第一章 1故障理论

1、第一章工程机械检测与维修基本理论与技术第一章工程机械检测与维修基本理论与技术 1.1工程机械故障理论（可靠性理论）工程机械故障理论（可靠性理论） 一、机械故障的概念一、机械故障的概念 教材上解释：机械系统因偏离设计状态而丧失部分或全教材上解释：机械系统因偏离设计状态而丧失部分或全部功能，或机械设备、零件丧失了规定功能的状态。部功能，或机械设备、零件丧失了规定功能的状态。 严格意义上讲：机械的各项指标偏离了正常状态所允许严格意义上讲：机械的各项指标偏离了正常状态所允许范围即谓之故障。范围即谓之故障。 二、故障的分类二、故障的分类 按故障产生原因的性质分按故障产生原因的性质分 人为故障：即由于设计

2、、制造、使用、维护、修理、人为故障：即由于设计、制造、使用、维护、修理、管理不当所致的。它包括课本上所讲的错用性故障、先管理不当所致的。它包括课本上所讲的错用性故障、先天性故障、早发性故障等。天性故障、早发性故障等。 自然故障：机械由于受内、外部各种不可避免的自然自然故障：机械由于受内、外部各种不可避免的自然因素的影响而产生的故障。如：自然磨损、老化、疲劳因素的影响而产生的故障。如：自然磨损、老化、疲劳等。等。 二、故障的分类二、故障的分类 按故障发生时间与使用时间关系分按故障发生时间与使用时间关系分 早发性故障早发性故障 由于机械产品的设计、制造、装配、调试不当（缺陷）由于机械产品的设计、制

3、造、装配、调试不当（缺陷）而引起的早期表现出的故障。如：调试期、磨合期等的而引起的早期表现出的故障。如：调试期、磨合期等的故障，具有一定的偶然性。故障，具有一定的偶然性。 突发性故障突发性故障 各种偶然因素作用下，突然发生的故障。特点：与使用各种偶然因素作用下，突然发生的故障。特点：与使用时间无关，事先无法检测预防，具有偶然与突发性。如：时间无关，事先无法检测预防，具有偶然与突发性。如：轮胎轧破，推土机刀刃碰坏等。轮胎轧破，推土机刀刃碰坏等。 渐进性故障渐进性故障 由于机械各项技术参数不断劣化逐渐发展而成的故障。由于机械各项技术参数不断劣化逐渐发展而成的故障。特点：与使用时间长短有关，一般可预

4、先检测预测，有特点：与使用时间长短有关，一般可预先检测预测，有一定规律性。如：气缸、活塞环磨损等。一定规律性。如：气缸、活塞环磨损等。二、故障的分类二、故障的分类 按照故障对外表现程度分按照故障对外表现程度分 功能性故障功能性故障 致使机械丧失了工作能力或工作能力有明显下降的故障。致使机械丧失了工作能力或工作能力有明显下降的故障。特点：可通过测量输出参数或从外观表象可判断。特点：可通过测量输出参数或从外观表象可判断。 如：一般意义上所说的各种故障。如：一般意义上所说的各种故障。 潜在性故障潜在性故障 指故障在发展过程中，虽未在功能上有所表现，但已接指故障在发展过程中，虽未在功能上有所表现，但已

5、接近萌发，此时一旦发现即称之为潜在故障。特点：功能近萌发，此时一旦发现即称之为潜在故障。特点：功能上无表现，但可检测出。上无表现，但可检测出。 如：疲劳断裂零件在完全断裂之前。如：疲劳断裂零件在完全断裂之前。 按照故障后果的严重程度（对机械本身）分按照故障后果的严重程度（对机械本身）分 轻度故障轻度故障 轻度影响机械的正常使用，能在日常保养维护中用随机轻度影响机械的正常使用，能在日常保养维护中用随机工具轻易排除的故障（工具轻易排除的故障（30min以内）。以内）。二、故障的分类二、故障的分类 一般故障一般故障 明显影响机械的正常使用（造成停机或性能下降），但明显影响机械的正常使用（造成停机或性

