第1章_机械故障规律

1、第一章第一章 机械故障规律机械故障规律n1.1 机械可靠性机械可靠性n1.2 机械维修性机械维修性 n1.3 机械故障的定义、分类及其模式机械故障的定义、分类及其模式 n1.4 机械故障特征及其发生规律机械故障特征及其发生规律n1.5 机械故障迹象及其特征参量机械故障迹象及其特征参量 1.1 机械可靠性机械可靠性n1.1.1 机械可靠性定义机械可靠性定义 n1.1.2 机械可靠性数量指标机械可靠性数量指标1.1.1 机械可靠性定义机械可靠性定义 为了使系统、机械、设备、部件或零件为了使系统、机械、设备、部件或零件等尽可能少发生故障，以求满意地完成它等尽可能少发生故障，以求满意地完成它们各自的功

2、能，人们所采用的有关工程方们各自的功能，人们所采用的有关工程方法就是可靠性技术。法就是可靠性技术。机械产品机械产品的可靠性是的可靠性是指某产品在指某产品在规定的条件规定的条件下，在下，在规定的时间规定的时间内，无故障地完成其内，无故障地完成其规定功能规定功能的能力。的能力。 机械产品机械产品 根据所研究的对象不同，机械产品可以根据所研究的对象不同，机械产品可以是单个零件、部件、整台机械或机械系是单个零件、部件、整台机械或机械系统。当所研究的产品是一个复杂的机械统。当所研究的产品是一个复杂的机械系统时，则应包括人的判断及操作等因系统时，则应包括人的判断及操作等因素在内素在内；规定条件规定条件 除

3、了规定载荷、温度、湿度、压力及介除了规定载荷、温度、湿度、压力及介质等环境条件外，对使用方法和维护方质等环境条件外，对使用方法和维护方法也必须加以规定法也必须加以规定 规定时间规定时间 指所研究的产品应达到的工作期限。可以指所研究的产品应达到的工作期限。可以用时间表示，也可以用相当于时间的指标用时间表示，也可以用相当于时间的指标来表示，如运转次数、运行距离、和应力来表示，如运转次数、运行距离、和应力循环次数等。另外，还包括连续使用、间循环次数等。另外，还包括连续使用、间歇使用、长时间作用或短时间作用等各种歇使用、长时间作用或短时间作用等各种时间概念的规定时间概念的规定 规定功能规定功能 指产品

4、的性能指标，如产品质量、生产效指产品的性能指标，如产品质量、生产效率、工作精度载重量及功率等。当这些指率、工作精度载重量及功率等。当这些指标随时间的变化超过规定极限值时，机械标随时间的变化超过规定极限值时，机械将发生故障。因此，除了对衡量功能的指将发生故障。因此，除了对衡量功能的指标作规定外，对产品可能发生的各种故障标作规定外，对产品可能发生的各种故障形式及故障判别原则都应有明确的规定形式及故障判别原则都应有明确的规定 1.2.2 机械可靠性数量指标机械可靠性数量指标 机械可靠性是评价产品质量的指标之一机械可靠性是评价产品质量的指标之一 , 因而需要有一些能够对可靠性加以定量表因而需要有一些能

5、够对可靠性加以定量表示的指标。有了可靠性的数量指标示的指标。有了可靠性的数量指标, 就可以就可以利用各种数学方法来计算和评价产品的可利用各种数学方法来计算和评价产品的可靠性。靠性。 在可靠性技术中在可靠性技术中, 把抽象的可靠性把抽象的可靠性用数学形式的概率表示。衡量可靠性的概用数学形式的概率表示。衡量可靠性的概率统计指标很多率统计指标很多, 下面将介绍常用的几个指下面将介绍常用的几个指标标 可靠可靠度度 R(t)R(t) 可靠度就是产品在规定条件下可靠度就是产品在规定条件下, , 在规定时间在规定时间内内, , 无故障地完成其规定功能的概率用无故障地完成其规定功能的概率用R(t)R(t)表示

