可靠性技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械中的應(yīng)用
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摘要:隨著我國農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平的不斷提升，人們?cè)絹碓蕉嗟仃P(guān)注農(nóng)業(yè)機(jī)械質(zhì)量和可靠性問題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國收割機(jī)無故障工作時(shí)間為20～30h，遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國家的80h，產(chǎn)品可靠性較差。介紹了可靠性技術(shù)，重點(diǎn)分析了可靠性技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域中的工作內(nèi)容，并給出了相關(guān)建議。
關(guān)鍵詞:農(nóng)業(yè)機(jī)械，可靠性，產(chǎn)品質(zhì)量
1可靠性簡(jiǎn)介
1.1可靠性工作概念
可靠性是指某一產(chǎn)品在規(guī)定的條件下工作時(shí)，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)持續(xù)輸出規(guī)定功能的能力。由這一概念可知可靠性具有以下特征:①關(guān)注故障;②重點(diǎn)關(guān)注的是故障發(fā)生的可能性，并用定量的形式進(jìn)行表達(dá);③分析當(dāng)某一故障發(fā)生時(shí)會(huì)對(duì)產(chǎn)品或系統(tǒng)功能的影響程度。平均故障間隔時(shí)間(MTBF)是描述可靠性的定量、衡量參數(shù)，這是概率參數(shù)?？煽啃钥梢源碇a(chǎn)品故障的頻繁程度和危害程度，是產(chǎn)品的一種固有屬性?？煽啃允窃O(shè)計(jì)出來的，所以可靠性主要由設(shè)計(jì)者來決定，可靠性設(shè)計(jì)和分析的主要任務(wù)是要想辦法降低發(fā)生故障的概率和降低故障所造成的影響。
1.2可靠性與農(nóng)機(jī)裝備產(chǎn)品關(guān)聯(lián)
為了能夠?qū)r(nóng)機(jī)裝備產(chǎn)品的可靠性做出具體和定量的判斷，可將農(nóng)機(jī)裝備產(chǎn)品可靠性定義為在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，農(nóng)機(jī)裝備產(chǎn)品或者系統(tǒng)穩(wěn)定的完成功能的程度或能力。對(duì)農(nóng)機(jī)裝備產(chǎn)品而言，可靠性越高就越好?？煽啃愿叩霓r(nóng)機(jī)裝備產(chǎn)品，可以長(zhǎng)時(shí)間正常工作。從專業(yè)術(shù)語上來說，就是農(nóng)機(jī)裝備產(chǎn)品的可靠性越高，農(nóng)機(jī)裝備產(chǎn)品可以無故障工作的時(shí)間就越長(zhǎng)。從狹義上講，“可靠性”是農(nóng)機(jī)裝備產(chǎn)品在使用期間沒有發(fā)生故障的時(shí)間。從廣義上講，“可靠性”是指農(nóng)業(yè)工作者對(duì)農(nóng)機(jī)裝備產(chǎn)品的滿意程度或?qū)r(nóng)業(yè)裝備生產(chǎn)加工企業(yè)的信賴程度［1］。
1.3開展可靠性工作的意義
開展可靠性工作，提高農(nóng)機(jī)裝備產(chǎn)品可靠性水平，有以下4方面好處。(1)可以預(yù)防或避免或減少農(nóng)機(jī)裝備故障的發(fā)生，特別是農(nóng)機(jī)裝備同人、畜接觸較多，可以避免對(duì)人畜的傷害，促進(jìn)安全生產(chǎn)。(2)可以增加使用時(shí)間并減少停機(jī)時(shí)間，提高農(nóng)機(jī)設(shè)備的可用率。