基于PDCA的某玉米聯合收獲機支架斷裂失效分析

聶美玲,常建國,葉 彤,孫士明,王海洋,王健富,劉興博,楊金磚,蘭海濤,邢璐露

(1.黑龍江省農業機械工程科學研究院,哈爾濱 150081;2.哈爾濱市西泉眼水庫管護中心,哈爾濱 150030)

0 引言

質量問題的發生往往成因復雜,很難快速、直接地找到原因。而在生產實際中,需要盡快解決質量問題,以大幅減少由于排查、返修、更換零部件而引起的資金、物料和工時損失。此外,若只著眼直接原因,忽略根本原因,則隱患一直存在,缺陷很可能復發(為避免概念混淆,下文中統稱部件失效、故障、損失等質量問題為缺陷)。因此,準確地描述問題和缺陷,快速地找到根本原因,對解決質量問題、減少其帶來的損失,是非常必要的。PDCA循環方法作為一種解決質量問題的流程化方法,已在質量管理方面得到很好的應用。除此之外,其在醫療器械、藥物臨床試驗、生態水利工程、現代教學、科技項目審計等領域也應用廣泛[1-3]。

1 方法原理介紹

1.1 PDCA循環

PDCA循環方法是解決缺陷的一種思維方式、邏輯順序和工作步驟,如圖1所示。在“P”(Plan)計劃階段,需要組建一個團隊,應用“5G”和“5W1H”工具進行問題描述,采用“4M”和“5Why”工具進行根本原因分析,并制定相應的整改措施;在“D”(Do)實施階段,即將制定的整改措施落實到生產;在“C”(Check)檢查階段,對整改的效果進行核查;在“A”(Act)驗證階段,即對以上過程進行驗證,若滿足要求則標準化和進一步推廣,否則需要返回“P”計劃階段,重新分析和解決問題。

圖1 PDCA循環示意圖Fig.1 The PDCA loop

1.2 “5G”工具

“5G”源于日語,常被成為“三現二原”,即現場、現物、現實、原理和原則。“現場”是指要到缺陷發生的地點去實地考察;“現物”是指要著眼于當前的實際庫存或情況,以行動為基礎,分析問題;“現實”是指缺陷發生的環境、背景或相關影響因素,一般指檢查相關的數據和報告;“原理”是指涉及的理論,即為修正缺陷提供理論依據的一般性法則;“原則”是指遵循的操作標準,包括基礎知識或專業技術。“5G”是獲取缺陷相關信息、說明現象的一種方法,其精髓在于去問題的發生地檢查現象而不是在辦公室里頭腦風暴。

1.3 “5W1H”工具

“5W1H”工具分別是:何事(What),即在哪種產品上發生什么缺陷;何時(When),即缺陷在什么時間發生;何地(Where),即缺陷在哪個位置發現;何人(Who),即缺陷與哪些人相關,是否與其技能相關;哪些(Which),即缺陷發生在哪些產品上,趨勢是什么;如何(How),即缺陷發生的情況如何,頻次是多少。“5W1H”是一種具體描述缺陷的工具,目的在于確保充分了解缺陷的各個方面。

1.4 “4M”工具

“4M”分析是指從人(Man)、機器(Machine)、材料(Material)、方法(Method)等4個方面來研究可能影響缺陷的領域,是一種集中尋找某一缺陷的根本原因的手段。

1.5 “5Why”工具

“5Why”分析法又稱“5問法”,是指針對缺陷逐級提問并給出答案,其并不局限于缺陷是“5個”,可以根據缺陷的復雜程度不同進行問答,直到找到根本原因。

2 PDCA循環應用舉例

本實例中,失效部件為某玉米收獲機的一個安裝支架,如圖2所示。

圖2 后橋支架斷裂示意圖Fig.2 The broken bracket of rear axle

收獲季節,支架在使用過程中斷裂,導致用戶因更換零件而停工,嚴重影響了作業效率,造成了一定的經濟損失。因此,需要迅速整改,避免損失擴大。

2.1 計劃階段(P)

2.1.1現象描述

1)運用“5G”的方法去現場進行調查,確認零件本身是否存在問題;同操作者進行交流,明確是否人為因素導致缺陷,查驗相關的操作指導書、設備點檢表單等。

2)應用“5W1H”的方法對現象進行描述,如表1所示。

表1 5W1H調查表Table 1 Questionnaire of 5W1H

根據應用“5G”和“5W1H”獲得的信息,確定這是一個無關于操作者操作技能、裝配設備及工藝文件的問題,需要針對零件本身展開進一步的調查。

2.1.2根本原因分析

1)基于“4M”的方法,針對零件特性及加工制造過程,在“人員、機器、材料、方法”4個方面展開調查,如圖3所示。

圖3 4M分析法魚骨圖Fig.3 The fishbone of 4M analysis

在“人”的方面,對操作者的操作技能是否滿足需求及是否按照工藝文件作業進行確認;在“機器”方面,對鑄造爐、澆注系統等進行檢查;在“材料”方面,對零件的尺寸、化學成分、金相組織、機械性能等進行檢測;在“方法”方面,對模具及鑄造技術等進行復核。

