农机装备可靠性现状分析及发展建议★

2021-03-30杨林党明董成举王春辉李小兵杨剑锋

电子产品可靠性与环境试验 2021年2期

杨林，党明，董成举，2，王春辉，李小兵，3，杨剑锋，4

（1.工业和信息化部电子第五研究所，广东广州 511370；2.华南农业大学，广东广州 510642；3.电子信息产品可靠性分析与测试技术国家地方联合工程中心，广东广州 511370；4.广东省电子信息产品可靠性技术重点实验室，广东广州 511370）

0 引言

当前，我国农业发展内外部环境正发生着深刻的变化，新一轮科技革命和产业变革蓄势待发，技术进步对土地产出率、劳动生产率和资源利用率提升的驱动作用更加直接，正在引领现代农业发展方向，农业生产逐步由依靠劳动力、半机械化和机械化向全程机械化、细信息化和智慧农业方向发展。

我国是世界农业大国，以科技创新推进农业现代化建设，促进农业质量效益和竞争力不断提升，是我国从世界农业大国迈向农业强国的必经之路。然而，我国农业整体现代化水平与世界农业强国相比仍有较大的差距，农业机械化水平仍有较大的提升空间。农机装备作为实现农业机械化的基础，始终是制约我国农业现代化发展的瓶颈。近年来的统计表明，国产农机装备尤其是高端农机装备始终无法与国外同类产品相抗衡，国内市场占有率偏低，用户宁可高价购买国外品牌或合资品牌，也不选择国产品牌，造成这种局面的主要原因是国产农机装备的可靠性问题。由于农机装备使用时间比较集中，这一方面要求在使用期间具备良好的可靠性，少出或不出故障；另一方面，农机装备在使用中如果出现了故障，就要确保故障能够在短时间内得到快速修复，避免影响作业。

经过70多年的技术发展，国产农机装备在产品技术和数量上，基本满足了传统作业条件下主要粮食作物机械化要求[1]，然而，国产农机装备尤其是高端农机装备与美国、日本等国家相比，在质量可靠性方面，差距十分明显[2]。相关政策文件中将农机装备列为国家“十三五”重点发展领域之一，其中农机装备质量可靠性问题是当务之急。为了贯彻落实政策要求，推动我国农机制造业转型升级，促进我国由农机制造大国向农机制造强国转变，增强农业机械有效供给能力，提升我国现代农业生产水平，工业和信息化部、农业部和发展改革委组织编制了《农机装备发展行动方案（2016-2025）》，将农机装备可靠性质量提升作为一大专项。我国国产农机可靠性不高的突出问题已成为我国农机装备产业的关键技术瓶颈，严重影响着国产农机市场占有率和企业声誉。因此，建立一套农机可靠性质量保障技术体系，保障国产农机可靠性质量水平迫在眉睫。基于此，本文首先对我国农机装备可靠性现状进行了初步分析，并提出了农机准备可靠性工作开展的思路和当前开展农机装备可靠性工作的重点方向。

1 我国农机装备可靠性发展现状

农机装备具有其特有的使用特点。首先，农机使用具有较强的季节性和紧迫性，在农闲时节会长期贮存，且贮存环境较差，这要求其具备较高的贮存可靠性；农忙时节连续工作，若受到特殊气候的影响，往往需要数天内完成全部季节工作，超负荷运行，因此这又要求其具备较高的任务可靠性。其次，农机装备的作业对象复杂，作业环境恶劣，多为露天工作；农机装备不仅面临恶劣的工况环境，还面临不一样的作业自然环境，例如：高温、高湿、高辐照、干旱、水浸、超负荷、低温和盐碱腐蚀等，这要求农机装备具有较高的环境适应性。在加上受我国农机用户的操作、维护保养水平的限制，使得国产农机装备对可靠性整体要求较高。然而，国产农机装备的可靠性方面，始终是制约国产农机装备实现高质量发展的瓶颈。