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國的農(nóng)機(jī)裝備如聯(lián)合收割機(jī)、農(nóng)用耕作設(shè)備等產(chǎn)品的平均故障間隔時(shí)間(MTBF)平均水平只有國際先進(jìn)的農(nóng)機(jī)裝備企業(yè)同類產(chǎn)品的13，而我國生產(chǎn)的農(nóng)機(jī)裝備能達(dá)到國際領(lǐng)先水平的產(chǎn)品不到5%，大部分農(nóng)機(jī)用戶要經(jīng)常遇到農(nóng)機(jī)裝備故障，忍受長(zhǎng)時(shí)間的維修等待時(shí)間，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足廣大農(nóng)機(jī)用戶的需求［2］。(3)減少損失，降低農(nóng)機(jī)裝備使用費(fèi)用?？煽啃缘奶嵘?，可以幫助農(nóng)機(jī)用戶一方面降低維修成本，一方面增加使用時(shí)間提升效率創(chuàng)造更多的價(jià)值，有利于農(nóng)民收入的增加。(4)對(duì)于我國農(nóng)機(jī)生產(chǎn)制造企業(yè)來說，可以增加公司的信譽(yù)，提升公司的競(jìng)爭(zhēng)力，特別是我國“一帶一路”政策的實(shí)施，很多企業(yè)面臨走出去的機(jī)遇，更需要提升農(nóng)機(jī)裝備產(chǎn)品的可靠性。
2農(nóng)業(yè)機(jī)械可靠性工作內(nèi)容
2.1可靠性設(shè)計(jì)
農(nóng)機(jī)裝備產(chǎn)品研制過程一般可分為技術(shù)指標(biāo)論證、方案論證、工程研制(初步設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)兩個(gè)階段)、設(shè)計(jì)定型和生產(chǎn)定型5個(gè)階段。在農(nóng)機(jī)裝備產(chǎn)品研制開發(fā)的全過程中，應(yīng)該合理地規(guī)劃和使用各種可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)和方法，通過各種可靠性設(shè)計(jì)分析技術(shù)方法交叉配合使用，才能真正設(shè)計(jì)開發(fā)出具有高可靠性水平的農(nóng)機(jī)裝備產(chǎn)品。同時(shí)，應(yīng)在開發(fā)過程中有效地組織并開展可靠性設(shè)計(jì)工作，必須對(duì)上述5個(gè)階段中可靠性設(shè)計(jì)工作流程有清晰的認(rèn)識(shí)和規(guī)劃，最終才能高效、全面地提高農(nóng)機(jī)裝備或農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品的可靠性水平［3］。
2.2可靠性建模及預(yù)計(jì)
農(nóng)機(jī)裝備或農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品的可靠性模型指產(chǎn)品各子系統(tǒng)、組件之間框圖(簡(jiǎn)稱為可靠性框圖)及其數(shù)學(xué)表達(dá)式，即系統(tǒng)成功概率與其組成單元成功概率之間的關(guān)系式。建立農(nóng)機(jī)裝備產(chǎn)品的可靠性模型是為了對(duì)農(nóng)機(jī)裝備產(chǎn)品進(jìn)行可靠性分析，特別是為了進(jìn)行可靠性預(yù)計(jì)和分配。可靠性預(yù)計(jì)一般是先預(yù)計(jì)農(nóng)機(jī)裝備產(chǎn)品的元器件或零部件的失效率，接著預(yù)計(jì)農(nóng)機(jī)裝備產(chǎn)品單元(單元內(nèi)所有元器件、零部件可視為可靠性串聯(lián))的故障率，然后按農(nóng)機(jī)裝備產(chǎn)品的可靠性模型計(jì)算產(chǎn)品的可靠性預(yù)計(jì)值。如果沒有確切的農(nóng)機(jī)裝備產(chǎn)品可靠性模型，就無法合理的預(yù)計(jì)其可靠性，尤其不能預(yù)計(jì)其任務(wù)可靠性?？煽啃苑峙涫菍⑥r(nóng)機(jī)裝備產(chǎn)品可靠性目標(biāo)值按農(nóng)機(jī)裝備產(chǎn)品可靠性模型分配到各產(chǎn)品單元，以此作為農(nóng)機(jī)裝備產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)的依據(jù)。如果沒有農(nóng)機(jī)裝備產(chǎn)品可靠性模型，就無法進(jìn)行科學(xué)的分配?？煽啃灶A(yù)計(jì)是執(zhí)行農(nóng)機(jī)裝備產(chǎn)品可靠性工作的基礎(chǔ)。可靠性設(shè)計(jì)農(nóng)機(jī)裝備開發(fā)人員在方案研究和工程研制階段，將農(nóng)機(jī)裝備產(chǎn)品的系統(tǒng)和子系統(tǒng)的基本可靠性和任務(wù)可靠性進(jìn)行預(yù)計(jì)并設(shè)計(jì)，在整個(gè)過程中從預(yù)計(jì)到改進(jìn)不斷循環(huán)，以使農(nóng)機(jī)裝備產(chǎn)品達(dá)到規(guī)定的可靠性要求。如果缺乏為實(shí)現(xiàn)可靠性指標(biāo)必須采取的可靠性技術(shù)措施。
