新型饲草揉碎机在运行过程中存在核心零部件故障率高等问题[1]，严重影响了揉碎机的性能和使用寿命。因此，为达到国家规定的饲草加工类机械的可靠性要求，需要对新型饲草揉碎机的可靠性进行预测的基础上结合可靠性目标重新分配各子系统的可靠性。近年来，在可靠性预测和分配方面，DI BONA等[2]提出了一种综合考虑子系统危害度、复杂性、功能数量、工作时间、技术指标和电子功能指数等影响因素的IFM方法对电子元器件进行可靠性分配。LI等[3]综合考虑了子系统复杂度、维修性、成本、环境条件、技术水平和运行时间等方面，采用语言智能方法对模糊信息进行评价，通过引入安全系数，将结果的精确值转换为区间，并在加工中心系统中应用。陈超等[4]在IFM方法的基础上，引入了适配于农机的影响因素，提出了适用于农业机械可靠性分配的改进IFM方法。杜丽等[5]针对可靠性的预测过程中为了降低数据缺少和主观因素的影响，将相似产品法与模糊综合评价法相结合，并对柴油机进行可靠性预测。黄洪钟等[6]为降低可靠性预测和分配中的主观性，将最优最劣法引入模糊综合评价法，并将此方法应用在工业机器人的可靠性预测与分配中。在饲草揉碎机可靠性预测方面，ZHAI等[7]将线性累积损伤模型和对数正态分布模型应用于饲草揉碎机抛送叶轮进行疲劳寿命预测。ZHAO等[8]通过双向流固耦合方法获得转子的应力-载荷谱，对转子的疲劳寿命进行了预测。由于上述研究成果可靠性预测和分配方法在一定程度上不能直接应用于饲草加工类机械，因此为了更好地满足饲草加工类机械的可靠性分配需求，本文以新型饲草揉碎机为例，采用专家评分法对新型饲草揉碎机系统可靠度进行预测，基于预测结果与可靠性目标，采用改进IFM方法对新型饲草揉碎机进行可靠性分配以提高整机可靠性，以期为饲草加工机械可靠性预测与分配提供方法参考。1可靠性预测与分配1.1可靠性预测流程及方法可靠性预测是对系统在特定条件下的可靠度进行评估的过程，包括子系统可靠性预测与系统可靠性预测[9]。进行可靠性预测时，先按照零部件实际使用过程中的故障数据确定其失效概率，之后根据工作环境选取相应修正系数计算子系统的可靠度，再由各子系统的可靠度推算出整个系统的可靠度[10]。可靠性预测流程见图1。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2024.01.022.F001图1可靠性预测流程机械系统一般是由多个子系统构成，由子系统的可靠度推算出系统可靠度[11]。通过样机可靠性试验与相似机械故障数据获得零部件的基本失效率，获得零部件基本失效率后可对子系统可靠度进行预测，其实际失效率可通过设备的工作环境计算。λ=KF·λG (1)式中：KF为失效率修正系数，对于固定地面设备一般取值为5~20[12]；λG为零部件基本失效率（h）。饲草加工机械一般为串联系统，各子系统（或零部件）同时参与工作，冗余设计较少。子系统（系统）可靠度Rs为其相互独立的零部件（或子系统）可靠度的乘积[13]。RS=R1R2⋯Rn=∏i=1nRi (2)式中：Rs为子系统（系统）可靠度（%）；Ri为其各零部件（或子系统）的可靠度（%）。由于各子系统是由多个零部件构成，各零部件一般都是在偶然失效期才正常工作，偶然失效期的特点是失效率低而稳定，可近似地认为其可靠度函数服从指数分布[14]。Ri=e-λi∙t (3)式中：Ri为零部件可靠度；t为目标工作时间（h）。将公式（3）代入公式（2）可得子系统可靠度。Rs=e-λs∙t (4)确定各零部件实际失效率后由公式（3）和（4）可求得子系统的失效率。λs=λ1+λ2+λ3+⋯λn=∑i=1nλi (5)式中：λS为子系统失效率（h）；λi为各零部件的实际失效概率（h）。考虑到饲草加工机械机型更新迭代速度快，且缺少准确的故障数据，本文结合专家评分法进行系统可靠性预测，根据复杂度、技术水平、工作时间等对系统可靠性的影响差异，由专家对组成系统的各个子系统进行评分[15]，通过已知子系统的故障率，推出其余子系统的故障率，从而预计系统的可靠性。通过已知的子系统故障率λ*（h），可计算出其余子系统的故障率λi（h）：λi=λ*×Ci (6)Ci=Wi/W* (7)Wi=∏j=14rij (8)式中：Ci为系统中的第i个子系统的评分系数，i=1,2,⋯,n-1；W*为已知故障率为λ*的子系统评分数；Wi为系统中第i个子系统评分数；rij为第i个子系统第j个因素的评分数；j=1,2,3,4分别为复杂度、技术水平、工作时间和环境条件。1.2可靠性分配流程可靠性分配可使设计人员对系统中各部件之间的可靠性关系有一个清晰的认识。从更多的角度进行综合分析，可实现系统可靠性的最佳化[16]。对于复杂机械系统的可靠性分配，指标分配的重点应该多放在危害度大的关键零部件上，关键零部件的选取需要结合故障模式及危害性分析（FMECA）结果确定[17]。