居艷梅

（上海柴油機股份有限公司，上海200438）

0 前言

近年來，我國的農業(yè)正從傳統(tǒng)農業(yè)向現代化農業(yè)轉型，對機械化、智能化的需求越來越突出。隨著國家提升農機化水平及加快農村基礎設施政策的實施，我國的農業(yè)機械行業(yè)得到顯著的發(fā)展。從國家農業(yè)機械 （以下簡稱農機）化發(fā)展戰(zhàn)略要求看，目前我國農機化發(fā)展正處于中級階段。根據 《國務院關于加快農業(yè)機械化和農機工業(yè)又好又快發(fā)展的意見》要求，到2020年，我國綜合農機化率要達到65%以上。拖拉機作為農機產品的動力源，其市場需求空間很大。

拖拉機是用于牽引和驅動作業(yè)機械完成各項移動式作業(yè)的自走式動力機，也可做固定作業(yè)動力。我國生產的農用拖拉機大都采用柴油機。目前S公司在農業(yè)機械行業(yè)配套的主要業(yè)務是拖拉機及收獲機械，S公司非常重視農機產品的質量表現，特別是整車零公里故障以及早期故障。

曾經，接客戶反饋，他們在裝配拖拉機前托架與發(fā)動機油底殼過渡板的連接螺栓時，過渡板發(fā)生螺孔開裂故障。過渡板是連接拖拉機與發(fā)動機的零件，為鑄件，是S公司的外購件。接到此報修后，S公司立即成立專項分析小組，快速分析原因。

1 質量分析工具簡介

質量問題的分析工具有很多，如關聯(lián)圖、親和圖、樹圖，矩陣圖等。本案采用樹圖分析工具。樹圖［1］，又稱系統(tǒng)圖。它是按照 “主題—主要類別—組成要素—子要素”的順序，將主題分解或者分層，不斷地增加細節(jié)內容，目的是將籠統(tǒng)的主題分解成較小的具體類別，使其變得更易于理解和解決。樹圖分析工具有4種類型，即 “目標—手段”型、“問題—原因”型、“組織結構圖”型和 “項目管理”型。其中的 “問題—原因”型，是用于分析質量問題與其影響因素之間的因果關系的，采用此工具可以尋求問題的根本原因和對策措施。在根原因分析中，樹圖的主要用途是把任務組織成符合邏輯的活動和策劃解決方案的實施過程［2］。該方法一般步驟如下：1）簡潔明了地描述待研究的主題 （目標、問題等）；2）構造樹圖，即主題和主要類別的關系；3）針對主題的主要類別確定其組成要素和子要素；4）最后評審樹圖，確保在順序和邏輯上均沒有差錯和空當。

2 故障描述

拖拉機整車廠裝配前托架時，在擰緊柴油機油底殼過渡板與前托架連接的緊固螺栓過程中，過渡板上端的螺孔處發(fā)生斷裂，左右2個螺孔均發(fā)生斷裂，故障率約為8.7%。斷裂情況如圖1所示。

圖1 過渡板上端螺孔開裂

3 故障原因分析

拖拉機車型的結構特點之一是將發(fā)動機的油底殼作為整車大梁來使用。本案涉及到的拖拉機車型，其前端是整車前托架和前橋，前托架與發(fā)動機的油底殼過渡板連接，其后端是后橋和整車變速箱，整車變速箱與發(fā)動機飛輪殼連接。整車的前橋很重，所以油底殼過渡板及緊固螺栓承受很大的外力。

利用樹圖分析工具，結合整車安裝結構，分析出可能導致油底殼過渡板螺孔開裂的影響因素，如圖2所示。

采用樹圖工具，可分析出最可能的影響因素：1）過渡板制造質量缺陷；2）托架裝配問題；3）過渡板設計缺陷。然后根據可能的影響因素確定查找原因的路徑：1）對過渡板故障件進行分析 （尺寸、材質）；2）對前托架的裝配工藝過程進行調查分析；3）對過渡板設計強度進行確認。

圖2 過渡板開裂原因分析樹圖

3.1 過渡板故障件分析

3.1.1 關鍵尺寸檢測

對2個故障件進行全尺寸測量，測量結果全部合格，僅是斷裂處螺紋位置度超差，經分析后判斷應該是受力后變形所致。

3.1.2 材質分析

對故障件進行材料機械性能檢測分析，檢測結果見表1。根據相關標準要求，此壁厚尺寸的本體抗拉強度應≥200 MPa，硬度≥168 HB；而故障件本體實測抗拉強度為182～183 MPa，抗拉強度和表面硬度均未達到標準要求。過渡板的供應商認為：由于此零件的輪廓尺寸比較大，壁厚較厚，鑄件凝固過程中的冷卻速度有一定的要求；可能此次因某種原因使冷卻速度變慢了，導致本體強度偏低；為防止今后再出現此類問題，他們需要采取措施，確保過渡板鑄造過程中的冷卻速度達到要求。

過渡板供應商提供的產品是S公司的免檢產品，之前一直沒有這方面的質量問題。

表1 過渡板機械性能分析結果

3.2 裝配過程排查

3.2.1 螺栓裝配扭矩

過渡板螺孔裝配的連接螺栓規(guī)格為GB／T5783-M20×2.5×55-10.9， 根據相關標準要求， 扭矩范圍460～600 Nm，現場裝配扭矩要求為 （500±25）Nm，定扭矩風槍扳緊。從現場調查情況看，裝配扭矩控制正常。

