农机装备早期故障消除模型

柳 剑，岳高峰，叶 进，曾百功，魏 枭

(1.西南大学 工程技术学院，重庆 400715；2.重庆市农业机械鉴定站，重庆 402160)

0 引言

长期以来，随着农机装备向着复杂化、高参数化方向发展，其可靠性问题越来越受到广大用户的重视。然而，根据全国各级农机质量投诉监督机构调查报告的结果显示，目前国产农机产品最突出的问题是大量故障集中于零部件、易损件，且可靠性较差[1]，特别是在农田作业过程中发生故障的概率较大。农机装备的可靠性直接影响到用户的购买欲望和使用满意度，低可靠性产品不仅会极大地制约其在农忙时的使用率，增加用户使用成本，更会严重影响用户对国产农机装备的使用信心。

农机装备在使用初期，其性能是否稳定，故障是否频发，是用户从心理上判断产品可靠性水平高低的关键。文献[2]对收集到的某国产拖拉机的现场试验故障数据进行了分析，结果显示该拖拉机在初次运行的500h内产生的故障占其寿命周期所有观测到的故障的50%左右。这直接反映出早期故障是导致国产农机装备可靠性水平低下的重要原因。为此，本文提出了一种农机装备早期故障通用消除模型，在农机装备出厂前将早期故障消除，为提高农机装备可靠性水平提供一种新模式。

1 早期故障期简介

农机装备全寿命周期内，其故障率随时间的变化类似于一种“浴盆”的曲线[3]，如图1所示。从浴盆曲线的形状可以明显地划分为3个阶段，即早期故障期、偶然故障期和耗损故障期。农机装备在使用初期便进入早期故障期，在此期间发生的故障较多，主要是由农机装备零件质量管控不严、设计失误、装配工艺缺陷及“磨合”不够等原因造成。早期故障期结束后，农机装备的故障率明显降低且近似保持不变[4]，于是便进入了偶然故障期，早期故障期与偶然故障期的时间分界点t1，如图1所示。

图1 农机装备故障率浴盆曲线Fig.1 Bathtub curve of agricultural equipment

农机装备早期故障期的典型特点有以下3个：①故障频率高。在早期故障期内故障多，故障间的时间间隔往往较短。②持续时间短。与农机装备的全寿命周期相比，早期故障期的时间跨度较短。③影响程度大。早期故障主要是由产品质量薄弱环节和设计制造缺陷造成的，当其发生时往往需要维修才能使农机装备恢复正常运行。这3个特点表明早期故障对农机装备可靠性水平的影响极大，因此及时发现并消除早期故障成为农机装备可靠性提升的关键。

2 农机装备早期故障期的定量化建模

通过第1节的分析可知，早期故障期与偶然故障期之间存在明显的时间分界点。这就意味着农机装备包含有不同的故障特征，是在不同故障期间的不同故障机理作用下产生的，因此其模型就不能完全由一条平滑曲线来表达。双重Weibull分段模型很好地解决了此问题[5]，不仅可以真实地表达出早期故障期与偶然故障期之间的相互衔接分布，而且还能准确地找出早期故障期与偶然故障期的分界点，为农机装备早期故障的消除提供依据。

双重Weibull分段模型将时间t≥0的区间分为两个时段T1和T2，T1={0,t1}，T2={t1,t}。双重Weibull分段模型的可靠性函数为

R(t)=kiRi(t)t∈Ti(i=1,2)

(1)

其中，ki为权参数，其几何意义是调节两段Weibull曲线，使其平滑对接；Ri(t)是参数为αi和βi的两参数Weibull分布。如果β1=β2，则模型演变为一个简单Weibull分布。假定两种情况β1>β2和β1<β2，则双重Weibull分段模型的表达式为

a)硬件结构部分。单片机应用系统一般包括硬件设计和软件设计两大部分。硬件是基础，软件是灵魂。没有硬件基础，无从谈软件编程。硬件部分一般包括单片机引脚及功能、存储器配置、特殊功能存储器配置、定时器计数器、中断系统、I/O口等，这些内容教材一般都包括。但从近年来学生学习此门课程的效果来看，可以对教学内容进行增添和删除，保留必要部分，去除繁琐用处不大的部分。

(2)

在双重Weibull分段模型中，t1便是农机装备早期故障期与偶然故障期的分界点，且其概率密度函数与可靠性函数在分界点处连续，则

(3)

由式(2)与式(3)可得

k1exp[-(t1/a1)β1]=k2exp[-(t1/a2)β2]

(4)

(5)

令k1=1，则由式(4)与式(5)可得

(6)

k2=exp[(1-β2/β1)(t1/α2)β2]

(7)

对双重Weibull分段模型参数进行极大似然估计，其似然函数为

ln[L(θ)]=nln(β)-nln(α)+(β-1)×

(8)

其中，n为农机装备的故障次数；τi为故障的间隔时间。

对式(8)求偏微分并进一步整理可得

(9)

通过求解方程组(9)即可求得双重Weibull分段模型参数的极大似然估计值，将求得的参数值代入式(6)与式(7)，便可得到t1。通过对早期故障期定量化模型的求解，便可确定农机装备在早期故障期内的持续时间，为早期故障消除工作的开展提供理论参考。