6、能下降），但未造成主要总成和零件损坏，在较短时间内（如：挖掘未造成主要总成和零件损坏，在较短时间内（如：挖掘机机1h，压路机，压路机2 h）可以排除的故障（现场可排除）。）可以排除的故障（现场可排除）。 严重故障严重故障 严重影响机械的正常使用（性能显著下降），造成主要严重影响机械的正常使用（性能显著下降），造成主要总成和零件损坏，在较短时间内无法排除的故障（一般总成和零件损坏，在较短时间内无法排除的故障（一般需进修理厂排除）。需进修理厂排除）。 致命故障致命故障 可能导致人身伤亡，引起机械报废或造成重大经济损失可能导致人身伤亡，引起机械报废或造成重大经济损失的故障（主要总成完全失效）。的故障

7、（主要总成完全失效）。 例：液压挖掘机可靠性试验国家标准规定只要发生致命例：液压挖掘机可靠性试验国家标准规定只要发生致命故障即判为不合格（液压挖掘机试验时间故障即判为不合格（液压挖掘机试验时间800h，压路，压路机为机为400h）。）。三、机械故障的量度指标三、机械故障的量度指标 累积故障率累积故障率F(t) 指机械在规定的使用条件下，使用到某一时刻指机械在规定的使用条件下，使用到某一时刻t时发生时发生故障的累积概率（在可靠性理论中称为不可靠度）。它故障的累积概率（在可靠性理论中称为不可靠度）。它是故障密度是故障密度f(t)的积累函数。的积累函数。F(t)=0t f(t)dt ; 当当t时，时

8、， F(t)= 1. 故障密度故障密度f(t) 指在机械使用至指在机械使用至t时刻后的很短一段时间内的故障概率。时刻后的很短一段时间内的故障概率。他反映的是故障概率随时间变化而变化的情况，某一时他反映的是故障概率随时间变化而变化的情况，某一时刻的故障密度大，则故障概率增加的快。故障密度可通刻的故障密度大，则故障概率增加的快。故障密度可通过实验测得。过实验测得。 例如：在例如：在 t 时刻给定的时刻给定的t 时间间隔内，时间间隔内，N台产品（样品台产品（样品总数）发生故障的数量为总数）发生故障的数量为n(t)，则经验故障密度可按，则经验故障密度可按 f (t)=1/Nn(t)/ t计算（即故障数

9、与总数之比）。计算（即故障数与总数之比）。 由于在可靠性试验后期，残存的产品数量越来越少，在由于在可靠性试验后期，残存的产品数量越来越少，在同一同一t时间内时间内n(t)也越来越少，最后趋于零，难于准也越来越少，最后趋于零，难于准确反映产品的故障概率，故产品可靠性评价中引入故障确反映产品的故障概率，故产品可靠性评价中引入故障率率(t)概念。概念。三、机械故障的量度指标三、机械故障的量度指标 故障率故障率(t) 瞬时故障率：产品在某一瞬时瞬时故障率：产品在某一瞬时t之前不发生故障，之之前不发生故障，之后的单位时间内发生故障的概率。是一条件概率，用后的单位时间内发生故障的概率。是一条件概率，用(t

10、)表示。可按表示。可按(t)=1/N存存dn(t)/dt= 1/N存存n(t)/ t计计算。（实为故障数与残存数之比）算。（实为故障数与残存数之比） 平均故障率平均故障率 平均故障率是指产品在某一时刻之前不发生故障，之后平均故障率是指产品在某一时刻之前不发生故障，之后某一段时间内单位时间发生故障的概率。某一段时间内单位时间发生故障的概率。 其可按其可按 (t)= 1/N存存n(t)/ t计算。计算。 与故障密度间关系与故障密度间关系 故障密度为单位时间内故障数与总数的比值，故障率是故障密度为单位时间内故障数与总数的比值，故障率是单位时间内故障数与残存数的比值，后者较前者更能反单位时间内故障数与