2.3故障模式影響分析(FMEA)
一般來說，系統(tǒng)總是由多個(gè)部分組成的，如農(nóng)機(jī)裝備產(chǎn)品可能包括電源、存儲(chǔ)器、處理器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和輔助設(shè)備等部分。在工作中，每一組成部分都在規(guī)定時(shí)間和條件下，以規(guī)定的狀態(tài)完成不同的特定功能。當(dāng)其中一個(gè)部分發(fā)生故障時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)的工作將會(huì)受到影響。根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特征和工作要求，不同組成部分的各種故障模式造成的影響也不相同。如聯(lián)合收割機(jī)中的螺旋葉片無法正常工作，或與切割底板的間隙過大，導(dǎo)致推運(yùn)器發(fā)生故障或引起割臺(tái)螺旋推運(yùn)器打滑，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)聯(lián)合收割機(jī)無法正常工作。因此，對(duì)所有組成部分一個(gè)一個(gè)的分析和推演其故障模式及可能造成的影響，就可以得到農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品的薄弱環(huán)節(jié)和關(guān)鍵系統(tǒng)，為下一步實(shí)施改進(jìn)或選擇預(yù)防控制措施打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
2.4故障樹分析(FTA)
故障樹分析是一種將農(nóng)機(jī)裝備或農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品系統(tǒng)故障形成的原因從上而下、從簡(jiǎn)入繁，按農(nóng)機(jī)裝備產(chǎn)品的層級(jí)和組成部分，描述成如同大樹的樹干形狀的分析方法，是對(duì)復(fù)雜動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、試驗(yàn)或使用中出現(xiàn)的故障進(jìn)行分析的常用方法。故障樹分析是一種從上而下、從簡(jiǎn)入繁和逐層演繹的系統(tǒng)的故障分析方法，這個(gè)方法對(duì)分析復(fù)雜系統(tǒng)特別適合，能夠考慮包括人的影響與環(huán)境影響對(duì)系統(tǒng)失效作用的多重因素，并可以用圖形的方法有層次地逐級(jí)描述農(nóng)機(jī)裝備產(chǎn)品在失效的進(jìn)程中，各種中間事件的相互關(guān)系，從而直觀地描述系統(tǒng)會(huì)通過什么方式能引發(fā)失效。
2.5最壞情況分析(WCA)
最壞情況電路分析應(yīng)用在有控制系統(tǒng)的農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品中，一般控制系統(tǒng)中包含大量的電路等精密元器件。WCA是指在采用模擬仿真或分析的方法，把電路所能經(jīng)歷到的各種極端情況或各種情況組合，如生產(chǎn)工作的環(huán)境變化、出現(xiàn)輸入的失真或漂移，進(jìn)行電路性能分析和元器件應(yīng)力分析。通過最壞情況電路性能分析和最壞情況元器件應(yīng)力分析，可識(shí)別影響電路性能及元器件應(yīng)力的主要因素，找到設(shè)計(jì)與可靠性脆弱環(huán)節(jié)。通過對(duì)預(yù)測(cè)電路是否會(huì)發(fā)生漂移故障，明確改進(jìn)的方向，以提高電路的固有可靠性。