在新型饲草揉碎机可靠性设计与分析阶段，基于饲草揉碎机可靠性预测结果与可靠性目标再对其进行可靠性分配。可靠性分配采用改进IFM方法。此方法是在IFM方法基础上，去除饲草加工机械对原IFM方法中的不敏感因素，引入新的敏感因素的方法。饲草的加工机械存在首次故障前平均工作时间短以及对成本要求敏感等特点，除了考虑子系统危害度、改进潜力、复杂度及维修性等影响因素之外，还需考虑稳定性和成本敏感性对可靠性进行分配。在分配之前，需要通过FMECA分析确定新型饲草揉碎机的关键失效模式以及各故障模式的危害度、维修性、稳定性以及成本敏感性等基础数据[18]，之后采用改进IFM方法重新分配各子系统的可靠度。可靠性分配流程见图2。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2024.01.022.F002图2可靠性分配流程1.2.1FMECA分析FMECA是一种应用广泛的评估产品可靠性的方法。FMECA可以实现对系统故障模式的分析，找出故障产生的原因，通过对严重度和发生度评分的方式找出危害较大的故障模式，确定系统的薄弱环节[19]，尽可能地避免危害性大的故障模式，改善系统的薄弱环节，以提升系统的可靠性。1.2.2改进IFM评分矩阵的计算（见表1、表2）根据FMECA分析结果，计算出所有子系统可靠性分配影响因素的归一化值，得出各子系统失效率权重。（1）子系统危害度。危害度指子系统失效模式的严重度与发生度的综合度量。机械产品的严重度和发生度等级评定见表1[20]。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2024.01.022.T001表1机械产品的严重度和发生度等级评定评定等级严重度发生度影响定义程度定义10非常严重造成人员或财产重大损失经常发生故障模式发生的可能性高7、8、9较严重影响任务完成，不至危及安全有时发生故障模式发生的可能性较高4、5、6一般影响系统功能受到负面影响，系统性能降低偶尔发生故障模式发生的可能性较低1、2、3轻微影响系统性能受到轻微影响极少发生故障模式发生的可能性极低该系统共包含n个子系统，其中子系统i包含m种失效模式，第j种失效模式的严重度为Sij，发生度为Oij，则定义该失效模式的危害度RPN为：RPNij=Sij∙Oij (9)按公式（8）计算危害度指标会将部分严重度信息覆盖掉，为减少危害度极大故障的发生概率，考虑危害度等级的非线性，重新定义严重度为[21]：Sij̃=exp a⋅Si˙j (10)式中：a为待定系数，其值越大，转换后的差异性越大，通常取值0.8[21]。将子系统各失效模式中RPN的最大值作为整个子系统i的危害度（ωi1），即：ωi1=max expa⋅Si˙j∙Oij, j=1, 2,⋯m (11)（2）子系统改进潜力。改进潜力是指为提高单元可靠性所需付出的努力。在大部分机械系统中，失效率越高的子系统更容易改进，具有较高的改进潜力。假设改进潜力的变化率与故障率的变化率成正比[22]，定义子系统i的改进潜力（ωi2）为：ωi2=-ln λir (12)式中：ωi2为子系统改进潜力，其值越大，改进所需付出努力越大；r为待定常数。考虑到新研发的产品无法获取故障率数据，通过经验公式计算出子系统每种失效模式的故障率λij（/h）。λij=exp -9.993+0.770 2Oij (13)整个子系统的故障率可由各失效模式累加得到：λi=∑j=1mλij (14)（3）子系统复杂度。子系统复杂度（ωi3）可通过子系统i包含的零件数量Ni占整个系统包含的零件数量的比例计算，即：ωi3=Ni∑i=1nNi (15)（4）子系统维修性。维修性指可维修的子系统在规定条件下按规定程序和方法进行维修，恢复规定功能状态的能力，对于饲草加工机械，本文以停机时间作为维修性评价参考标准[23]，维修性评价参考标准见表2。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2024.01.022.T002表2维修性评价参考标准等级246810停机时间/h12024821/3则子系统维修性（ωi4）定义为：ωi4=∑j=1mMij∙Oij∑j=1mOij (16)式中：Mij为子系统i的第j种失效模式的维修性评级；Oij为子系统i的第j种失效模式的发生度评级。（5）子系统稳定性。稳定性是指系统在一个运行周期内、在规定环境条件下承受相应的工作载荷，且在工作时间内不出错的概率[24]。子系统稳定性可以通过平均无故障工作时间（ωi5）体现。（6）子系统成本敏感性。在可靠性配置中，需要在保证可靠性的前提下尽可能降低成本。因此，在可靠性分配中应考虑成本敏感性。较低的成本敏感性表明提高子系统可靠性所需成本较低[25]。子系统成本敏感性（ωi6）定义为：ωi6=ACAR (17)式中：AC为可靠性成本增量（万元）；AR为可靠性增量（%）。（7）失效率权重。