1.1 整机可靠性水平方面

当前，国产农机装备可靠性与国外先进水平差距明显，尤其是在中高档农机装备方面。例如：拖拉机、联合收割机等产品的可靠性问题突出，比国外先进水平差，其平均故障间隔时间（MTBF）约为50 h[3]，MTBF平均水平达不到国际先进企业同类水平的2/3，达不到国际领先水平的5%，由于可靠性问题和故障发生后维修性保障等，开机合格率、维修率高，因为可靠性问题的投诉占产品质量投诉比例超过50%，导致国产农机装备在使用中难以满足广大农机用户的需求。我国生产的拖拉机一般使用大约2 000 h就需要大修，而发达国家的拖拉机一般使用5 000～6 000 h才需要大修，产品使用寿命较高。随着科技的进步，我国农机装备的品类越来越丰富，市场上还出现了许多功能强大、结构复杂的农机产品，但是相比国外同类产品我国农机装备的可靠性水平还相对较低。国产品牌在使用过程中故障率高，部分产品购置后甚至无法使用，导致用户对国产品牌不信任，宁愿高价购买国外品牌。

1.2 配套零部件可靠性方面

随着农机装备向复合化、智能化趋势方向发展，农机装备复杂程度日益提升，农机装备尤其是高端农机装备，已逐渐地成为知识密集产品的代表。农机装备由成千上万的零部件、元器件组成，包含软件、硬件，密集技术的引入和复合功能的增多，使得农机装备的不可靠性因素进一步地增强，农机装备的可靠性愈发难以保证。系统的可靠性由组成系统的元器件、零部件和软件的可靠性水平来保障，一旦某个器件、部件和软件模块发生故障，均会导致系统发生故障[4]。然而，国产农机装备配套零部件的可靠性水平与国外先进水平相比，差距更加明显。例如：2000年左右，我国农用内燃机的MTBF大约为300～500 h，而同期国外产品的MTBF为1 500～2 000 h；随着技术的不断进步，国产农机零部件的水平不断地提升，但与国外先进水平的差距仍长期存在。一方面，核心零部件严重依赖进口，国产部件配套能力较弱；另一方面，国产零部件质量直接影响整机使用的稳定性和可靠性，国产零件包括液压件、轴承、密封件、变速器和发动机等关键零部件质量可靠性问题突出，在使用过程中的可靠性和耐用性与同类进口零部件相比差距明显。加上配套零部件生产企业规模较小，研发能力薄弱，产品结构单一，国产农机装备配套能力总体偏弱。

1.3 可靠性工作开展方面

可靠性是一项复杂的系统工程，涉及技术、管理等方方面面。当前，我国农机装备可靠性工作总体开展情况不理想，农机可靠性工作仍未得到实质的重视，无法支撑农机装备可靠性提升。

在可靠性标准方面，国内已出台部分关于可靠性指标验证的标准，但目前尚未形成一套完善的标准体系，使得可靠性工作开展缺乏参考依据。目前，农机标准与国际接轨程度仍不高，农机标准体系建设任重道远，专用的可靠性技术标准严重缺乏。在可靠性工程技术方面，由于受到成本、专业技术人员的制约，以及行业同质化竞争等因素的影响，企业在产品设计研发中难以系统地开展可靠性工程技术工作，缺乏系统的可靠性工作技术的导入，产品可靠性无法得到保障。在农机装备科技研发投入方面，与国际农机巨头的差距较大[5]，在可靠性研发投入方面几乎为空白。据统计，我国农机行业研发费用占企业销售额的比例普遍不足2%，全国农机规模企业科研投入占销售收入的比例不足1%，而国际农机巨头的研发费用一般占销售额的3%～6%，差距非常明显[6]，在可靠性投入方面，国内农机企业几乎为空白，这严重地制约了可靠性技术创新开发和应用。因此，如何加大可靠性工作的研发投入、提高研发费用使用效率，提升农机产品的竞争力，是当前我国农机企业面临的重要工作之一。在可靠性管理方面，由于缺乏系统的可靠性工作规划，企业普遍缺乏可靠性管理体系，可靠性工作无法落地。在行业的监管方面，目前农机行业的第三方平台只有农业部及各地的农机鉴定站，但只针对农机装备的推广鉴定环节，未涉及农机装备的研发环节。

可靠性工程是一项系统工程，需要专业技术人员开展专门的技术研究，由于受成本、技术和人才等因素的制约，大部分企业特别是中小型企业不愿意进行相关投入，可靠性工作在产品研制过程中难以有效落地。由于农机可靠性工作涉及较多的共性技术研究，基于人力、财力等方面的考虑，企业难以有效开展。此外，农机装备行业的标准建设特别是可靠性相关标准不够完善，一些可靠性指标设定不合理，缺乏相关专业机构开展相应的工作。