分析“材料方面”發現:零件的化學成分、金相組織、機械性能上存在一定程度的不合格項。在對“人”、“機器”及“方法”方面進行確認時,并未在其中發現問題,由此確認這是一個材料問題。

通過4M工具分析,在現有庫存零件中抽取5個批次進行檢測,結果如表2所示。由表2可知:在化學成分方面,5組樣本的C、Mn、Cu的含量均不能滿足標準要求。其中,C含量均低于標準要求的3.50%～3.90%,Mn含量均高于標準要求的0.30%～0.50%,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ組Cu的含量低于標準要求,而Ⅳ組Cu的含量高于標準要求的0.4%～0.6%;此外,樣本Ⅳ組及Ⅴ組的Si含量分別高于和低于標準要求的2.20～2.80%。在金相組織方面,Ⅰ組珠光體含量90%、Ⅱ組珠光體含量30%,分別高于和低于標準要求的40%～85%;此外,Ⅳ組的石墨結節大小為7級,高于標準要求的6級。在機械性能方面,5組樣本的延伸率均遠低于最小6%的標準要求;此外,Ⅳ組樣本的硬度略高于標準要求的190～270HB、Ⅲ組的抗拉強度略低于最小550MPa的標準要求。

表2 零件材料性能檢測表Table 2 Part material performance test table

2)基于“5Why”的方法,找到問題的根本原因。

“1Why”:為什么支架發生斷裂?因為支架的抗沖擊力不足以抵抗作業中的沖擊。

“2Why”:為什么支架的抗沖擊力不足?因為支架材料的延伸率不能達到標準要求。

根據球墨鑄鐵的材料特性并觀察圖1,可以判斷零件的斷裂方式為脆性斷裂。由表2可知,零件的抗拉強度基本滿足設計要求,而延伸率遠低于設計標準要求。由此判斷零件可以滿足斷裂準則中的“最大拉應力準則”,即零件所受的最大拉應力低于零件的許用應力;而不能滿足“最大伸長線應變準則”,即零件發生脆性斷裂的主要原因是危險點的最大伸長線應變達到在單向拉伸時的極限值。

根據廣義胡克定律得

式中ε1—第一主應力方向的應變;

E—彈性模量(GPa);

σ1、σ2、σ3—3個方向的主應力(GPa);

ν—泊松比。

在零件受到一定應力作用時,會產生相應的應變;當應變量不能達到設計要求時,會發生斷裂。由表1可知,零件的延伸率不能達到設計要求(即應變量不能達到設計要求),因此發生斷裂。

“3Why”:為什么支架的機械性能低于標準要求?因為材料的化學成分不合理。

研究表明:一般情況下,提高含碳量到碳的質量分數高于3.2%的范圍,可以提高球墨鑄鐵的沖擊韌性[11]。5組樣件中,有4組的含碳量低于3%,即是零件抗沖擊性不足的主要原因。

此外,Cu的含量影響鑄件中珠光體的含量。在一定范圍內,隨著銅質量分數上升,珠光體數量增多,從而影響力學性能[19]。

“4Why”:為什么材料的化學成分不合適?因為沒有合適的化學成分配比參數。

基于”5Why”分析,找到支架斷裂的根本原因在于不合適的化成分使材料的延伸率低,最終導致了使用中發生斷裂。

2.1.3制定措施,指出行動計劃

首先,尋找可能的解決方法;基于對5個批次零件的檢測結果,零件化學成分不能滿足相應的標準要求,很可能是缺陷發生的主要原因,因此組織研發及工藝團隊對材料的配比進行調整。其次,測試并選擇,對不同配比的原料進行多次試驗,最終得到能滿足標準要求的配比。最后,提出行動計劃和相應的資源,將整改后的配比應用于生產,通知相關的計劃及生產團隊成員。

2.2 實施(D)階段

根據在計劃階段得到的結論,將相關信息傳遞給生產部門,調整了原料的成分配比,先進行單件生產確認,結果能滿足標準要求后組織進行小批量生產,在小批量生產驗證足夠多的批次后,轉為正常的量產階段,并更新相關的控制計劃。

2.3 檢查(C)階段

持續進行驗證,抽樣檢測材料的成分和性能。

2.4 處理(A)階段

更新操作指導書并且培訓相應的操作者。從方案實施開始,經過超過1年時間的驗證,支架再未出現過斷裂的現象。

3 結論

介紹了PDCA循環的方法原理及5G、5W1H、4M、5Why工具的應用方法。運用實例介紹了PDCA循環的具體應用方法:在“P”階段,應用5G、5W1H的方法實現了對缺陷的準確描述及發生缺陷的背景調查,應用4M方法分析了缺陷產生的根本原因在于材料問題,用“5Why”的方法進行了根本原因的分析,確定了可能的根本原因。在“D”階段,針對可能的根本原因進行整改并驗證,最終更新了控制計劃。在“C”階段,進行持續的檢測,以驗證根本原因是否可靠及整改是否有效。在“A”階段,對結果進行驗證,并且實現了標準化作業。研究可為應用PDCA循環進行問題的整改提供理論及實際應用上的指導。