影響農機使用可靠性的主要因素及優化方向

李曉偉

(撫順市農業綜合行政執法隊,遼寧 撫順 113000)

0 引言

隨著現代農業生產對于農業機械裝備依賴性越來越強,農業機械使用可靠性對于農業生產實施質量影響很大,農業機械性能也直接影響到農業生產效率與經濟效益。從農業生產發展趨勢看,高效原則是現階段普遍追求的作業原則,而一臺農業機械無論技術多先進,都必須保證足夠低的故障率,以實現長時間連續作業能力。與國際一線農機產品性能相比,現階段國產農機的性能仍存在一定差距,其中一個典型特征就是產品應用迭代次數不足,導致農機產品使用過程突發各種問題的概率增加,加之農業生產環境等多方因素影響,農業機械在我國農業生產中應用的可靠性相對較低,因此探討影響農機使用可靠性的主要因素,并提出優化方向,有利于為農業生產提供更可靠、高效的農機作業應用方案。

1 農機可靠性現狀

強化農業科技和裝備支撐是農業高質量發展的必然途徑,隨著我國農機裝備制造能力不斷升級,農業機械先進性與結構復雜性不斷增加,農業機械產品質量和可靠性持續提升。根據2023年針對114家農機合作社的網絡調查統計[1]顯示,農機使用不滿意率為37.74%,國Ⅳ農機維修比例超過50%,故障多,維修比例高成為影響農機滿意度的關鍵因素。在現代農機使用情況對比來看,國產農機產品故障率高于進口農機產品故障率,國產農機在早期故障數、總故障率、突發非典型故障數等方面處于劣勢[2-3]。與此同時,受到農業機械自動化與智能化技術制約,國產農業機械在故障診斷、功能檢測、異常預警等方面的應用相對缺失,農業機械電氣化發展相對緩慢,導致農業機械使用模式陳舊,農機故障率相應提高,在一定程度影響了農業機械的可靠性。

2 影響可靠性的關鍵因素

2.1 結構設計

結構設計的合理性是影響農機可靠性的關鍵因素,設計過程的缺陷易導致農業機械的可靠性降低,農業機械結構設計中影響可靠性的因素包括:1)承載力設計。農業機械作業場景復雜,常受到多種載荷影響,重力、摩擦力、沖擊力是農機作業中最常遇到的載荷,結構設計的合理與材料科學選擇能更好保證農機作業平穩性,尤其在底盤及傳動系統的設計中可以通過優化結構布局和材料選擇有效實現農機可靠性的提升。2)抗震性能優化。農田行駛和作業環境中不可避免存在振動影響,農機設計的平衡性和減震結構的應用能顯著降低振動影響,提高農業機械使用壽命。此外,結構設計還能在一定程度改善農機操作性和維護性,優化農機使用體驗。

2.2 功能設計

農業機械功能合理性與先進性對于可靠性影響明顯,設計過程通過功能優化和新技術引進能有效提高農機可靠性,并改善作業質量,農機功能設計對于可靠性的影響包括以下幾方面因素:1)結合農機實踐應用特征,優化其功能設計和參數設置,例如對于進氣系統、燃油供給系統等功能優化,能保證農機適應各種復雜條件和挑戰。2)電氣控制技術的合理應用能夠提升農機的智能化和自動化水平,在一定程度上加強其可靠性和安全性。3)傳感器技術的應用能實現對農機內外部工況的精確監測和控制,實時獲取農機的運行溫度、壓力、速度等狀態和工作參數,顯著提高農業機械作業穩定性[3]。

2.3 制造裝配能力

制造裝配能力直接關系到農業機械的出廠品質,對于農機長期使用的可靠性影響明顯,制造裝配對可靠性的影響主要包括:1)零件制造機械裝備先進性的影響。不同機床零件制造的缺陷或加工尺寸偏差、表面精度不合格等會存在明顯差異,均會影響農業機械的使用可靠性。2)裝配精度的影響。裝配過程規范性直接影響部件性能及整機運轉狀態,若轉配過程存在零件位置偏差、緊固不當、傳動零件不對位等問題,易在應用過程產生早期故障,甚至造成故障頻發。3)加工及裝配工藝水平影響。工藝的合理性在一定程度影響制造精度和裝配實施合理性,合理的工藝設計不僅提高制造裝配效率,而且顯著提高農機可靠性。