2 开展农机装备可靠性工作的建议

2.1 建立完善的农机装备可靠性标准体系

农机装备可靠性标准体系是指导企业开展可靠性工作的基础。当前，农机装备可靠性技术标准较少，尚未形成一套完善的标准体系。由于缺乏相应的可靠性技术、管理标准做支撑，行业对可靠性工作的认识仅停留在质量管理层面，无法指导企业开展具体的可靠性工作。因此，要结合农机装备的使用特点，首先建立完善的农机装备可靠性标准体系。借鉴在军工领域的可靠性标准体系建设思路，积极跟踪国外先进的技术标准，通过引进、消化吸收，补充完善现有的可靠性技术标准，形成符合我国农机装备特点的可靠性标准体系。从农机装备论证、设计、研发制造、使用到报废全寿命周期，从可靠性统计、可靠性管理和可靠性工程技术领域，从原材料、元器件、零部件、软件和整机等不同物理层次，制定系列化可靠性标准，有效地指导企业可靠性工作的开展。

2.2 推进可靠性工程技术应用

2.2.1 推进可靠性工程技术的应用

推进可靠性工程技术的应用，使可靠性工程技术与农机装备设计、制造和使用全寿命周期有机结合，是提高农机装备可靠性水平的具体手段。可靠性工程技术包含的范围较为广泛，涉及可靠性设计、试验和分析评价等。

2.2.2 推广可靠性设计技术的应用

可靠性设计工作是根本，决定了产品固有可靠性水平的高低。系统开展农机装备可靠性设计，将可靠性设计工作融入农机装备产品设计工作中，是保障和提升农机装备可靠性的前提。开展可靠性正向设计包括农机装备可靠性指标论证工作，设定科学合理的可靠性技术指标，为农机装备可靠性工作制定合理的目标；开展农机装备可靠性分配技术研究及应用，将装备整机可靠性指标分解到零部件、元器件，为零部件、元器件设计及优选提供指导；开展关键机械部件的耐久性分析，摸清关键机械部件耐久性寿命指标，确保农机装备关键部件满足高强度作业要求；开展农机装备电子类部件热仿真、故障物理仿真技术研究，尤其是在恶劣环境下的热、振耦合仿真技术，提升电子部件可靠性水平。开展可靠性逆向设计技术，通过对产品出现的故障、问题进行系统分析，反馈到农机装备设计、制造等环节，避免类似问题出现，通过故障迭代持续提升其可靠性水平，是初期开展可靠性工作的有效手段之一。

2.2.3 开展可靠性试验技术研究及应用

可靠性试验是验证和发现产品可靠性问题的有效手段，通过系统的可靠性试验工作，一方面可及时掌握产品的可靠性水平，验证既定的可靠性指标是否满足设计要求，另一方面，通过系统的可靠性试验，发现产品在设计、材料和工艺等方面的各种缺陷，经分析和改进，使产品可靠性逐步得到增长，最终达到预定的可靠性水平。《国务院关于加快推进农业机械化和农机装备产业转型升级的指导意见》中提出，2025年，农机产品质量可靠性达到国际先进水平，聚焦产品适应性、安全性、可靠性和维修性等，加强零部件和整机的试验测试和鉴定能力，系统可靠性试验是农机装备可靠性工作的可靠性试验，包括可靠性统计试验和可靠性工程试验。可靠性工程试验主要是为了在研制生产中暴露产品的薄弱环节，并通过对薄弱环节的改进，提升产品的可靠性水平，可靠性工程试验一般无量化目标需求。典型的可靠性工程试验有高加速应力试验、高加速寿命试验等，通过强化应力和应力筛选方式，发现产品在设计、材料和工艺等方面的各种缺陷，经分析和改进，使产品的可靠性逐步得到增长，最终达到预定的可靠性水平。针对农机装备电子部件、传感器等，在初期推广可靠性工程试验技术，是提升可靠性的高效手段[7]。可靠性统计试验的主要目的是获得可靠性量化指标需求，在一定的置信度要求下，验证产品的可靠性是否达到规定的定量要求，如可靠性鉴定试验、可靠性验收试验等。针对具有高可靠、长寿命特征的部件，适时推广应用可靠性加速试验技术，提高试验效率，降低试验成本。此外，鉴于农机装备的使用特点，开展系统的环境适应性试验技术，典型如振动、高低温，防水、腐蚀和砂尘等环境试验，模拟农机装备的各类部件在恶劣工况条件下能否满足使用要求，提升农机装备的环境适应能力。