WCA主要包括以下2個(gè)方面。(1)評(píng)價(jià)電路的性能及其漂移:采用恰當(dāng)?shù)姆治龇椒?，評(píng)估在最壞情況條件下電路的性能及其漂移。(2)元器件評(píng)價(jià):分析在最壞情況下電路中元器件是否存在過應(yīng)力的問題，為下一步科學(xué)選用元器件、降額使用與設(shè)計(jì)提供依據(jù)。以提高效費(fèi)比，WCA應(yīng)與性能設(shè)計(jì)同步進(jìn)行。其最佳使用時(shí)機(jī)應(yīng)在完成電路初步設(shè)計(jì)及FMEA后進(jìn)行，WCA需要得到設(shè)計(jì)、原材料和元器件等方面的詳細(xì)信息。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和開發(fā)過程中，電路設(shè)計(jì)上有任何的改動(dòng)都應(yīng)重新進(jìn)行WCA。WCA的工作量大，需要軟件、硬件、元器件模型庫及有關(guān)數(shù)據(jù)的支持。工程研制應(yīng)在任務(wù)書或合同做明確的規(guī)定，提出明確的WCA要求。WCA可從不同的產(chǎn)品層次分別進(jìn)行。如電路系統(tǒng)、單元電路或功能電路等。如果電路性能參數(shù)相互獨(dú)立，WCA可對(duì)電路不同的性能參數(shù)分別進(jìn)行。
2.6潛在電路分析(SCA)
如果大型的農(nóng)機(jī)裝備產(chǎn)品的電子或電氣系統(tǒng)是復(fù)雜且規(guī)模較大的特征，參加設(shè)計(jì)的科研單位較多，設(shè)計(jì)隊(duì)伍的設(shè)計(jì)水平也可能參差不齊，另外設(shè)計(jì)過程本身也常發(fā)生需求和設(shè)計(jì)更改，因而在科研過程中不可避免地會(huì)在無意中留下潛在電路，這就要求各級(jí)設(shè)計(jì)人員、總體負(fù)責(zé)人員對(duì)潛在電路的特點(diǎn)和危害有深刻的認(rèn)識(shí)，一方面通過系統(tǒng)掌握潛在電路分析方法，可以在完成電路設(shè)計(jì)后，自行進(jìn)行潛在電路分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在電路并予以排除，另一方面通過掌握常見的、避免潛在電路的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，在設(shè)計(jì)中盡量規(guī)避引入潛在電路。
2.7可靠性試驗(yàn)
農(nóng)機(jī)裝備產(chǎn)品可采用的可靠性試驗(yàn)有很多，如可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)?？煽啃詮?qiáng)化試驗(yàn)是指在產(chǎn)品的研制階段，采用比技術(shù)規(guī)范極限更加嚴(yán)酷的試驗(yàn)應(yīng)力，加速促使產(chǎn)品的潛在缺陷發(fā)生，并不斷地改進(jìn)和驗(yàn)證，提高產(chǎn)品的固有可靠性［4］。根據(jù)農(nóng)機(jī)裝備使用地區(qū)的不同，還可以采用不同的試驗(yàn)，如沿海地區(qū)由于土壤濕度大、鹽堿成分高，可進(jìn)行鹽霧試驗(yàn)［5］。
3相關(guān)建議
首先應(yīng)該加強(qiáng)農(nóng)業(yè)機(jī)械從業(yè)人員對(duì)可靠性工作的認(rèn)識(shí)，提高大家對(duì)農(nóng)機(jī)裝備質(zhì)量的關(guān)注。其次應(yīng)該培養(yǎng)專業(yè)化的人才隊(duì)伍，既要懂農(nóng)業(yè)裝備的設(shè)計(jì)和制造，又要懂可靠性的理論和知識(shí)，能夠熟練運(yùn)用可靠性方法。最后要加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)，如相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、體系和參數(shù)庫的建立，為工作提供可靠的參考和支撐。
參考文獻(xiàn)
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作者：高敏 單位：中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院
