基于FMEA分析的路面铣刨机设计方法研究

冷志刚，姚柯飞

(江苏华通动力重工有限公司 产品研发部，江苏 镇江　212028)



基于FMEA分析的路面铣刨机设计方法研究

冷志刚，姚柯飞

(江苏华通动力重工有限公司 产品研发部，江苏 镇江212028)

摘要：结合路面铣刨机的工作及设计特点，以HM2100A型路面铣刨机为例，将FMEA分析方法应用于路面铣刨机研发过程，形成系统安全性报告和系统可靠性报告。应用结果表明，结合该方法进行路面铣刨机设计，可以提高产品的安全性和可靠性，节省研发成本、缩短产品开发周期。

关键词：路面铣刨机；FMEA；系统安全性；系统可靠性

路面铣刨机是一种常见的路面机械化养护专用设备，属于特种工程机械类产品，主要用于高等级公路、机场、大型广场等路面的大面积铣刨破碎，路面油包、油浪、车辙等病害的铣平修整，还可以对摩擦系数较低的沥青和水泥路面进行快速拉毛作业[1-2]。路面铣刨机具有以下特点：属于特种机械设备，系统化、标准化程度较低，缺少有效的产品质量控制及评估方法；工作环境恶劣，各系统需承受很大的冲击载荷，潜在故障点较多；需要满足连续施工要求，对安全性和可靠性要求高；系统复杂且庞大，设计、制造及使用过程中不可控因素较多。

1传统研发过程

针对大型复杂结构的设计，如图1所示，传统的研发手段缺少系统化的可预见性分析，产品的安全可靠性受到制约，造成产品定型周期长，质量问题多，严重影响产品的可持续发展。优质的现代产品应满足性能、可靠性与维修等指标。性能指标是能够代表产品使用价值的主要质量指标，可靠性和可维修性直接影响产品性能的有效发挥[3]。

2FMEA方法

FMEA(Failure Mode and Effects Analysis)，即潜在失效模式及后果分析，同SPC(Statistical Process Control)和MSA(Measurement System Analysis)一并被称为预防三剑客。FMEA是一种对在产品和过程开发中可能出现的潜在问题进行预防性考虑和消除的分析方法[4]。FMEA分析过程伴随产品的整个生命周期，为所有失效可能性提供解决方案，不仅可以提高产品的质量、安全性和可靠性，降低产品开发时间与成本，还可以提升企业的形象与竞争力，提高客户的满意度。

图1　传统产品研发过程

3路面铣刨机产品的FMEA方法及内容

HM2100A型路面铣刨机主要有车架总成、动力系统、行走升降系统、传动罩、工作装置、液压系统、电气系统、洒水系统、输料系统等部件组成，其功能图见图2。

利用FMEA分析方法保证HM2100A型路面铣刨机的可靠性，并分析安全隐患，提出控制措施与事故风险评估，形成系统安全性报告和系统可靠性报告，指导设计及生产。

图2　HM2100A型路面铣刨机功能图

4系统可靠性报告

系统的可靠性设计是指设计时就使产品具备在规定的时间、使用条件下完成所规定性能的能力与性质[3]。系统的可靠性受零部件可靠度、环境因素、操作因素等的影响。

系统可靠性报告包括铣刨机的可靠性要求、可靠性的研发途径、故障模式和影响的分析、可靠性关键部件和可靠性关键特性以及所进行的工业性试验数据的分析。

4.1可靠性要求

按照GB/T 25643—2010《道路施工与养护机械设备路面铣刨机》的规定，铣刨机在完成200 h可靠性试验(或工业性考核)后，可靠性指标应符合以下要求：

1) 工作可靠度(有效度)≥85%。

2) 平均无故障工作时间(平均失效间隔时间)≥120 h。

3) 首次故障前工作时间(平均首次失效前时间)≥120 h。

4.2可靠性的研发途径

1) 设计故障(DFMEA分析方法)。DFMEA，即Design Failure Mode and Effects Analysis,设计失效模式及后果分析，在设计概念最终确定之前开始，在产品开发的各个阶段不断更新，在产品加工图样完成之前完成，用于评估设计输出，识别和消除产品或每一零部件的设计缺陷。主要包括设计故障严重度分级、设计故障频度分级、设计故障探测度分级等。