2.2.4 推广可靠性分析与评价技术的应用

可靠性分析，是指研究导致薄弱环节的内因和外因，找出规律，给出改进措施和改进后对系统可靠性的影响。可靠性分析是可靠性设计和可靠性试验工作的关键环节，通过对故障进行深入的分析，为设计、制造和使用等各环节提出改进方向。常用的分析方法包括故障树分析（FTA）、故障模式、影响及危害性分析（FMECA）、事件树分析（ETA）和各类可靠性数据分析方法等。可靠性评价是对系统可靠性进行确认的过程，通过可靠性评价工作，判断可靠性指标是否满足要求。可靠性评价通常基于可靠性试验数据开展，在行业尚未开展系统可靠性工作前，通过系统搜集现有产品的可靠性数据，可以摸清产品的可靠性水平，对后续可靠性工作开展具有重要的意义。

2.2.5 推广农机装备远程监测与诊断技术的应用

农机装备的使用受恶劣自然环境及工作负荷等影响，在使用过程中难免会出现故障，而农机装备作业的季节性和紧迫性又要求其具有高的可靠性，远程监测和诊断技术可以解决这一矛盾。通过对关键部件、部位的监测，提前掌握其运行状况，为农机装备维修、保养提供指导，减少农机装备在收获季节的停机损失。

2.3 强化可靠性管理

2.3.1 推进可靠性工程管理工作

包括制定可靠性工作计划、可靠性组织管理、可靠性设计评审、外购外协件管理、可靠性试验大纲评审和故障管理等工作。可靠性管理可以有效地对可靠性工程技术活动进行规划、组织、协调、控制和监督，是保障可靠性工作落地的重要组成部分。在农机装备领域，由于可靠性工作的基础相对薄弱，可靠性管理工作可以有效地指导可靠性工程技术在产品设计、研制、试验和使用等环节的应用。在产品设计前期，制定详细的可靠性工作计划，明确在产品寿命周期应开展的可靠性工作，建立面向农机装备的可靠性工作体系；在设计阶段，有效地对关键零部件、关键结构件等可靠性设计工作进行评审、论证，确保设计有效性，避免因设计带来的不确定风险；在制造阶段，有效地对外购外协件进行有效的管理，确保外购外协件可靠性水平符合设计要求，也是保障农机装备可靠性的关键环节。

2.3.2 强化行业可靠性监管

要深入推进农机装备可靠性工作的开展，提升行业对可靠性工作的重视程度，还需要从监管的角度，提出相应的要求，避免行业因价格战导致“劣币驱逐良币”的现象出现。针对一些关键装备，一方面在试验鉴定环节，增加对可靠性指标的考量，另一方面要提升鉴定试验能力和水平，能够有效地对可靠性指标进行试验验证。此外，监管部门可适时地组织行业可靠性优品推选工作，评选可靠性工作开展较好的品牌和企业，推广先进经验和做法，以点带面，增强企业开展可靠性工作的动力。

3 农机装备可靠性工作的重点方向

3.1 加强农机装备可靠性基础技术的研发投入

由于可靠性工作具有周期长、见效慢等特征，应加强农机装备可靠性关键技术攻关，包括可靠性设计、可靠性试验和可靠性分析评价等等，建立面向农机装备的可靠性应用技术体系；推进建设一批农机装备可靠性工程技术验证应用平台，提升关键部件工程化应用能力和水平，提升整机产品的可靠性水平；加强行业技术标准体系、行业大数据服务系统、综合制造在线检测能力、行业试验检测能力和产品数字化设计平台建设。

3.2 以数据为驱动实现可靠性持续提升

强化农机装备基础数据的采集工作，基础数据是产品设计开发中必不可少的元素，包括环境载荷、作业载荷、试验测试数据和使用故障数维修维护数据等采集工作，通过数据驱动农机装备设计、研制环节可靠性工作开展，确保设计和制造可靠性水平。推动互联网、云计算、大数据、物联网和5G技术等与现代农业机械装备制造与服务结合，实现数据的高效流动、充分挖掘数据价值，持续指导产品改进设计工作。

3.3 系统地推广可靠性试验技术的应用

通过在农机装备产业链推广可靠性试验技术的应用，对元器件、零部件和系统等进行充分的试验，一方面能摸清零部件的可靠性水平，另一方面也可以为农机装备整机制造提供筛选手段。系统的可靠性试验是保障农机装备可靠性的有效手段，通过建立完善的可靠性试验体系，在企业、科研院所和鉴定单位建立覆盖产业链不同层次产品的试验能力，提升农机装备可靠性试验能力和水平。