條平滑曲線來表達。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，而且還能準確地找出早期故障期與偶然故障期的分界點，為農機裝備早期故障的消除提供依據。

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

R(t)=kiRi(t)t∈Ti(i=1,2)

(1)

其中，ki為權參數，其幾何意義是調節兩段Weibull曲線，使其平滑對接；Ri(t)是參數為αi和βi的兩參數Weibull分布。如果β1=β2，則模型演變為一個簡單Weibull分布。假定兩種情況β1>β2和β1<β2，則雙重Weibull分段模型的表達式為

a)硬件結構部分。單片機應用系統一般包括硬件設計和軟件設計兩大部分。硬件是基礎，軟件是靈魂。沒有硬件基礎，無從談軟件編程。硬件部分一般包括單片機引腳及功能、存儲器配置、特殊功能存儲器配置、定時器計數器、中斷系統、I/O口等，這些內容教材一般都包括。但從近年來學生學習此門課程的效果來看，可以對教學內容進行增添和刪除，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便是農機裝備早期故障期與偶然故障期的分界點，且其概率密度函數與可靠性函數在分界點處連續，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分段模型參數進行極大似然估計，其似然函數為

ln[L(θ)]=nln(β)-nln(α)+(β-1)×

(8)

其中，n為農機裝備的故障次數；τi為故障的間隔時間。

對式(8)求偏微分并進一步整理可得

(9)

通過求解方程組(9)即可求得雙重Weibull分段模型參數的極大似然估計值，將求得的參數值代入式(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，便可確定農機裝備在早期故障期內的持續時間，為早期故障消除工作的開展提供理論參考。

3 農機裝備早期故障的消除機理

從上述分析可知，農機裝備早期故障的消除機理是以可靠性設計分析為理論基礎，以可靠性試驗激發潛在故障為手段，通過針對性地實施改進措施來達到消除農機裝備早期故障的目的。

4 農機裝備早期故障消除模型

通過對農機裝備早期故障消除機理的分析，建立面向早期故障期的，包括可靠性設計分析層、可靠性試驗層及早期故障消除層的農機裝備早期故障通用消除模型，如圖3所示。3層結構之間相互支撐，關系緊密，從而形成一個有機整體。

4.1 可靠性設計分析層

在農機裝備可靠性設計分析層面主要有以下工作內容：故障數據分析、故障率浴盆曲線分析、產品結構功能分析和潛在故障分析。首先，要廣泛收集農機裝備的故障數據，建立詳盡的故障數據庫，并對故障數據進行統計處理；然后，采用第2節中提供的雙重Weibull分段模型擬合出農機裝備的故障率曲線，確定其浴盆曲線中早期故障期和偶然故障期的分界點，該分界點是確定農機裝備可靠性試驗時間的理論依據；接下來根據用戶需求與設計任務，對農機裝備各關鍵功能部件的結構、功能和性能指標進行分析，采用結構化分解的方法[6]，對農機裝備整機功能進行分解，并建立農機裝備的可靠性模型，為后續的故障分析提供依據，常用模型包括可靠性框圖模型、功能結構樹模型、GO法模型和故障樹模型等[7]；最后，對農機裝備進行設計FMECA分析和過程FMECA分析，得到潛在故障模式與故障機理，并對其嚴酷度進行排序，找出激發這些潛在故障的各種物理參數，從而確定可靠性試驗中應力參數的類型和水平。

4.2 可靠性試驗層

在農機裝備可靠性試驗層面主要有以下工作內容：可靠性試驗方案設計、試驗建模與仿真、試驗監控及數據采集系統設計、可靠性試驗的實施和試驗結果分析。可靠性試驗是針對農機裝備樣機及其關鍵功能部件的試驗，試驗時間參考早期故障期和偶然故障期的分界點來確定，盡可能充分地激發農機裝備全部早期故障，將農機裝備的性能指標和精度指標作為故障被激發的判斷依據。可靠性試驗監控和數據采集是利用傳感器測量和記錄需要監控的物理參數，監控目標能夠真實地反映農機裝備性能在試驗過程中的變化；而對于一些無法通過監控系統來監測的故障(如零部件斷裂、松動等)，則采用人工定時觀察的方法進行。根據農機裝備的功能和使用條件，建立由環境剖面和任務剖面組成的綜合試驗剖面。可靠性試驗應力類型和應力水平的確定是試驗成功的關鍵[8]，針對具體的潛在故障選擇與之相對應的應力類型，同時在試驗前盡可能對試驗方案進行建模和仿真[9]，以便快速確定可靠性試驗應力水平。應力水平應在農機裝備的正常使用范圍內，如果選用加速應力，則需建立加速模型，用以折算正常應力下的可靠性試驗數據。農機裝備可靠性試驗過程中應密切觀察并系統記錄各種參數的變化，為故障發生后的分析提供現實依據。在試驗結束后，對激發出的故障進行系統分析，采用FTA與FMECA相結合的方法，在農機裝備設計、制造和使用過程中找到其產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機理。只有經歷這樣的早期故障分析過程，才會發現問題的本質，為針對性地提出改進措施提供重要理論依據。