2) 过程故障(PFMEA分析方法)。PFMEA，即Process Failure Mode and Effects Analysis，过程失效模式及后果分析，在可行性阶段或之前进行，在生产工装、设备或采购准备之前完成，用于评估工艺流程，识别和消除制造/服务过程每一环节的潜在隐患。主要包括过程故障严重度分级、过程故障频度分级、过程故障探测度分级。

3) 风险矩阵。风险矩阵是一种有效的风险管理工具，可应用于分析项目的潜在风险、采取某种方法的潜在风险。

4.3故障模式及后果分析

1) 设计失效模式及后果分析(DFMEA)。分析车架子系统中的底架、水箱、中门部件，铣刨鼓子系统中的铣刨鼓部件，传动系统中的皮带传动部件，边刮板子系统的尾门组件，输料子系统中的输料泵的设计失效模式及后果。主要分析过程包括对潜在的失效模式和潜在的失效后果的严重度进行评级，对潜在的失效起因/机理的频度进行评级，利用现行设计控制方法对该失效模式的探测度、风险顺序数、风险优先矩阵进行评价。在此基础上提出改进措施，并由专人负责执行，并对改进结果进行评审，从而对DFMEA方法的有效性进行评价，主要实施内容如图3所示。

2) 过程失效模式及后果分析(PFMEA)。与DFMEA相同，主要从工艺制造的角度确定各种评价指标，并进行相应的改进。PFMEA的主要内容如图4所示。

3) 可靠性关键部件(RCI)和可靠性关键特征(RCC)。在铣刨机设计及生产期间进行故障模式及影响分析，区分潜在故障模式、查找故障原因、划分故障影响等级，确定可靠性关键部件(RCI)和可靠性关键特性(RCC)，并制定相应的控制措施，详见图5。

设计失效模式及后果分析 车架总成 系统FEMA编号: 车架 子系统DFMEA共1页第1页 部件 水箱 设计责任:水箱设计工程师 编制人: 设计工程师 车型年/车辆类型:HM2100A型铣刨机 关键日期: FEMA日期(编制): (修订):领导人: 供应商: 供应商代码:核心小组(名单): 项目/功能潜在失效模式潜在失效后果SEV严重度S级别潜在失效起因/机理OOC频度现行设计控制预防探测DET探测度RPN风险顺序数RPL风险优先矩阵建议措施责任及目标完成日期措施结果采取的措施SEVOOCDETRPNRPL水箱为整机用水提供储水空间开裂渗漏,不能及时提供用水,工作减弱,影响周围环境7焊接残余应力7增加焊前处理,增加时效处理要求检查图纸,确认有无焊后去应力技术要求4196H增加焊前处理,增加时效处理要求,增加振动试验,增加小组评价水箱设计工程师焊前打好合理的坡口,进行时效处理,降低应力73484H7焊接不当5工艺人员检查与复检6210H进行渗漏试验,观察有无渗漏现象水箱设计工程师渗漏试验73484H

图3　设计失效模式及后果分析表

图4　过程失效模式及后果分析表

图5设计故障关键部件及关键特征

4.4工业试验

工业试验报告主要数据包括：可靠性试验内的累积作业时间tc，可靠性试验累积作业时间内出现的当量故障数rb(rb<1时，按rb=1计算)，故障停机累积时间t1，首次故障前平均工作时间。根据上述数据计算产品的平均无故障工作时间MTBF和可靠度K[6]，即

(1)

(2)

5系统安全性报告

机械设备安全是指从人的安全需要出发，在使用机械设备全过程的各种状态下，达到使人的身心免受外界因素危害的存在状态和保障条件[5]。路面铣刨机产品在预定的使用条件下，执行其预定功能，或在运输、安装、调整、维修、拆卸以及报废处理时不出现损伤或危害人员健康的行为。系统安全性报告包括系统安全性的评估范围及系统安全的实施方法、安全隐患和控制措施及系统安全标准、对关键安全部件及其特性的有效监控。

5.1安全隐患分析

参考MIL-STD-882D系统安全标准，结合事故的严重性和可能性给出评价等级，参照隐患风险指数一览表、事故风险等级、各等级的风险接受部门，HM2100A共有15种隐患，即车辆倾翻、制动失灵、转向失灵、操作人员高处坠落、悬挂输送机脱落、顶棚塌下、发动机顶罩塌下、升降支腿下降、翻转尾门非正常关闭、输送机左右摆动过快、发生火灾、噪音过大、高温烫伤、蓄电池爆炸、高压液体。分析安全隐患，包括潜在隐患效应、潜在原因，确定控制措施和核实标准，有效控制风险。