2.4 使用能力

農機駕駛員的農業機械駕駛操作能力對于農機可靠性影響顯著,其主要影響因素包括:1)規范駕駛能力。農機駕駛員是否了解農業機械的性能特點、操作規程和注意事項,并規范實施操作,會直接影響農機使用效果,能否規范駕駛農機可能導致農機故障率和駕駛體驗產生明顯差異。2)熟練操作能力。駕駛員的駕駛經驗和操作熟練度以及應急處理能力會影響農機性能發揮,不當操作還可能導致故障率增加。3)農機性能狀態關注度。駕駛員使用農業機械過程中能夠密切關注農業機械在高溫、高濕、高塵等工況下的作業狀態,能否發現機械異常及時采取處理措施,也在一定程度影響著農機可靠性。

2.5 維保維修能力

維護、保養和維修能力對農機可靠性有著至關重要的影響。維護保養是農機使用過程的常規維護行為,能夠保證農業機械在長期使用過程正常運轉,避免過早出現磨損、松動、腐蝕等問題,合理對農機開展檢查、清洗、潤滑和更換易損件等措施能夠顯著提高農機作業可靠性。維修工作針對故障問題而開展,合理維修能有效恢復農機性能,維修能力提高對于故障判斷的準確性和維修工作實施的合理性等方面,維修質量對于農機后續使用的整機狀態影響很大[4]。

3 農機可靠性評價方式

3.1 可靠性試驗

農業機械的可靠性試驗方法種類很多,從廣義上看,涉及到可靠性相關的內容包括:農業機械在同一耕地區域實施長時間作業的故障率、在不同區域應用時的適應能力、對于特殊地形如坡地丘陵的適應性、對于黏重土壤及鹽堿地作業的適應性等?？煽啃栽囼炛饕Y合某一地區的農業機械使用特征、地區氣候條件以及農作物栽培習慣等展開試驗,意在驗證在局布區域內的農機設備使用可靠性。對于農機產品的試驗實施,通常依照國家及行業試驗標準開展,主要試驗依據標準參考如表1所示[5-6]。

表1 農機可靠性試驗依據標準參考

針對不同階段推進農機產品開展的試驗項目也存在一定差異,例如對于在我國農機市場應用時間較長,口碑較好的農機產品,首次引入本地使用,重點考查農機作業適用性,弱化考查農機故障率,重點記錄農機應用過程中的故障特征。對于首次引用地區使用的農機新產品,應重點進行故障數量、故障類型統計,并驗證農業產品長時間應用的可靠性與適用性,并在不同種類農田或農作物栽培區域開展差別試驗。

3.2 故障統計與分類

農業機械可靠性評價的工作重點集中于故障統計與故障種類記錄,在試驗過程中,需要分類記錄不同故障的發生數量并統計發生故障的原因。通常情況下可將農機故障分為以下四類:一是輕型故障。其特征是農機出現故障表現,但短時間內不影響使用性能,修理簡單、易于排除。二是普通故障。對農機性能產生一定影響,但在短時間內能夠修復解決,耗時、耗工較少。三是嚴重故障。明顯影響農機使用功能,導致農機性能指標快速下降,維修、修復難度較高,維修時間較長。四是重大故障。導致農業機械失去使用能力、失去維修價值的故障。在開展可靠性試驗過程中,應對農機產生的故障進行分類記錄,并嚴判打分,為試驗數據的后續深度分析提供便利條件。

3.3 可靠性分析

在獲得試驗數據或農機田間實際應用數據后,可對某一農機機型進行可靠性分析,現階段應用的可靠性試驗分析方法可分為兩類:一是人工判斷與對比分析;二是計算機軟件分析及評價。人工判斷與對比主要應用了試驗過程中人工記錄的數據和試驗人、駕駛人員反饋的主觀體驗進行判斷,常用的方法包括:制表對應項打分、試驗人員討論、專家評價等。計算機軟件分析主要利用現有成品軟件結合試驗數據開展,常用的分析方法包括:故障樹分析(FTA)、最壞情況分析(WCA)、故障模式影響分析(FMEA),其中應用較多的是故障樹分析(FTA),通過將農機故障按照輕型、普通、嚴重、重大四類由簡入繁逐級分析,形成動態化的直觀評價與故障綜合顯示形式,并生成農機可靠性判斷決策[7]。無論采用哪種形式開展可靠性分析,都需要試驗人員主觀判斷和決策參與,進而對同一故障數量的農機開展差異化評判。例如某一農機的故障類型較為分散且故障較多,說明該設備設計或制造缺陷較多,整機品質較差;若某一機型的故障數量較多,但源于某一故障現象的頻繁重復出現,說明該設備僅在局布功能上需優化調整[8]。