3 农机装备早期故障的消除机理

从上述分析可知，农机装备早期故障的消除机理是以可靠性设计分析为理论基础，以可靠性试验激发潜在故障为手段，通过针对性地实施改进措施来达到消除农机装备早期故障的目的。

4 农机装备早期故障消除模型

通过对农机装备早期故障消除机理的分析，建立面向早期故障期的，包括可靠性设计分析层、可靠性试验层及早期故障消除层的农机装备早期故障通用消除模型，如图3所示。3层结构之间相互支撑，关系紧密，从而形成一个有机整体。

4.1 可靠性设计分析层

在农机装备可靠性设计分析层面主要有以下工作内容：故障数据分析、故障率浴盆曲线分析、产品结构功能分析和潜在故障分析。首先，要广泛收集农机装备的故障数据，建立详尽的故障数据库，并对故障数据进行统计处理；然后，采用第2节中提供的双重Weibull分段模型拟合出农机装备的故障率曲线，确定其浴盆曲线中早期故障期和偶然故障期的分界点，该分界点是确定农机装备可靠性试验时间的理论依据；接下来根据用户需求与设计任务，对农机装备各关键功能部件的结构、功能和性能指标进行分析，采用结构化分解的方法[6]，对农机装备整机功能进行分解，并建立农机装备的可靠性模型，为后续的故障分析提供依据，常用模型包括可靠性框图模型、功能结构树模型、GO法模型和故障树模型等[7]；最后，对农机装备进行设计FMECA分析和过程FMECA分析，得到潜在故障模式与故障机理，并对其严酷度进行排序，找出激发这些潜在故障的各种物理参数，从而确定可靠性试验中应力参数的类型和水平。

4.2 可靠性试验层

在农机装备可靠性试验层面主要有以下工作内容：可靠性试验方案设计、试验建模与仿真、试验监控及数据采集系统设计、可靠性试验的实施和试验结果分析。可靠性试验是针对农机装备样机及其关键功能部件的试验，试验时间参考早期故障期和偶然故障期的分界点来确定，尽可能充分地激发农机装备全部早期故障，将农机装备的性能指标和精度指标作为故障被激发的判断依据。可靠性试验监控和数据采集是利用传感器测量和记录需要监控的物理参数，监控目标能够真实地反映农机装备性能在试验过程中的变化；而对于一些无法通过监控系统来监测的故障(如零部件断裂、松动等)，则采用人工定时观察的方法进行。根据农机装备的功能和使用条件，建立由环境剖面和任务剖面组成的综合试验剖面。可靠性试验应力类型和应力水平的确定是试验成功的关键[8]，针对具体的潜在故障选择与之相对应的应力类型，同时在试验前尽可能对试验方案进行建模和仿真[9]，以便快速确定可靠性试验应力水平。应力水平应在农机装备的正常使用范围内，如果选用加速应力，则需建立加速模型，用以折算正常应力下的可靠性试验数据。农机装备可靠性试验过程中应密切观察并系统记录各种参数的变化，为故障发生后的分析提供现实依据。在试验结束后，对激发出的故障进行系统分析，采用FTA与FMECA相结合的方法，在农机装备设计、制造和使用过程中找到其产生的根本原因和解决方案，最后从故障物理[10]的角度来研究故障激发机理。只有经历这样的早期故障分析过程，才会发现问题的本质，为针对性地提出改进措施提供重要理论依据。

4.3 早期故障消除层

在农机装备早期故障消除层面主要工作包括：提出改进措施、试验验证改进措施和修正技术文件，也可对使用过程中发生的早期故障采取相同的模式进行故障消除。对可靠性试验层的结果分析完成后，质量部门、技术部门和相关管理部门针对每个故障原因提出具体可行的改进措施，将改进措施落实在设计、加工、装配、外购件验收和使用工况等环节，并由专人负责考核。当所有改进措施都实施完成后，需要再次通过可靠性试验的方法去验证改进措施的有效性。若类似早期故障再次被激发，则应重新对故障模式、故障原因和故障机理进行分析，提出新的改进措施，直至早期故障被完全消除为止。最后，将农机装备早期故障消除过程中形成的各种文件进行归档，为将来新产品的研发提供重要参考。至此，农机装备的早期故障消除工作结束。

图3 农机装备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

某农机装备制造企业的产品以小型联合收割机为主，由于产品结构与功能进行了大幅度升级，因此其产品中存在着大量早期故障。针对这种情况，该企业首先对某型小型联合收割机进行了结构化分解，并采用了本文建立的早期故障消除模型，在小型联合收割机系统层面上开展了早期故障消除工作，下面以该收割机产品为例进行说明。

笔者对10台该小型联合收割机所有的84个故障数据进行收集和分析，将故障间隔时间t∈[2,1990]分为8组，如表1所示。

表1 小型联合收割机故障频率表Table 1 Fault frequency of small-scale combine harvester

续表1

采用第2节中的方法对小型联合收割机进行早期故障期的定量化建模，其双重Weibull分段模型为

(10)