6、。图表示。图1-11-1为可靠度曲线。由图可见为可靠度曲线。由图可见，产产品的可靠度品的可靠度 R(t)R(t)是时间是时间t t的函数的函数， 随着时随着时间的增长间的增长，产品的可靠度会越来越低产品的可靠度会越来越低，它是它是一个介于一个介于1 1与与0 0之间的数之间的数，即即0R(t)10R(t)1图 2 - 1图 2 - 2图1-1 可靠度曲线 图1-2 故障概率曲线故障概率故障概率 F(t) 相对于可靠度相对于可靠度，即不发生故障的概率而言即不发生故障的概率而言，那么那么，发生故障的概率就称之为不可靠度发生故障的概率就称之为不可靠度。又称故障概率又称故障概率，用用F F（t t）表

7、示。表示。 图图1-21-2为故障概率曲线。由图可见为故障概率曲线。由图可见，产品的产品的故障概率故障概率F(t)F(t)也是时间也是时间t t的函数的函数, , 随着时间随着时间的推移的推移, , 产品的故障概率会越来越大产品的故障概率会越来越大, , 它是它是一个介于一个介于0 0与与1 1之间的数之间的数, ,即即0F(t)10F(t)1。故障故障概概率密度函数率密度函数 f(t)f(t) 故障概率是一个研究产品故障规律的故障概率是一个研究产品故障规律的重要概念。为了描述产品故障分布曲线重要概念。为了描述产品故障分布曲线, , 经常要用到故障概率密度函数的概念。经常要用到故障概率密度函数

8、的概念。通通常是把故障概率常是把故障概率 F(t)的导数称为该故障概率的的导数称为该故障概率的概率密度函数概率密度函数f(t)，即即 )()()(tFdttdFtf（1-3） 如果根据试验和相应的理论分析，某产如果根据试验和相应的理论分析，某产品的故障概率密度函数品的故障概率密度函数f(t)的分布规律的分布规律已知的话，便可求出该产品在已知的话，便可求出该产品在0t时间时间间隔的故障概率，即间隔的故障概率，即tdttftF0)()(（1-4） 如如果果某产品故障分布的概率密度函数以曲线某产品故障分布的概率密度函数以曲线f(t)来表示来表示,那么该产品在规那么该产品在规定时间定时间t内的故内的故

9、障概率障概率，就相当于在就相当于在f(t)曲线下曲线下, 在在Tt的的区间内区间内画画影线那部分的面积影线那部分的面积, 见图见图2-3所示所示 同理同理 , 可推导出可靠性可推导出可靠性函数函数 R(t)与故障概与故障概率密度函数率密度函数 f(t)之间的关系为之间的关系为: ttdttfdttftFtR)()(1)(1)(0（1-5） 可以看出可以看出, 在在f(t)曲线下曲线下, 在在t区间内的面积区间内的面积就相当于就相当于 R(t)。图。图1-3 故障概率密度函数故障概率密度函数f(t) 综上所述综上所述, 可可见见可靠度函数可靠度函数 R（t）与故障）与故障概概率函数率函数 F(t

10、) 成互补关系成互补关系；而故障概率函数而故障概率函数F(t)与故障概率密度函数与故障概率密度函数 f(t) 成微积分关系。成微积分关系。所以所以, 在研究产品的可靠度在研究产品的可靠度 R(t) 时时, 既可以既可以F(t)着手，也可以从着手，也可以从f(t)开始研究。开始研究。图1-3 故障概率密度函数f(t)1.2 机械的维修性机械的维修性n1.2.1 维修性与可靠性的关系维修性与可靠性的关系n1.2.2 维修性的定性要求维修性的定性要求n1.2.3 维修性的定量要求维修性的定量要求n1.2.4 机械的有效度机械的有效度 1.2.1 维修性与可靠性的关系维修性与可靠性的关系 可靠性反映产

11、品是否经久耐用，而维修性则表可靠性反映产品是否经久耐用，而维修性则表明产品发生故障后是否易于明产品发生故障后是否易于诊断和修复诊断和修复。提高可靠。提高可靠性就是要延长产品的正常性就是要延长产品的正常工作时间工作时间，而提高维修性，而提高维修性就是要缩短产品的停修（非工作）时间。维修性的就是要缩短产品的停修（非工作）时间。维修性的度量不仅涉及维修度量不仅涉及维修对象本身对象本身，而且涉及，而且涉及维修人员维修人员、装备、方式、方法装备、方式、方法等条件，因此只能在规定条件下等条件，因此只能在规定条件下加以度量。加以度量。 具有良好具有良好维修性维修性的产品其维修的产品其维修所需时间短、所所需时