3.2.2 前托架安裝工藝

前托架事先與拖拉機的前橋進行裝配，然后再與過渡板連接。與過渡板連接的工藝如下：1）在過渡板的定位孔內敲入定位套 （如圖3中的2號位）；2）吊起前托架與前橋的裝配部件至油底殼過渡板，將前托架上定位孔對齊過渡板上的定位套，使定位套裝入定位孔；3）安裝并預緊1號位（此位置發(fā)生螺孔開裂）螺栓，利用這2個螺栓的拉力，將前托架與過渡板合攏；3）安裝并預緊其余螺栓；4）按1-2-3-4順序擰緊所有螺栓至規(guī)定扭矩。

圖3 前托架螺栓裝配及擰緊順序示意

前托架與前橋的裝配部件因其質量大 （約720 kg）而在吊裝過程中難與過渡板準確對中，其晃動的慣性力容易在安裝螺栓過程中損壞過渡板上端的螺孔。此裝配工藝需要改進。

3.3 過渡板設計強度確認

建立油底殼過渡板的有限元3維模型 （見圖4），對系統(tǒng)做計算機輔助工程 （CAE）強度分析和計算，以評估現狀產品的過渡板在螺栓緊固后的螺栓孔區(qū)域的應力情況。有限元分析的邊界條件見表2。

圖4 過渡板的3維分析模型

表2 有限元分析邊界條件

CAE分析計算結果，即螺栓緊固后過渡板螺栓孔區(qū)域應力分布如圖5所示。分析計算結果顯示：最大拉應力處的應力為55 MPa， ＜250 MPa，滿足抗拉要求；最大壓應力處的應力為170 MPa，＜650 MPa，滿足抗壓要求。

圖5 螺栓緊固后過渡板螺栓孔區(qū)域應力分布

根據有限元分析結果可以判斷，過渡板圖紙上提出的強度要求是合理的，能夠滿足整機的使用可靠性。螺孔開裂的主要原因為：零件本體抗拉強度偏低、及前托架安裝工藝不合理。在安裝前托架過程中，先裝過渡板最上面2只螺孔 （即斷裂的螺孔），以利用螺栓的拉力，將前托架拉向柴油機；但在吊裝的過程中，晃動著的前托架難以與柴油機準確對中，導致這2個螺孔附近受力過大，出現了螺栓擰緊過程中過渡板上螺孔斷裂的故障。

4 改進措施及驗證

4.1 確保過渡板本體抗拉強度

為確保過渡板抗拉強度，供應商提出在過渡板本體材料HT250中增加Cu合金，使鑄件本體的抗拉強度滿足≥200 MPa的要求。對改進后的過渡板進行抽樣檢驗，檢查結果表明改進后的過渡板的本體抗拉強度達到215 MPa、245 MPa，表面硬度達到168 HB，符合技術要求。檢驗結果如表3所示。

表3 改進后過渡板機械性能檢驗結果

4.2 優(yōu)化前托架裝配工藝

將前托架裝配調查的情況與主機廠進行溝通和確認，并希望整車廠調整前托架和前橋裝配部件的裝配工藝：先安裝定位套處的2只螺栓，因為定位套處的螺栓軸向力作用在油底殼上，再安裝其余的螺栓。改進后的工藝要求如下：1）安裝過渡板上的定位套，并確保定位套完全安裝到位；2）安裝前托架與前橋的裝配部件，安裝過程中，要求定位套對齊裝入前托架上的銷孔內；3）安裝定位套位置上的螺栓并預擰緊，然后依次安裝并預擰緊4號位、3號位和1號位的螺栓；最后按照2、4、3、1的順序依次將4個位置的螺栓擰緊至規(guī)定扭矩（見圖2）。

4.3 驗證改進效果

按照以上2種措施改進后，跟蹤3個月，在客戶裝配過程中未再發(fā)生過渡板螺孔開裂的故障，證明改進方案有效。

5 結論

原因分析是解決問題很重要的一環(huán)，很多時候，問題長時間得不到解決，主要的原因就是沒有識別到問題的根本原因。問題根源找到了，后續(xù)的改進就會得以順利進行。分析環(huán)節(jié)中最大的挑戰(zhàn)之一是正確地使用分析工具。根本的原則是能夠用簡單的工具找到根本原因的，就不用復雜的工具。對大多數的故障來說，關聯(lián)圖、樹圖、矩陣圖等7種工具對團隊分析故障的原因基本已能滿足［3］，個別較多相關因素糾纏混雜在一起的復雜故障，再用更高級的統(tǒng)計技術或分析工具。

本案例采用樹圖工具，快速明確了分析方向，找到問題的根本原因。從問題發(fā)生到改進措施落實用了較短的時間，達到了快速解決問題的目的。

本案例中對故障發(fā)生的過程進行了深入分析，識別出引起故障的環(huán)節(jié)，即裝配過程的不合理性。針對裝配工藝進行了改善，后續(xù)裝配過程中未再出現過渡板斷裂的故障，取得了較好的效果。

失效件是在與相關件或環(huán)境作用的過程中發(fā)生故障，所以分析故障原因時，很有必要將失效件重新 “放入”其工作環(huán)境中進行考慮。過渡板就是其在與相關零件連接過程中出現故障的，因此把它還原到過程中，有了新的發(fā)現，原因分析也就更徹底。