其中，该小型联合收割机早期故障期与偶然故障期的分界点t1为1 532.71h。因此，根据试验条件，将可靠性试验时间长度定为1 540h，以保证其早期故障能够完全激发；然后，按照第4节中的早期故障消除模型逐步实施以下工作。

以该小型联合收割机的割台为例，根据其功能结构原理，建立起可靠性模型，如图4所示。小型联合收割机的其他关键功能部件的可靠性框图可采用同样的方法依次建立，本文不再赘述。通过可靠性模型的建立，便可清晰地分析各零部件的基本运动功能及动作失效之后对机器运行的影响，为接下来的故障分析打下基础。

图4 小型联合收割机割台可靠性框图Fig.4 Reliability block diagram of cutting table in small-scale combine harvester

对该小型联合收割机的84个故障数据进行分析，得知该系列的潜在故障主要表现在履带磨损并脱落、转向失灵、焊接壳体脱落、排气双头螺栓和消声器等易断裂、下割刀不剪、上割刀断裂及下割台支撑架组件断裂等方面。在对上述主要故障模式进行FTA和FMECA分析后得出以下结论：

1)履带磨损并脱落主要是履带芯金宽度不能满足实际使用要求，无法起到横向支撑作用，导致履带张紧后无支撑点，导向齿变形，无法起到导向作用，托轮跳齿；芯金折弯成型高度及排布定位一致性差，导致左右位置偏移，芯金裸露，从而造成托轮损坏；履带内部无帘布层，同时钢丝排布不合理；调节托架配合间隙偏大，导致托轮直线度差，容易造成托轮滑带。

2)转向及液压升降不灵主要表现为履带不转，转向不灵；液压升降不灵、无法升降及自动下降。其故障的根本原因为转向压力低、转向液压缸故障及油泵工作不良。

3)焊接壳体脱焊、破裂、歪斜，排气双头螺栓和消声器、油箱下支架等易断现象占到所有故障的50%以上，其故障主要是由动力振动而引起的，同时设计不合理也占部分因素。

4)割刀、割台出现的故障中，割刀不剪是由副变速拉索未调整到位、安全离合螺母漏装或者松动、刀具压刃器压紧力过大、安全离合止退片未卡入止退槽等造成；割刀断是由焊接脱焊和加强块失效所致；下割台支撑架组件断裂是由下割刀卡住，导致支撑柱受力过大、焊接电流过大造成焊接缺陷，矩形管材料太薄，焊接后受力强度不够等造成。

为了节省开发周期，选择加速应力进行可靠性强化试验来快速激发小型联合收割机的早期故障，确定负载、转速为该小型联合收割机可靠性试验加速应力，并建立其综合应力剖面。开始试验后，周期性地将收割机行走离合、扶禾离合、脱粒离合置于开或分离处，同时在整机上设置16个观测点并记录各个点的振动值。

对3台小型联合收割机同时进行了早期故障期1 550h的可靠性强化试验，因性能参数超出正常范围和部分功能失效，依次在第78、210、242、325、439、1 038h累计发生6次故障。其中，分别在78、242、1 038h出现3次小型联合收割机支架断裂的情况。针对此早期故障，该制造企业对收割机支架做了如图5～图6的改进设计。在210、325h两次因振动原因造成消声器脱落的情况，针对此早期故障，该制造企业将立式消声器改为卧式消声器，具体情况如图7所示。在439h，皮带轮因负荷及受力较大而出现断裂的早期故障，该制造企业将单皮带改为双皮带，有效地降低了皮带所受的单位负荷，具体情况如图8所示。

图5 收割机支架改进实例1Fig.5 Harvester bracket improved: example 1

图6 收割机支架改进实例2Fig.6 Harvester bracket improved: example 2

图7 收割机消声器改进实例Fig.7 Example of improvement of harvester muffler

图8 收割机皮带轮改进实例Fig.8 Example of improvement of harvester Pulley

最后，再次利用可靠性强化试验来验证改进措施实施后的有效性，上述故障情况未在试验过程中发生，证明改进措施切实有效，早期故障被基本消除。对其他农机装备同样也采用早期故障消除模型，并将早期故障消除工作推进到全国的农机装备制造企业，使我国农机装备的可靠性得到实质性提高。

6 结论

农机装备的早期故障消除是一种基于全寿命周期浴盆曲线定量化研究的可靠性增长新模式，符合我国大力发展农机装备制造业的战略需要，对于提升我国农机产品质量和制造加工能力，具有重要意义。本文以农机装备早期故障期的定量化建模为切入点，分析了早期故障的形成与消除机理，在此基础上建立起农机装备早期故障通用消除模型，并系统地提出3层模型的具体内容和实施方法，对于规范我国农机产品的早期故障消除工作与可靠性增长工作具有重要的指导意义。但由于早期故障消除工作各层次的不确定性及我国农机装备制造企业的差异性，使现阶段的早期故障消除模型得不到成熟的应用。因此，下步工作需尽快建立农机装备早期故障消除的成套技术体系，以支撑我国农机装备的规范化发展。