基于FTA與FMECA的麥冬收獲機故障分析

劉 宇，宋樂見，羅 俊，郭 佳，葉江紅，梅林森，蔣輝霞，劉 波，郭 曦

(四川省農業機械研究設計院，成都 610066)

四川省農業機械研究設計院研發了一款型號為4WM-100B的麥冬收獲機，當前尚處于示范推廣階段。根據示范基地的反饋，存在故障發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的麥冬收獲機故障分析模型，充分利用FTA與FMECA的優點，對麥冬收獲機進行故障樹分析，從而明確其故障模式和危害程度。文章數據來源于四川省農業機械研究設計院近3年生產的4WM-100B型號的麥冬收獲機在實際使用作業中的記錄。

1 4WM-100B型號麥冬收獲機易出現故障主要部件

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，所以作業要求深度至少在25cm以下，因此挖掘鏟的損耗比較嚴重。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，會直接導致機器停止工作，對機器的使用壽命造成影響。

1.2 變速箱

收獲機上有主變速箱和副變速箱2個部分，拖拉機動力輸出軸通過萬向節驅動主變速箱，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，對動力的要求高，主、副變速箱會出現齒輪裂紋斷齒、齒輪疲勞等損失與失效問題。若出現漏油會造成潤滑失效，減短機器使用壽命。

1.3 傳動裝置

該收獲機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、離心拋散式循環篩等3個部件。在作業過程中，由于喂入量較大，篩吐裝置長期處于重載運行狀態，致其容易產生變形甚至斷裂。同時過程中也可能會遇土壤中的石頭阻塞，從而導致雙級對輥承受石頭撞擊、卡死等問題。

1.5 振動部件

機身尾部有集條收集裝置，裝置主要機構為擺動桿，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斷裂。

2 仿真模型建立

2.1 針對麥冬收獲機建立故障樹(FTA)分析模型

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

蒙特卡羅法也是一種統計試驗法或者說是一種把概率作為研究對象的模擬法。它最大的優點就是方法的誤差與問題的維度無關。整個麥冬收獲機的仿真過程就是讓構建的系統模型按照設定好的次數重復進行仿真試驗。模擬的過程實際上就是模擬收獲機在實際作業中可能發生的真實故障。通過故障的數據得出模擬系統中每個單元部件可能無故障作業的時間以及故障出現后可以恢復到正常運行狀態所需要的時間。當達到給預設的仿真次數后，系統會構造出收獲機在給定壽命周期內的運行“折線圖”，從而給麥冬收獲機故障分析提供數據支撐。

2.2 FMECA 分析理論

FMECA是也是本次進行故障分析的方法之一，它將對麥冬收獲機的故障模式及其可能的影響進行分析， 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行FMEA故障樹然后進行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，對每個故障模式發生的概率和嚴重程度進行綜合評估，找到每個故障因素對機器的影響。基于定量的分析結果，識別出故障的頻率。根據主要故障的原因，提出針對性的改進措施，可以有效提高麥冬收獲機的可靠性。其主要步驟分為：系統定義、故障模式分析、原因分析、影響分析、重要度分析。

系統定義主要兩個部分，一是對麥冬收獲機各重要部件進行分析，二是根據分析結果建立各個部件對應的可靠性框圖或者其他對應關系框圖。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。故障模式分析是將3年以來麥冬收獲機作業期間收集的故障問題，借鑒其他產品的故障形式，判斷出自身可能出現的故障模式。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，進行定量分析，分析可能出現每個故障模式的影響程度和重要程度。

筆者結合中藥材收獲機的特點，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 實例分析

3.1 麥冬收獲機故障樹分析過程

根據逆向FTF模型流程圖，利用故障樹分析法來識別麥冬收獲機所有事件之間的邏輯關系，建立的麥冬收獲機故障樹模型如圖2。故障樹清晰地表明了麥冬收獲機中不同重要部件發生的事件是如何導致機器故障。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、機身軸承故障、防護罩故障。最終故障樹底事件共計20個。文章采用的仿真軟件是AvSim+V10.0，由于最佳的仿真次數無法通過公式計算出，所以需要進行試驗來確定。從試驗過程得知，如果仿真次數過多，軟件計算費時費力，但是仿真次數過少，又會產生較大的估計誤差。通過對1000、1500、2000、3000、3800次的仿真次數進行仿真，估計誤差如圖3所示，將5次仿真結果繪制成曲線圖(圖4)，可以看出當仿真次數達到2000次后，估計誤差無明顯變化，仿真次數為3800次誤差率為0.000259819%，是比較合理的。

圖3 1000、1500、2000、3000、3800 次等不同仿真次數的估計誤差

圖4 不同仿真結果估計誤差率

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故障部位的重要度仿真結果表和折線圖(圖5)。

圖5 麥冬收獲機故障樹重要度仿真分布折線圖

取仿真次數為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影響的重要程度，同時也判斷是否為麥冬收獲機薄弱環節的重要依據。通過對表1數據進行分析，本文選取麥冬收獲機重要度前8的底事件對其進行蒙特卡羅法分析。重要度排列順序為：EVENT1>EVENT17>EVENT18>EVENT19>EVENT14>EVENT15>EVENT12>EVENT8。

表1 麥冬收獲機故障樹重要度仿真結果

4 總結

本文采用FTA和 FMECA方法對麥冬收獲機的典型失效模式進行了相關性分析和定量評價，避免了依靠經驗對可靠性及嚴重度評價存在主觀因素大、可重復性差的問題。通過對其重要程度進行排序，快速有效地尋找到了影響麥冬收獲機可靠性的關鍵因素。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果與收獲機作業實際結果相符合，表明本文提出的方法在麥冬收獲機整體設計過程中以及可靠性分析中是適用的。在麥冬收獲機的后期改進中，應該對重要程度高的失效模式進行針對性地優化設計和改進。