基于PDCA的某玉米联合收获机支架断裂失效分析

聂美玲,常建国,叶 彤,孙士明,王海洋,王健富,刘兴博,杨金砖,兰海涛,邢璐露

(1.黑龙江省农业机械工程科学研究院,哈尔滨 150081;2.哈尔滨市西泉眼水库管护中心,哈尔滨 150030)

0 引言

质量问题的发生往往成因复杂,很难快速、直接地找到原因。而在生产实际中,需要尽快解决质量问题,以大幅减少由于排查、返修、更换零部件而引起的资金、物料和工时损失。此外,若只着眼直接原因,忽略根本原因,则隐患一直存在,缺陷很可能复发(为避免概念混淆,下文中统称部件失效、故障、损失等质量问题为缺陷)。因此,准确地描述问题和缺陷,快速地找到根本原因,对解决质量问题、减少其带来的损失,是非常必要的。PDCA循环方法作为一种解决质量问题的流程化方法,已在质量管理方面得到很好的应用。除此之外,其在医疗器械、药物临床试验、生态水利工程、现代教学、科技项目审计等领域也应用广泛[1-3]。

1 方法原理介绍

1.1 PDCA循环

PDCA循环方法是解决缺陷的一种思维方式、逻辑顺序和工作步骤,如图1所示。在“P”(Plan)计划阶段,需要组建一个团队,应用“5G”和“5W1H”工具进行问题描述,采用“4M”和“5Why”工具进行根本原因分析,并制定相应的整改措施;在“D”(Do)实施阶段,即将制定的整改措施落实到生产;在“C”(Check)检查阶段,对整改的效果进行核查;在“A”(Act)验证阶段,即对以上过程进行验证,若满足要求则标准化和进一步推广,否则需要返回“P”计划阶段,重新分析和解决问题。

图1 PDCA循环示意图Fig.1 The PDCA loop

1.2 “5G”工具

“5G”源于日语,常被成为“三现二原”,即现场、现物、现实、原理和原则。“现场”是指要到缺陷发生的地点去实地考察;“现物”是指要着眼于当前的实际库存或情况,以行动为基础,分析问题;“现实”是指缺陷发生的环境、背景或相关影响因素,一般指检查相关的数据和报告;“原理”是指涉及的理论,即为修正缺陷提供理论依据的一般性法则;“原则”是指遵循的操作标准,包括基础知识或专业技术。“5G”是获取缺陷相关信息、说明现象的一种方法,其精髓在于去问题的发生地检查现象而不是在办公室里头脑风暴。

1.3 “5W1H”工具

“5W1H”工具分别是:何事(What),即在哪种产品上发生什么缺陷;何时(When),即缺陷在什么时间发生;何地(Where),即缺陷在哪个位置发现;何人(Who),即缺陷与哪些人相关,是否与其技能相关;哪些(Which),即缺陷发生在哪些产品上,趋势是什么;如何(How),即缺陷发生的情况如何,频次是多少。“5W1H”是一种具体描述缺陷的工具,目的在于确保充分了解缺陷的各个方面。

1.4 “4M”工具

“4M”分析是指从人(Man)、机器(Machine)、材料(Material)、方法(Method)等4个方面来研究可能影响缺陷的领域,是一种集中寻找某一缺陷的根本原因的手段。

1.5 “5Why”工具

“5Why”分析法又称“5问法”,是指针对缺陷逐级提问并给出答案,其并不局限于缺陷是“5个”,可以根据缺陷的复杂程度不同进行问答,直到找到根本原因。

2 PDCA循环应用举例

本实例中,失效部件为某玉米收获机的一个安装支架,如图2所示。

图2 后桥支架断裂示意图Fig.2 The broken bracket of rear axle

收获季节,支架在使用过程中断裂,导致用户因更换零件而停工,严重影响了作业效率,造成了一定的经济损失。因此,需要迅速整改,避免损失扩大。

2.1 计划阶段(P)

2.1.1现象描述

1)运用“5G”的方法去现场进行调查,确认零件本身是否存在问题;同操作者进行交流,明确是否人为因素导致缺陷,查验相关的操作指导书、设备点检表单等。

2)应用“5W1H”的方法对现象进行描述,如表1所示。

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

根据应用“5G”和“5W1H”获得的信息,确定这是一个无关于操作者操作技能、装配设备及工艺文件的问题,需要针对零件本身展开进一步的调查。

2.1.2根本原因分析

1)基于“4M”的方法,针对零件特性及加工制造过程,在“人员、机器、材料、方法”4个方面展开调查,如图3所示。

图3 4M分析法鱼骨图Fig.3 The fishbone of 4M analysis

在“人”的方面,对操作者的操作技能是否满足需求及是否按照工艺文件作业进行确认;在“机器”方面,对铸造炉、浇注系统等进行检查;在“材料”方面,对零件的尺寸、化学成分、金相组织、机械性能等进行检测;在“方法”方面,对模具及铸造技术等进行复核。

