可靠性技术在农业机械中的应用
摘要:随着我国农业机械化水平的不断提升，人们越来越多地关注农业机械质量和可靠性问题。据统计，我国收割机无故障工作时间为20～30h，远低于发达国家的80h，产品可靠性较差。介绍了可靠性技术，重点分析了可靠性技术在农业机械领域中的工作内容，并给出了相关建议。
关键词:农业机械，可靠性，产品质量
1可靠性简介
1.1可靠性工作概念
可靠性是指某一产品在规定的条件下工作时，在规定的时间内持续输出规定功能的能力。由这一概念可知可靠性具有以下特征:①关注故障;②重点关注的是故障发生的可能性，并用定量的形式进行表达;③分析当某一故障发生时会对产品或系统功能的影响程度。平均故障间隔时间(MTBF)是描述可靠性的定量、衡量参数，这是概率参数。可靠性可以代表着产品故障的频繁程度和危害程度，是产品的一种固有属性。可靠性是设计出来的，所以可靠性主要由设计者来决定，可靠性设计和分析的主要任务是要想办法降低发生故障的概率和降低故障所造成的影响。
1.2可靠性与农机装备产品关联
为了能够对农机装备产品的可靠性做出具体和定量的判断，可将农机装备产品可靠性定义为在规定的条件下和规定的时间内，农机装备产品或者系统稳定的完成功能的程度或能力。对农机装备产品而言，可靠性越高就越好。可靠性高的农机装备产品，可以长时间正常工作。从专业术语上来说，就是农机装备产品的可靠性越高，农机装备产品可以无故障工作的时间就越长。从狭义上讲，“可靠性”是农机装备产品在使用期间没有发生故障的时间。从广义上讲，“可靠性”是指农业工作者对农机装备产品的满意程度或对农业装备生产加工企业的信赖程度［1］。
1.3开展可靠性工作的意义
开展可靠性工作，提高农机装备产品可靠性水平，有以下4方面好处。(1)可以预防或避免或减少农机装备故障的发生，特别是农机装备同人、畜接触较多，可以避免对人畜的伤害，促进安全生产。(2)可以增加使用时间并减少停机时间，提高农机设备的可用率。据统计，我国的农机装备如联合收割机、农用耕作设备等产品的平均故障间隔时间(MTBF)平均水平只有国际先进的农机装备企业同类产品的1N3，而我国生产的农机装备能达到国际领先水平的产品不到5%，大部分农机用户要经常遇到农机装备故障，忍受长时间的维修等待时间，远远不能满足广大农机用户的需求［2］。(3)减少损失，降低农机装备使用费用。可靠性的提升，可以帮助农机用户一方面降低维修成本，一方面增加使用时间提升效率创造更多的价值，有利于农民收入的增加。(4)对于我国农机生产制造企业来说，可以增加公司的信誉，提升公司的竞争力，特别是我国“一带一路”政策的实施，很多企业面临走出去的机遇，更需要提升农机装备产品的可靠性。
2农业机械可靠性工作内容
2.1可靠性设计
农机装备产品研制过程一般可分为技术指标论证、方案论证、工程研制(初步设计和详细设计两个阶段)、设计定型和生产定型5个阶段。在农机装备产品研制开发的全过程中，应该合理地规划和使用各种可靠性设计技术和方法，通过各种可靠性设计分析技术方法交叉配合使用，才能真正设计开发出具有高可靠性水平的农机装备产品。同时，应在开发过程中有效地组织并开展可靠性设计工作，必须对上述5个阶段中可靠性设计工作流程有清晰的认识和规划，最终才能高效、全面地提高农机装备或农业机械产品的可靠性水平［3］。
2.2可靠性建模及预计
农机装备或农业机械产品的可靠性模型指产品各子系统、组件之间框图(简称为可靠性框图)及其数学表达式，即系统成功概率与其组成单元成功概率之间的关系式。建立农机装备产品的可靠性模型是为了对农机装备产品进行可靠性分析，特别是为了进行可靠性预计和分配。可靠性预计一般是先预计农机装备产品的元器件或零部件的失效率，接着预计农机装备产品单元(单元内所有元器件、零部件可视为可靠性串联)的故障率，然后按农机装备产品的可靠性模型计算产品的可靠性预计值。如果没有确切的农机装备产品可靠性模型，就无法合理的预计其可靠性，尤其不能预计其任务可靠性。可靠性分配是将农机装备产品可靠性目标值按农机装备产品可靠性模型分配到各产品单元，以此作为农机装备产品可靠性设计的依据。如果没有农机装备产品可靠性模型，就无法进行科学的分配。可靠性预计是执行农机装备产品可靠性工作的基础。可靠性设计农机装备开发人员在方案研究和工程研制阶段，将农机装备产品的系统和子系统的基本可靠性和任务可靠性进行预计并设计，在整个过程中从预计到改进不断循环，以使农机装备产品达到规定的可靠性要求。如果缺乏为实现可靠性指标必须采取的可靠性技术措施。
2.3故障模式影响分析(FMEA)