根据上述6种影响因素可以计算出失效率权重，其中失效率权重ωi与危害度ωi1和成本敏感性ωi6呈负相关，ωi1和ωi6数值越大，分配的失效率权重就越小；失效率权重ωi与子系统改进潜力ωi2、复杂度ωi3、维修性ωi4、稳定性ωi5呈正相关，ωi2、ωi3、ωi4和ωi5数值越大，分配的失效率权重就越大；因此，定义第i个子系统的故障率分配权重为（ωi）：ωi=ωi1-1ωi2ωi3ωi4ωi5ωi6-1∑i=1nωi1-1ωi2ωi3ωi4ωi5ωi6-1 (18)1.2.3子系统可靠度分配计算出子系统故障率分配权重后，可求得各子系统分配的可靠性，计算公式如下：λu=1-Rtωi (19)式中：λu为子系统故障率（/h），Rt为可靠性目标值，ωi为失效率权重。Ru=1-λu (20)式中：Ru为子系统可靠性。2新型饲草揉碎机可靠性预测与分配2.1新型饲草揉碎机可靠性预测结果（见表3~表6）新型饲草揉碎机（T）分为动力传动部分（A）、转子部分（B）、揉碎机机壳（C）和其他部分（D）等4个子系统[26]，其中转子部分主要由转子轴、动刀、锤片、锤架板、销轴、套筒、抛送叶片和轴承等组成。试验对新型饲草揉碎机9R-50A样机进行了故障测试，其配套动力为5.5 kW，转子最大工作直径为500 mm，度电产量≥90 kg/(kW·h)，揉丝率≥70%。结合内蒙古农机鉴定站提供的10台饲草揉碎机故障数据进行故障率初始值评价，取其均值可得转子部分零部件故障率初始值（λG），新型饲草揉碎机属于固定地面设备，失效率修正系数取值为5~20。根据公式（1）计算可得转子部分各零部件的故障率修正值（λ）。由公式（1）以及表3中各零部件的故障率修正值可计算出转子部分的实际故障率为5.34×10-5 /h。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2024.01.022.T003表3转子部分零部件故障率项目转子轴锤片抛送叶片架板轴承λG2.30×10-71.73×10-63.75×10-73.32×10-73.02×10-6λ3.03×10-62.60×10-53.75×10-63.32×10-61.73×10-5h为了预测新型饲草揉碎机的系统可靠性，邀请5位行业专家从复杂度（ri1）、技术水平（ri2）、工作时间（ri3）和环境条件（ri4）对新型饲草揉碎机各子系统进行评分[27]。专家评分结果见表4。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2024.01.022.T004表4专家评分结果项目ABCDri13822ri27653ri310101010ri41311由已知的转子系统故障率与新型饲草揉碎机各子系统专家评分结果按照公式（6）~（8）可以计算出各子系统评分数（Wi）、评分系数（Ci）和故障率（λi）。由表5可知，通过专家评分法计算出新型饲草揉碎机中各子系统的故障率，转子部分最容易发生故障，与新型饲草揉碎机的样机试验情况相符。新型饲草揉碎机的设计寿命为5 760 h。由公式（4）和（5）可求得新型饲草揉碎机及各个子系统的故障率（λ）与可靠度预测值（R）。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2024.01.022.T005表5专家评分数据结果项目ABCDWi2101 44010060Ci0.142 81.000 00.069 40.041 6λi/h1.04×10-55.34×10-53.71×10-62.22×10-6由表6和公式（2）可知，新型饲草揉碎机的系统可靠度为0.668。根据我国规定的农牧业机械的标准，新型饲草揉碎机的系统可靠度在规定年限内应达到0.9以上[28]。由于可靠度预测值可知其不满足饲草揉碎机系统可靠度要求，需对其可靠性进行重新分配。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2024.01.022.T006表6可靠性预测结果项目ABCDTΛ/h1.04×10-65.34×10-53.71×10-62.22×10-66.97×10-5R0.9410.7350.9790.9870.6682.2新型饲草揉碎机可靠性分配2.2.1新型饲草揉碎机FMECA分析（见表7）10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2024.01.022.T007表7新型饲草揉碎机的简化FMECA分析[30]故障部位失效模式严重度发生度严重度转换值转换后RPN维修性平均无故障工作时间/h成本敏感性动力与传动部分电机报废1022 980.958 05 961.916 04323.900.45V带轮连接键压溃72270.426 4540.852 810电机运转无力72270.426 