11、残存数的比值，后者较前者更能反映故障的变化情况，即更灵敏。映故障的变化情况，即更灵敏。 平均故障间隔期（平均故障间隔期（MTBF） 平均故障间隔期是指相邻两次故障间的平均时间。平均故障间隔期是指相邻两次故障间的平均时间。 四、机械产品的可靠性评价四、机械产品的可靠性评价 产品的可靠性是指产品在规定的条件下和在规定的时间内完成规产品的可靠性是指产品在规定的条件下和在规定的时间内完成规定功能的能力。对于工程机械即是在规定的作业工况、使用维护、定功能的能力。对于工程机械即是在规定的作业工况、使用维护、贮存、运输等条件下，在规定的工作时间内，保持规定的技术指贮存、运输等条件下，在规定的工作时间内，保持

12、规定的技术指标并完成规定功能的能力，即不发生故障的能力。它反映的是产标并完成规定功能的能力，即不发生故障的能力。它反映的是产品的时间质量指标，其定量评价可从如下五个方面进行：品的时间质量指标，其定量评价可从如下五个方面进行： 无故障性指标无故障性指标 首次故障前平均工作时间（首次故障前平均工作时间（MTTFF），即首次发生一般故障），即首次发生一般故障或严重、致命故障时的平均工作时间。或严重、致命故障时的平均工作时间。 平均故障间隔时间（平均故障间隔时间（MTBF），即可修复机械设备或零部件相），即可修复机械设备或零部件相邻两次故障之间的平均工作时间。邻两次故障之间的平均工作时间。 平均停机故

13、障间隔时间（平均停机故障间隔时间（DTMTBF），即可修复机械设备或零），即可修复机械设备或零部件相邻两次停机故障的平均工作时间。部件相邻两次停机故障的平均工作时间。 故障率故障率(t)，在时间，在时间t之前尚未发生故障而在随后的单位时间内之前尚未发生故障而在随后的单位时间内可能发生故障的条件概率。可能发生故障的条件概率。 平均百台修理次数（平均百台修理次数（RDH），即在规定的使用或试验条件下，），即在规定的使用或试验条件下，在某一时刻或时间范围内，平均百台需要修理的次数。在某一时刻或时间范围内，平均百台需要修理的次数。四、机械产品的可靠性评价四、机械产品的可靠性评价 维修性指标维修性指标

14、平均事后维修（修复）时间（平均事后维修（修复）时间（MTTR） 即可修复机械设备或零部件使用到某一时刻所有故障维即可修复机械设备或零部件使用到某一时刻所有故障维修的平均有效时间。修的平均有效时间。 MTTR=1/nti,i=1,2,n;其中：其中：ti：第：第i次故障的修复时间，次故障的修复时间，n：发生故障的总次数。：发生故障的总次数。 维修度维修度M(t) 即可修复产品在规定的条件下和规定的时间内完成维修即可修复产品在规定的条件下和规定的时间内完成维修的概率。的概率。 M(t)=0tm(t)dt；其中：；其中：m(t)为维修概率密度为维修概率密度函数。函数。 维修率维修率(t) 与故障率类

15、似，是指维修时间达到某时刻与故障率类似，是指维修时间达到某时刻t尚未修复的尚未修复的产品，在该时刻后单位时间内完成修复的条件概率。产品，在该时刻后单位时间内完成修复的条件概率。 (t)= m(t)/1- M(t)四、机械产品的可靠性评价四、机械产品的可靠性评价 耐久性指标耐久性指标 可靠度可靠度R(t) 指在规定的使用条件下和规定的时间内，完成规定功能指在规定的使用条件下和规定的时间内，完成规定功能的概率。的概率。 R(t)=tf(t)dt=1-F(t)=f(t)/ (t) 累积故障率累积故障率F(t)(见前见前)也称不可靠度。也称不可靠度。 F(t) =0tf(t)dt=1-R(t) 可靠寿