4.3 早期故障消除層

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

圖3 農機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

某農機裝備制造企業的產品以小型聯合收割機為主，由于產品結構與功能進行了大幅度升級，因此其產品中存在著大量早期故障。針對這種情況，該企業首先對某型小型聯合收割機進行了結構化分解，并采用了本文建立的早期故障消除模型，在小型聯合收割機系統層面上開展了早期故障消除工作，下面以該收割機產品為例進行說明。

筆者對10臺該小型聯合收割機所有的84個故障數據進行收集和分析，將故障間隔時間t∈[2,1990]分為8組，如表1所示。

表1 小型聯合收割機故障頻率表Table 1 Fault frequency of small-scale combine harvester

續表1

采用第2節中的方法對小型聯合收割機進行早期故障期的定量化建模，其雙重Weibull分段模型為

(10)

其中，該小型聯合收割機早期故障期與偶然故障期的分界點t1為1 532.71h。因此，根據試驗條件，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；然后，按照第4節中的早期故障消除模型逐步實施以下工作。

以該小型聯合收割機的割臺為例，根據其功能結構原理，建立起可靠性模型，如圖4所示。小型聯合收割機的其他關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器運行的影響，為接下來的故障分析打下基礎。

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

對該小型聯合收割機的84個故障數據進行分析，得知該系列的潛在故障主要表現在履帶磨損并脫落、轉向失靈、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行FTA和FMECA分析后得出以下結論：

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，導致履帶張緊后無支撐點，導向齒變形，無法起到導向作用，托輪跳齒；芯金折彎成型高度及排布定位一致性差，導致左右位置偏移，芯金裸露，從而造成托輪損壞；履帶內部無簾布層，同時鋼絲排布不合理；調節托架配合間隙偏大，導致托輪直線度差，容易造成托輪滑帶。

2)轉向及液壓升降不靈主要表現為履帶不轉，轉向不靈；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向壓力低、轉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，同時設計不合理也占部分因素。

4)割刀、割臺出現的故障中，割刀不剪是由副變速拉索未調整到位、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塊失效所致；下割臺支撐架組件斷裂是由下割刀卡住，導致支撐柱受力過大、焊接電流過大造成焊接缺陷，矩形管材料太薄，焊接后受力強度不夠等造成。

為了節省開發周期，選擇加速應力進行可靠性強化試驗來快速激發小型聯合收割機的早期故障，確定負載、轉速為該小型聯合收割機可靠性試驗加速應力，并建立其綜合應力剖面。開始試驗后，周期性地將收割機行走離合、扶禾離合、脫粒離合置于開或分離處，同時在整機上設置16個觀測點并記錄各個點的振動值。

對3臺小型聯合收割機同時進行了早期故障期1 550h的可靠性強化試驗，因性能參數超出正常范圍和部分功能失效，依次在第78、210、242、325、439、1 038h累計發生6次故障。其中，分別在78、242、1 038h出現3次小型聯合收割機支架斷裂的情況。針對此早期故障，該制造企業對收割機支架做了如圖5～圖6的改進設計。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，皮帶輪因負荷及受力較大而出現斷裂的早期故障，該制造企業將單皮帶改為雙皮帶，有效地降低了皮帶所受的單位負荷，具體情況如圖8所示。

圖5 收割機支架改進實例1Fig.5 Harvester bracket improved: example 1

圖6 收割機支架改進實例2Fig.6 Harvester bracket improved: example 2

圖7 收割機消聲器改進實例Fig.7 Example of improvement of harvester muffler

圖8 收割機皮帶輪改進實例Fig.8 Example of improvement of harvester Pulley

最后，再次利用可靠性強化試驗來驗證改進措施實施后的有效性，上述故障情況未在試驗過程中發生，證明改進措施切實有效，早期故障被基本消除。對其他農機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到全國的農機裝備制造企業，使我國農機裝備的可靠性得到實質性提高。

6 結論

農機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，符合我國大力發展農機裝備制造業的戰略需要，對于提升我國農機產品質量和制造加工能力，具有重要意義。本文以農機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理，在此基礎上建立起農機裝備早期故障通用消除模型，并系統地提出3層模型的具體內容和實施方法，對于規范我國農機產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機裝備制造企業的差異性，使現階段的早期故障消除模型得不到成熟的應用。因此，下步工作需盡快建立農機裝備早期故障消除的成套技術體系，以支撐我國農機裝備的規范化發展。