5.2安全要求核对

参考JB6030—2001《工程机械通用安全技术要求》和GB/T25643—2010《道路施工与养护机械设备路面铣刨机》的相关要求标准执行，详见图5。

安全隐患控制措施核实HM2100A-001车辆倾翻1.装配工艺指导书2.升降油缸检验合格证3.HM2100A型路面铣刨机出厂检验规范第14,16项4.HM2100A型路面铣刨机使用说明书1.2.1.1HM2100A-002制动失灵1.HM2100A型路面铣刨机出厂检验规范第7项2.HM2100A型路面铣刨机使用说明书1.6.13.行走检验合格证4.HM2100A型路面铣刨机检测试验第7项HM2100A-003转向失灵1.HM2100A型路面铣刨机出厂检验规范第16项2.HM2100A型铣刨机机能检验表第3.3项3.装配工艺指导书4.转向油缸检验合格证5.HM2100A型路面铣刨机使用说明书1.6.16.HM2100A型路面铣刨机维修手册1.5.9HM2100A-004操作员高处坠落 1.防滑标识2.质检项目缺失3.HM2100A型路面铣刨机使用说明书1.5.13HM2100A-005悬挂输送机脱落 1.危险警告标识2.装配检验缺失装配检验项目3.装配工艺指导书4.HM2100A型路面铣刨机使用说明1.5.17/1.6.1 5.HM2100A型路面铣刨机维修手册1.5.96.拉伸油缸检验合格证7.钢丝绳检验合格证

图5系统安全核实项目

5.3控制措施的实施

主要对存在的安全隐患采取控制措施，对所涉及的关键件的关键特征进行关键控制。通过计算分析，对铣刨机的横向稳定性及拉伸钢丝绳的安全性进行有效的控制。

6结束语

在路面铣刨机的生产设计中通过应用FMEA方法，对各类潜在失效模式及后果进行详细分析，并制定预防措施，形成系统安全性和可靠性报告。以这两份报告为执行文件，相关部门配合实施，可以提高铣刨机产品质量和安全性，节约人力和物力，积累生产制作经验。

参考文献：

[1] 罗选民.国外冷式路面铣削机械的技术特点及发展趋势[J].筑路机械与施工机械化,1993,10(2):11-13.

[2] 徐文山,刘益民,肖翀宇.国内外沥青路面铣刨机的发展概况[J].筑路机械与施工机械化,2001,18(6):17-19.

[3] 载姆勒克莱斯勒、福特、通用汽车公司.潜在失效模式及后果分析(FMEA)[M].李志颖,兰仲菊,译.载姆勒克莱斯勒、福特、通用汽车公司，2002：1-7.

[4] 鱼永平.机械系统可靠性设计及分析[J].现代制造,2011,15(2):136-137.

[5] 中国机械工业联合会.道路施工与路面养护机械设备路面铣刨机：GB/T 25643—2010[S].北京：中国标准出版社，2011：4.

[6] 周永辉.浅谈机械设备的安全性设计[J].装备制造技术,2010,11(2):156-157.

〔责任编辑： 卢蕊〕

A study on Road Milling Machine Design Methods based on the analysis of FMEA

LENG Zhigang， YAO Kefei

(Prodcut R&D Department, Jiangsu Huatong Kinetics Co.， Ltd， Zhenjiang 212028， China)

Abstract:Taking HM2100A road milling machine as the model， the FMEA method integrated the working condition and design features is applied to the research and development process of the road milling machine. It makes the in-depth analysis of the various problems that may arise in the different systems， presents the preventive measures for its effective control， and works out a safety and reliability report of the specialized system. Application results show that the adopted method greatly has improved the product’s safety and reliability， and furthermore it has provided an important solution to save the research costs and shorten the production cycle.

Key words:road milling machine; FMEA; system safety; system reliability

作者简介：冷志刚(1974—)，男，江苏镇江人，工程师，主要从事路面工程机械设计研究；姚柯飞(1988—)，男，陕西西安人，工程师，主要从事路面工程机械设计研究。

收稿日期：2015-09-10

中图分类号：U418.3

文献标志码：C

文章编号：1008-8148(2016)01-0059-05