12、间短、所需设备少、所需维修人员需设备少、所需维修人员技术级别不高且便于组织技术级别不高且便于组织管理和采用先进的维修方式方法。管理和采用先进的维修方式方法。 制造尽可能少发生故障的产品是制造尽可能少发生故障的产品是可靠性技术可靠性技术的基本目的。但对不同的对象有不同的可靠性要的基本目的。但对不同的对象有不同的可靠性要求。对于一旦发生故障会造成生命财产极大危害求。对于一旦发生故障会造成生命财产极大危害的产品，如的产品，如宇航设备、高压容器、飞机宇航设备、高压容器、飞机等，就要等，就要求有很高的求有很高的可靠性可靠性，除了保证其功能要求外，还，除了保证其功能要求外，还要满足其要满足其安全性安全性要

13、求，这类产品的可靠度可超过要求，这类产品的可靠度可超过0.9999。但对一般机械产品来说，其可靠性还受。但对一般机械产品来说，其可靠性还受其他因素的影响，其中最主要的一点是其他因素的影响，其中最主要的一点是经济性经济性。费用维修费总费用制造费可靠性1.2.2 维修性的定性要求维修性的定性要求n1. 具有良好的维修可达性具有良好的维修可达性 n2. 高标准化和互换性程度高标准化和互换性程度 n3. 具有完善的防差错措施及识别标记具有完善的防差错措施及识别标记 n4保证维修安全保证维修安全 n5重视贵重件的可修复性重视贵重件的可修复性 n6检测故障准确、快速、简便检测故障准确、快速、简便 n7符合

14、维修中的人机符合维修中的人机( 或人素或人素 )工程要求工程要求 1.具有良好的维修可达性具有良好的维修可达性 n可达性指在维修时能够迅速方便地达到可达性指在维修时能够迅速方便地达到和容易看到所需维和容易看到所需维 修部位修部位, 并能用手或并能用手或工具直接操作的性能。很显然工具直接操作的性能。很显然, 可达性好可达性好, 维修就迅速、简便维修就迅速、简便, 而且差而且差 错、事故、错、事故、费用都会减少。为此在设计时要合理地费用都会减少。为此在设计时要合理地布置各组成部分及其润滑点、维护点、布置各组成部分及其润滑点、维护点、检检 测点测点 , 要保证维修操作有足够的空间要保证维修操作有足够

15、的空间, 合理开设维修通道、窗孔。合理开设维修通道、窗孔。 2.高标准化和互换性程度高标准化和互换性程度 n要尽量采用标准化、通用化、互换性的要尽量采用标准化、通用化、互换性的零件零件, 整体式安装单元整体式安装单元( 模块化模块化 ), 以及设以及设置定位装置。这样置定位装置。这样,不但可简化维修不但可简化维修, 而而且有利于减轻后勤保障负担和拆卸修理。且有利于减轻后勤保障负担和拆卸修理。3.具有完善的防差错措施及识别标记具有完善的防差错措施及识别标记 n 要从结构设计上消除差错的可能性。如要从结构设计上消除差错的可能性。如要使零要使零 部件具有装对了才能装得上部件具有装对了才能装得上, 装

16、装错、装反就装不上的结构。要求定位精错、装反就装不上的结构。要求定位精度高的要有定位、对度高的要有定位、对 中装置。合理地设中装置。合理地设置标记也是防止差错的辅助措施置标记也是防止差错的辅助措施, 有助于有助于提高维修效率。因此要从便于维修和提高维修效率。因此要从便于维修和 防防差错的角度差错的角度, 设置必要的文字、数字、符设置必要的文字、数字、符号、图形等标记号、图形等标记。4保证维修安全保证维修安全 n维修安全是指防止维修时损伤人员、损维修安全是指防止维修时损伤人员、损伤设备的一种特性。使用通常是在设备伤设备的一种特性。使用通常是在设备处于正常状态、完整状态下进行操作的处于正常状态、完

17、整状态下进行操作的；而维修则常常是在设备处于故障状态、而维修则常常是在设备处于故障状态、分解状态下进行操作的。因此设备上应分解状态下进行操作的。因此设备上应有必要的保护装置有必要的保护装置, 以防止机械损伤、防以防止机械损伤、防电击、防火、防爆、防毒等事故。电击、防火、防爆、防毒等事故。5重视贵重件的可修复性重视贵重件的可修复性 n备上一些重要而昂贵的零部件应具有可备上一些重要而昂贵的零部件应具有可修复性修复性, 这不但这不但 可节省维修费用可节省维修费用, 而且有而且有助于减轻后勤助于减轻后勤( 备件备件 )保障负担。为此保障负担。为此 , 应使之可调应使之可调( 整整 )、可矫、可矫( 正