16、命可靠寿命LR 指在规定的使用条件下，可靠度指在规定的使用条件下，可靠度R（t）达到某一规定值）达到某一规定值时的工作时间。不同零件的可靠度分类等级见时的工作时间。不同零件的可靠度分类等级见P18表。表。 平均寿命平均寿命MTTF 机械设备或零部件从开始使用到失效报废的平均使用时机械设备或零部件从开始使用到失效报废的平均使用时间。间。四、机械产品的可靠性评价四、机械产品的可靠性评价 有效性指标有效性指标 有效度有效度A(t)：指在规定的使用条件下，在某个观测时间：指在规定的使用条件下，在某个观测时间内，机械设备及零部件保持其规定功能的概率。内，机械设备及零部件保持其规定功能的概率。 当当t时，

17、按下式计算：时，按下式计算： A(t)=MTBF/(MTBF+MTTR) 可靠度、维修度、有效度间关系：可靠度、维修度、有效度间关系： A(t)=R(t)+F(t)M(t) 经济性指标经济性指标 年平均保修费用率年平均保修费用率PWC 即在规定的使用条件下，出厂第一年保修期内，每台机即在规定的使用条件下，出厂第一年保修期内，每台机械设备工厂平均支出的保修费用与出厂销售的比值。械设备工厂平均支出的保修费用与出厂销售的比值。 费用比费用比CR CR=全年维修费全年维修费/购置费购置费 可靠性经济指标可靠性经济指标KE KE=(CM+C0)/T0 即即KE =新设备造价新设备造价CM+设备使用、维护

18、、修理总费用设备使用、维护、修理总费用C0/设备使用年限设备使用年限T0。五、工程机械故障的一般规律五、工程机械故障的一般规律 工程机械故障的一般规律可用故障率曲线来表示，见教工程机械故障的一般规律可用故障率曲线来表示，见教材材P11图图1-5之之d)。 由图可见，曲线明显分为三段，形似浴盆，故也称为浴由图可见，曲线明显分为三段，形似浴盆，故也称为浴盆曲线。盆曲线。 早期故障期早期故障期A 故障率曲线为渐减型，故障率由故障率曲线为渐减型，故障率由(t) 高而低，逐步减少。原因：早期高而低，逐步减少。原因：早期 故障期故障主要是由于加工、制故障期故障主要是由于加工、制 造、装配等误差或失误所引起

19、的造、装配等误差或失误所引起的 早期故障，随着磨合、发现与及早期故障，随着磨合、发现与及 时的排除，故障率不断降低，至时的排除，故障率不断降低，至 磨合期结束，则会稳定在一个很磨合期结束，则会稳定在一个很 t 低的水平而进入正常工作期。低的水平而进入正常工作期。 A B C五、工程机械故障的一般规律五、工程机械故障的一般规律 随机故障期随机故障期B 随机故障期故障率低而稳定，主要是一些偶然因素引起随机故障期故障率低而稳定，主要是一些偶然因素引起的随机故障，一般易于排除，对机械寿命不会造成过大的随机故障，一般易于排除，对机械寿命不会造成过大影响，相当于机械的正常使用寿命期。影响，相当于机械的正常

20、使用寿命期。 耗损故障期耗损故障期C 故障率为渐增型，且增长速度逐步加快，很快会导致机故障率为渐增型，且增长速度逐步加快，很快会导致机械寿命终了而报废。械寿命终了而报废。 原因：由于随使用时间增长，由各种自然因素引起的渐原因：由于随使用时间增长，由各种自然因素引起的渐进性故障逐步增多，各零件陆续进入寿命终了期，因而进性故障逐步增多，各零件陆续进入寿命终了期，因而故障率逐步增高，且严重故障也越来越多，机械处于零故障率逐步增高，且严重故障也越来越多，机械处于零件严重耗损阶段，故称耗损故障期。件严重耗损阶段，故称耗损故障期。 提示：机械应在进入耗损期前进行大修，以恢复其性能提示：机械应在进入耗损期前进行大修，以恢复其性能。六、工程机械故障的一般原因六、工程机械故障的一般原因 机械故障的直接起因是多种多样的，但若归纳起来看，机械故障的直接起因是多种多样的，但若归纳起来看，其一般原因主要表现为如下三个方面：其一般原因主要表现为如下三个方面： 1.机械零件的损坏