一般来说，系统总是由多个部分组成的，如农机装备产品可能包括电源、存储器、处理器、执行机构和辅助设备等部分。在工作中，每一组成部分都在规定时间和条件下，以规定的状态完成不同的特定功能。当其中一个部分发生故障时，整个系统的工作将会受到影响。根据系统的设计特征和工作要求，不同组成部分的各种故障模式造成的影响也不相同。如联合收割机中的螺旋叶片无法正常工作，或与切割底板的间隙过大，导致推运器发生故障或引起割台螺旋推运器打滑，进而导致整个联合收割机无法正常工作。因此，对所有组成部分一个一个的分析和推演其故障模式及可能造成的影响，就可以得到农业机械产品的薄弱环节和关键系统，为下一步实施改进或选择预防控制措施打下坚实的基础。
2.4故障树分析(FTA)
故障树分析是一种将农机装备或农业机械产品系统故障形成的原因从上而下、从简入繁，按农机装备产品的层级和组成部分，描述成如同大树的树干形状的分析方法，是对复杂动态系统的设计、试验或使用中出现的故障进行分析的常用方法。故障树分析是一种从上而下、从简入繁和逐层演绎的系统的故障分析方法，这个方法对分析复杂系统特别适合，能够考虑包括人的影响与环境影响对系统失效作用的多重因素，并可以用图形的方法有层次地逐级描述农机装备产品在失效的进程中，各种中间事件的相互关系，从而直观地描述系统会通过什么方式能引发失效。
2.5最坏情况分析(WCA)
最坏情况电路分析应用在有控制系统的农业机械产品中，一般控制系统中包含大量的电路等精密元器件。WCA是指在采用模拟仿真或分析的方法，把电路所能经历到的各种极端情况或各种情况组合，如生产工作的环境变化、出现输入的失真或漂移，进行电路性能分析和元器件应力分析。通过最坏情况电路性能分析和最坏情况元器件应力分析，可识别影响电路性能及元器件应力的主要因素，找到设计与可靠性脆弱环节。通过对预测电路是否会发生漂移故障，明确改进的方向，以提高电路的固有可靠性。WCA主要包括以下2个方面。(1)评价电路的性能及其漂移:采用恰当的分析方法，评估在最坏情况条件下电路的性能及其漂移。(2)元器件评价:分析在最坏情况下电路中元器件是否存在过应力的问题，为下一步科学选用元器件、降额使用与设计提供依据。以提高效费比，WCA应与性能设计同步进行。其最佳使用时机应在完成电路初步设计及FMEA后进行，WCA需要得到设计、原材料和元器件等方面的详细信息。在产品设计和开发过程中，电路设计上有任何的改动都应重新进行WCA。WCA的工作量大，需要软件、硬件、元器件模型库及有关数据的支持。工程研制应在任务书或合同做明确的规定，提出明确的WCA要求。WCA可从不同的产品层次分别进行。如电路系统、单元电路或功能电路等。如果电路性能参数相互独立，WCA可对电路不同的性能参数分别进行。
2.6潜在电路分析(SCA)
如果大型的农机装备产品的电子或电气系统是复杂且规模较大的特征，参加设计的科研单位较多，设计队伍的设计水平也可能参差不齐，另外设计过程本身也常发生需求和设计更改，因而在科研过程中不可避免地会在无意中留下潜在电路，这就要求各级设计人员、总体负责人员对潜在电路的特点和危害有深刻的认识，一方面通过系统掌握潜在电路分析方法，可以在完成电路设计后，自行进行潜在电路分析，及时发现潜在电路并予以排除，另一方面通过掌握常见的、避免潜在电路的设计准则，在设计中尽量规避引入潜在电路。
2.7可靠性试验
农机装备产品可采用的可靠性试验有很多，如可靠性强化试验。可靠性强化试验是指在产品的研制阶段，采用比技术规范极限更加严酷的试验应力，加速促使产品的潜在缺陷发生，并不断地改进和验证，提高产品的固有可靠性［4］。根据农机装备使用地区的不同，还可以采用不同的试验，如沿海地区由于土壤湿度大、盐碱成分高，可进行盐雾试验［5］。
3相关建议
首先应该加强农业机械从业人员对可靠性工作的认识，提高大家对农机装备质量的关注。其次应该培养专业化的人才队伍，既要懂农业装备的设计和制造，又要懂可靠性的理论和知识，能够熟练运用可靠性方法。最后要加强顶层设计，如相关标准、体系和参数库的建立，为工作提供可靠的参考和支撑。
参考文献
［1］曹玉宝．农机产品的可靠性设计［J］．农机化研究，2009，31(7):150-152．
［2］郝红周，邓洪发．农机产品可靠性设计的重要性［J］．科技传播，2011，3(19):67．
［3］李东来．农机产品可靠性设计的研究［J］．南方农机，2016(11):41．
作者：高敏 单位：中国农业机械化科学研究院
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