18、正 )、可焊、可焊( 接接 )、可拆、可拆( 装装 )、可涂镀覆盖层、可涂镀覆盖层, 设置设置修理尺寸等修理尺寸等, 以便迅速修复损坏的零件。以便迅速修复损坏的零件。6检测故障准确、快速、简便检测故障准确、快速、简便 n随着机械设备的功能多样化、结构复杂随着机械设备的功能多样化、结构复杂化化, 如何快速、如何快速、 准确地检测性能、诊断准确地检测性能、诊断故障成为维修工作中的重要问题。因此故障成为维修工作中的重要问题。因此，除根据设备的具体情况配置必要的测试除根据设备的具体情况配置必要的测试仪表外仪表外, 还需有检测点、监视孔等。还需有检测点、监视孔等。 7符合维修中的人机符合维修中的人机(

19、或人素或人素 )工程要求工程要求 n在设计设备时在设计设备时, 应认真考虑人的生理因素、应认真考虑人的生理因素、心理因素和人身几何尺寸等因素心理因素和人身几何尺寸等因素, 以提高以提高维修工作效率和质量维修工作效率和质量, 减轻人员疲劳。此减轻人员疲劳。此外外, 还应尽量减少维修工作量还应尽量减少维修工作量,降低维修降低维修技术的难度技术的难度,以便于维修人员的培训和补以便于维修人员的培训和补充。充。1.2.3 维修性的定量要求维修性的定量要求n维修性的定量要求主要有维修延续时间指标、维修工时指标、维修频率指标和维修费用指标等。n维修度维修度n维修概率密度维修概率密度n修复率修复率n平均修复时

20、间平均修复时间)(tmM1.2.4 机械的有效度机械的有效度n有效度又称可用度有效度又称可用度, 是指设备在任一时刻能是指设备在任一时刻能维持其功能的概率。它表示不论什么时候维持其功能的概率。它表示不论什么时候, 想要使用设备时想要使用设备时, 设备处于可以使用状态的设备处于可以使用状态的程度。假设设备的状态程度。假设设备的状态 S(t)=0 时时, 为正常为正常状态状态, S（t）=1时为故障状态，则时为故障状态，则有效度有效度A(t)用下式表示用下式表示:0)()(tSPtA（1-28） 式中式中 t给定的使用时间给定的使用时间 维修的时间维修的时间 R(t)在时间在时间t时，设备的可靠度

21、时，设备的可靠度 M(t)维修时间为时的维修度维修时间为时的维修度 A(t)是时间的函数是时间的函数, 取决于设备的可靠度取决于设备的可靠度和维修度。它们之间的关系为和维修度。它们之间的关系为:（1-29）)()(1)(),(MtRtRtAn由由上式上式可以看出可以看出, 有效度的大小决定于可靠度和维有效度的大小决定于可靠度和维修度。可靠性是从延长其正常工作时间来提高有修度。可靠性是从延长其正常工作时间来提高有效度效度, 而维修性则从缩短维修停机时间来提高有效而维修性则从缩短维修停机时间来提高有效度。对于不可修产品度。对于不可修产品,有效度有效度 A(t)等于其可靠度等于其可靠度 R(t)。n

22、从上述可知从上述可知, 有效度只描述设备在有效度只描述设备在 t 时刻正常工作时刻正常工作的概率的概率, 并不关心在时刻并不关心在时刻t以前设备是否发生过故以前设备是否发生过故障。如果设备发生过故障障。如果设备发生过故障,只要能在允许的时间内只要能在允许的时间内修好修好, 不影响正常工作就可以。它与设备的完好率不影响正常工作就可以。它与设备的完好率概念在定义上是相似的。概念在定义上是相似的。 如设备的有效度如设备的有效度 A(450)=0.90, 表示的是表示的是100台设备在规定的时间台设备在规定的时间450h时时, 有有90台设备处台设备处于正常运转状态于正常运转状态(即完好即完好), 不