4540.852 86V带断裂85601.845 03 009.225 010V带打滑5454.598 2218.392 810电机机架抖动严重5854.598 2436.785 68转子部分锤片过量磨损31011.023 1110.231 06109.760.15轴承严重磨损或碎裂5454.598 2218.392 88转子转动不平衡610121.510 41 215.104 06转子轴弯曲严重83601.845 01 805.535 05转子轴疲劳断裂1022 980.958 05 961.916 05架板与转子轴连接处开裂5454.598 2218.392 87锤片、动刀紧固件紧固失效85601.845 03 009.225 010锤片疲劳断裂62121.510 4243.020 86动刀疲劳断裂或崩刃83601.845 01 805.535 06抛送叶片疲劳断裂1042 980.958 011 925.832 06揉碎机机体进料斗、出料管与机体紧固件松动5454.598 2218.392 510227.040.40定刀裂纹或断裂72270.426 4540.852 86定刀与下机壳紧固件松动41024.532 5245.325 010齿板过量磨损64121.510 4486.041 66定刀崩刃82601.845 01 203.690 08机体振动严重610121.510 41 215.104 010上、下机壳连接处松动5854.598 2436.785 610饲草揉碎机系统可靠性关键失效模式的选取应基于FMECA分析及可靠性关键失效模式判别准则。可靠性关键失效模式判别准则为[29]：（1）失效模式会使饲草揉碎机功能严重下降或完全丧失，即该失效模式的严酷度等级大于4时，可确定为可靠性关键失效模式。（2）失效模式的严酷度类别小于4时，应结合失效率等级和失效模式严酷度等级，进行危害性分析来判断其是否为可靠性关键件，当失效模式的严酷度与发生度之和大于等于10的失效模式均为可靠性关键失效模式。根据FMECA分析结果及可靠性关键失效模式判别准则，确定饲草揉碎机的可靠性关键失效模式，得到简化的FMECA分析结果。根据公式（15）~（17），可计算维修性、稳定性和成本敏感性等影响因素。2.2.2新型饲草揉碎机IFM评分矩阵（见表8）根据FMECA分析结果，通过公式（9）~（17）计算得出各子系统可靠性分配影响因素的归一化值，通过公式（18）可计算得出各子系统故障率分配权重，形成IFM评分矩阵。由表8可知，本文采用的改进IFM方法为揉碎机机体分配了较高的失效率权重，原因是其在工作时几乎不会出现造成人身伤害且维修耗时长的故障；转子部分虽然零件数量多、稳定性较差、成本敏感性低，但危害度极大，容易造成人身伤害，因此为其分配了较低的失效率权重；动力传动部分改进潜力小、复杂度低、稳定性差，且成本敏感性高，因此为其分配最低的失效率权重。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2024.01.022.T008表8新型饲草揉碎机IFM评分矩阵项目危害度改进潜力复杂度维修性稳定性成本敏感性失效率权重动力与传动部分0.311 80.545 80.140 60.277 50.490 20.450.160 4转子部分0.629 40.232 90.593 70.375 70.166 10.150.197 1揉碎机机体0.058 80.221 30.265 70.346 80.343 70.400.642 52.2.3可靠性分配结果（见表9）规定饲草揉碎机工作5 760 h时的可靠性目标为0.9，通过公式（19）和（20）可计算出各子系统分配的故障率和可靠性。由表9可知，动力与传动部分与转子部分失效将会产生较严重的后果，常会导致系统的失效，故分配了较高的可靠度；而揉碎机机体几乎不会失效故分配了较低的可靠度。由公式（2）可计算重新分配各子系统可靠度后整机的可靠度为0.902 59，满足饲草揉碎机系统可靠性要求，因此改进IFM方法分配结果合理。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2024.01.022.T009表9可靠性分配结果子系统故障率可靠度动力与传动部分0.016 040.983 96转子部分0.019 710.980 29揉碎机机体0.064 250.935 753结论本研究表明，使用专家评分法计算得出新型饲草揉碎机故障率为6.97×10-5/h。整机可靠度的预测值为0.668，不满足饲草揉碎机系统可靠度0.9的要求，需对其可靠性进行重新分配。改进IFM方法为揉碎机机体分配了较高的失效率权重和较低的可靠度；为转子部分与动力传动部分分配了较低的失效率权重和较高的可靠度。重新分配各子系统可靠度后整机的可靠度为0.902 59，满足了饲草揉碎机系统可靠性的要求，分配结果合理。