4 提升農機可靠性的有效途徑

4.1 引入故障監測系統

針對現有農機使用特征和故障發生規律,合理應用故障監測系統,能夠為優化農機可靠性,提高整機利用率具有積極促進作用。首先,以農機ECU為核心,增設關鍵部件的傳感器監測與數據獲取傳輸硬件,實時監測關鍵部件的溫度、轉速、牽引力、負載等狀態數據;其次,應用信息數據判斷與預處理軟件,針對監測硬件獲取的數據進行預判與分類,形成不同維度、不同用途的可用數據,供故障診斷模式使用;再次,應用精確故障診斷模型,可利用神經網絡結構建立算法模型,對獲得的數據進行研判;最后,建立故障預警系統,對于監測過程中判斷出的故障問題或存在誘導故障發生的因素,預警功能會及時提醒農機使用者檢查維修,避免嚴重故障發生。此外,故障監測系統還能夠利用獲取的數據信息建立診斷數據庫,實現在未來農機使用過程的診斷能力及精確性持續提升。

4.2 建全監管評價體系

強化對農機品質的監管,一方面抓嚴農機準入品質,避免劣質農機投入農業生產使用,另一方面,加強對農機作業故障率、適用性的監督檢查,及時獲取農機使用者反饋信息,避免高故障率、不適用機型常年在本地區農業生產中應用。此外,強化農機故障研判能力,建立追責制度,對于農業機械在使用過程中因為質量問題、設計缺陷等造成的重大事故,由監管機構配合農機使用者共同向廠商追責,促進企業加強質量管理和質量控制,提高農業機械整體質量。

4.3 提升使用操作能力

加強農機駕駛員使用操作農業機械的規范性,對于提高農機使用可靠性效果明顯。首先,從加強教育培訓的角度出發,組織專業培訓機構或農機制造商提供培訓課程,從農機理論和實踐操作雙方面加強農機駕駛員的駕駛操作能力,并做到農機培訓內容定期更新,保證農機駕駛員更好把握農機化生產發展趨勢;其次,加強安全規范生產宣傳,通過宣傳教育提高農機駕駛員安全操作意識,減少駕駛操作過程不規范行為,降低農機人為故障率;再次,強化維護和保養能力培養,為駕駛員提供維護和保養方面的技術支持和指導,減少因維護保養不當造成的機械故障和損壞。

4.4 強化設計制造能力

提升農機廠家的設計制造能力能有效提高農機實踐應用的可靠性,首先,農機企業應加強設計理念革新,引進和消化國際先進的設計理念,在不斷豐富農機功能的同時,加強農機可靠性專研,充分利用仿真軟件、研發試驗等提高農機設計合理性,避免設計缺陷產生;其次,應進一步提升企業制造能力,針對生產加工過程弱項,不斷引進和更新加工制造設備,提高機械加工的精確性,并制定嚴格的質量標準,加強生產過程控制,落實質量檢測體系,確保加工制造高質量實施;再次,強化農機裝配車間建設,應用現代化裝配工藝,提高產品出廠品質,降低產品故障率。

5 結語

綜上所述,農業機械可靠性提升對于優化生產過程、提高生產效益具有積極促進作用,通過農機企業提升設計制造能力、提升技術先進性及自動化和智能化水平等措施,鼓勵科技創新和農業機械研發,能夠在根本上促進農機出廠質量的提升,在匹配優秀的駕駛操作技術與規范的保養維護手段,減少操作失誤和維護不當對農機設備的影響,則能夠有效減少農機故障率,提高生產作業質量,并創建農業機械高效、可靠、安全生產新環境,對于保障糧食安全,促進農民參與生產能力和農村經濟發展具有積極作用。