23、管设备是否出过故障不管设备是否出过故障, 什么时间出过故障什么时间出过故障, 是否经过维修是否经过维修, 可靠度可靠度R(450)=0.90, 则表示要求则表示要求100台设备台设备, 有有90台能台能无故障的工作无故障的工作450h 在使用有效度指标时在使用有效度指标时, 所关心所关心的并不是某个时刻的有效度的并不是某个时刻的有效度, 而是某一时间间隔的而是某一时间间隔的有效度。有效度通常用有效度。有效度通常用固有有效度固有有效度AI，可达有效可达有效度度 Aa, 使用有效度使用有效度Ao等参数度量。等参数度量。固有有效度固有有效度 可用下式表示可用下式表示: 式中式中 无故障工作时间无故障

24、工作时间 平均修复时间平均修复时间 固有有效度仅与工作时间和修复时间有关，体现固有有效度仅与工作时间和修复时间有关，体现了设备的固有性质。了设备的固有性质。ctIMMTBFMTBFMTTRMTBFMTBFA（1-30）MTBFMTTRctM可达有效度可达有效度 可用下式表示：可用下式表示： 式中式中 平均预防维修时间平均预防维修时间 可达有效度与固有有效度相似可达有效度与固有有效度相似。只是在设备停。只是在设备停机时间中机时间中, 不但包括平均修复时间不但包括平均修复时间（MTTR）, 而而且还包括预防维修时间且还包括预防维修时间 。因预防维修时间与维。因预防维修时间与维修制度有关修制度有关,

25、 如预防维修周期如预防维修周期, 每次预防维修的时每次预防维修的时间等。寻求设备的最大有效度是制订预防维修间等。寻求设备的最大有效度是制订预防维修周周期的一个重要原则。期的一个重要原则。ptaMMTTRMTBFMTBFAptM使用使用有效度有效度 式中式中 MDT维修停机时间维修停机时间 除包括、时间外除包括、时间外, 还包括后勤保证还包括后勤保证延误时间和延误时间和行政管理延误时间行政管理延误时间。 可以看出可以看出，工作有效度不仅受设计、维修制工作有效度不仅受设计、维修制度的影响度的影响, 而且与维修企业的生产管理水平而且与维修企业的生产管理水平等等有关。有关。 oAMDTMTBFMTBF

26、Ao1.3 机械故障的定义、分类及其模式机械故障的定义、分类及其模式 1.3.1 机械故障的定义机械故障的定义1.3.2 机械故障的分类机械故障的分类故障定义故障定义 根据国家标准（根据国家标准（GB3187-82）的定义：）的定义：“失失效是产品丧失规定的功能。对可修复产品通常也效是产品丧失规定的功能。对可修复产品通常也称故障。称故障。”通常见到的发动机发动不起来，机床通常见到的发动机发动不起来，机床运转不平稳，汽车刹车失灵等等现象都是机械故运转不平稳，汽车刹车失灵等等现象都是机械故障的表现形式，机械故障可以从不同角度来进行障的表现形式，机械故障可以从不同角度来进行分类，不同的分类方法反映了

27、机械故障的不同侧分类，不同的分类方法反映了机械故障的不同侧面，对机械故障进行分类的面，对机械故障进行分类的目的是为了更好地针目的是为了更好地针对不同的故障形式采取相应的对策对不同的故障形式采取相应的对策，以下是各种，以下是各种故障分类方法。故障分类方法。1.1.2 故障分类故障分类 按按故障形成的时间故障形成的时间规律分类规律分类 渐发性故障渐发性故障 突发性故障突发性故障 按按故障的因果关系故障的因果关系分类分类 功能故障功能故障 潜在故障潜在故障 1.4 机械故障特征及其发生规律机械故障特征及其发生规律 在机械的整个寿命周期中，故障的发生还是存在着一定在机械的整个寿命周期中，故障的发生还是存在着一定的规律，而这种规律是符合客观事物发展的的规律，而这种规律是符合客观事物发展的概率法则概率法则的的 一一 机械的机械的寿命特性寿命特性曲线曲线 二二 机械机械零件的故障率零件的故障率曲线曲线 三三 机械机械全寿命周期特性全寿命周期特性曲线曲线1.5 机械故障迹象及其特征参量机械故障迹象及其特征参量n 如果机件中存在缺陷或者产生了损伤，并引起机械从如果机件中存在缺陷或者产生了损伤，并引起机械从正常状态向故障状态演变时，也会象人生病一样会出现