分析“材料方面”发现:零件的化学成分、金相组织、机械性能上存在一定程度的不合格项。在对“人”、“机器”及“方法”方面进行确认时,并未在其中发现问题,由此确认这是一个材料问题。

通过4M工具分析,在现有库存零件中抽取5个批次进行检测,结果如表2所示。由表2可知:在化学成分方面,5组样本的C、Mn、Cu的含量均不能满足标准要求。其中,C含量均低于标准要求的3.50%～3.90%,Mn含量均高于标准要求的0.30%～0.50%,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ组Cu的含量低于标准要求,而Ⅳ组Cu的含量高于标准要求的0.4%～0.6%;此外,样本Ⅳ组及Ⅴ组的Si含量分别高于和低于标准要求的2.20～2.80%。在金相组织方面,Ⅰ组珠光体含量90%、Ⅱ组珠光体含量30%,分别高于和低于标准要求的40%～85%;此外,Ⅳ组的石墨结节大小为7级,高于标准要求的6级。在机械性能方面,5组样本的延伸率均远低于最小6%的标准要求;此外,Ⅳ组样本的硬度略高于标准要求的190～270HB、Ⅲ组的抗拉强度略低于最小550MPa的标准要求。

表2 零件材料性能检测表Table 2 Part material performance test table

2)基于“5Why”的方法,找到问题的根本原因。

“1Why”:为什么支架发生断裂?因为支架的抗冲击力不足以抵抗作业中的冲击。

“2Why”:为什么支架的抗冲击力不足?因为支架材料的延伸率不能达到标准要求。

根据球墨铸铁的材料特性并观察图1,可以判断零件的断裂方式为脆性断裂。由表2可知,零件的抗拉强度基本满足设计要求,而延伸率远低于设计标准要求。由此判断零件可以满足断裂准则中的“最大拉应力准则”,即零件所受的最大拉应力低于零件的许用应力;而不能满足“最大伸长线应变准则”,即零件发生脆性断裂的主要原因是危险点的最大伸长线应变达到在单向拉伸时的极限值。

根据广义胡克定律得

式中ε1—第一主应力方向的应变;

E—弹性模量(GPa);

σ1、σ2、σ3—3个方向的主应力(GPa);

ν—泊松比。

在零件受到一定应力作用时,会产生相应的应变;当应变量不能达到设计要求时,会发生断裂。由表1可知,零件的延伸率不能达到设计要求(即应变量不能达到设计要求),因此发生断裂。

“3Why”:为什么支架的机械性能低于标准要求?因为材料的化学成分不合理。

研究表明:一般情况下,提高含碳量到碳的质量分数高于3.2%的范围,可以提高球墨铸铁的冲击韧性[11]。5组样件中,有4组的含碳量低于3%,即是零件抗冲击性不足的主要原因。

此外,Cu的含量影响铸件中珠光体的含量。在一定范围内,随着铜质量分数上升,珠光体数量增多,从而影响力学性能[19]。

“4Why”:为什么材料的化学成分不合适?因为没有合适的化学成分配比参数。

基于”5Why”分析,找到支架断裂的根本原因在于不合适的化成分使材料的延伸率低,最终导致了使用中发生断裂。

2.1.3制定措施,指出行动计划

首先,寻找可能的解决方法;基于对5个批次零件的检测结果,零件化学成分不能满足相应的标准要求,很可能是缺陷发生的主要原因,因此组织研发及工艺团队对材料的配比进行调整。其次,测试并选择,对不同配比的原料进行多次试验,最终得到能满足标准要求的配比。最后,提出行动计划和相应的资源,将整改后的配比应用于生产,通知相关的计划及生产团队成员。

2.2 实施(D)阶段

根据在计划阶段得到的结论,将相关信息传递给生产部门,调整了原料的成分配比,先进行单件生产确认,结果能满足标准要求后组织进行小批量生产,在小批量生产验证足够多的批次后,转为正常的量产阶段,并更新相关的控制计划。

2.3 检查(C)阶段

持续进行验证,抽样检测材料的成分和性能。

2.4 处理(A)阶段

更新操作指导书并且培训相应的操作者。从方案实施开始,经过超过1年时间的验证,支架再未出现过断裂的现象。

3 结论

介绍了PDCA循环的方法原理及5G、5W1H、4M、5Why工具的应用方法。运用实例介绍了PDCA循环的具体应用方法:在“P”阶段,应用5G、5W1H的方法实现了对缺陷的准确描述及发生缺陷的背景调查,应用4M方法分析了缺陷产生的根本原因在于材料问题,用“5Why”的方法进行了根本原因的分析,确定了可能的根本原因。在“D”阶段,针对可能的根本原因进行整改并验证,最终更新了控制计划。在“C”阶段,进行持续的检测,以验证根本原因是否可靠及整改是否有效。在“A”阶段,对结果进行验证,并且实现了标准化作业。研究可为应用PDCA循环进行问题的整改提供理论及实际应用上的指导。