第1章 船机故障与维修

第一章船机故障与维修第一章船机故障与维修§1.1船机故障一、故障的基本概念失效——产品丧失规定的功能，对可修复的产品称为故障船机故障——指船舶系统、机械或零部件规定功能的丧失，或说故障是不合格状态不能完成规定功能之故障——零件损坏、磨损超限、焊缝开裂、油漆剥落、螺栓松动性能指标恶化之故障——启动困难、功率下降、油耗升高等超过规定值的现象不可修复之故障（失效）——齿轮断齿、传动胶带断裂、密封损坏等一、故障的基本概念研究船机故障应明确以下几点：规定的对象—不同对象在同一时间可有不同故障状态，如单发电机故障与全船失电规定的时间—故障概率随时间延长而增大。（年月、运转时间、里程、周期等）规定的条件—使用维护条件、人员操作水平、环境条件等不同条件将导致不同故障规定的功能—故障是针对具体问题而言的。如机床丝杠损坏。一定的故障程度——定量地估计功能丧失的严重性。§1.1船机故障进行故障分类的意义：清晰地显示故障原因、性质和对船舶营运的影响。有利于分清故障责任、认识和排除故障、便于故障统计分析，为改进和维修提供资料二、故障的分类1、按故障对船舶营运的影响分类船舶不停航的局部故障船舶长时间停航的全局性故障船舶短时间停航的重大故障（货船不超过6h，客船不超过2h）船机设备功能部分丧失，可在航行中进行故障处理。如更换主机某缸喷油泵船机设备功能丧失，必须短时停航后通过船员自修或更换备件等措施排除故障后继续航行。如主机某拉缸后停机检修或封缸后继续运行。造成船舶丧失航行能力的严重故障，必须进厂进行长时间修理。如主机曲轴折断、尾轴或中间轴断裂、螺旋桨损坏或船舶搁浅、船体破损等。§1.1船机故障2、按故障发生和演变过程的特点分类渐进性故障波及性故障突发性故障设备长时间运转、配合件的损耗累积到一定程度后引发故障外部随机因素或材料内部潜在缺陷引起的故障。又称二次故障。由于某种故障引发的更严重的故障断续性故障属无先兆难以预测的故障，例：主机自动停车、螺旋桨桨叶折断等属可监测和防止的故障，通常出现在零件有效寿命的后期，发生概率与运转时间有关。例：柴油机活塞环-缸套和曲轴-轴承的磨损、管子腐蚀、穿孔等属无法预测和防止的故障例：连杆伸腿、排气阀阀盘断裂导致增压器损坏设备发生故障后又自动恢复，反复分时段进行。§1.1船机故障3、按故障的原因分类——有利于明确故障的责任结构性故障磨损性故障工艺性故障因设计缺陷、计算错误、选材不当导致的故障因制造、安装质量不佳或质量检验不严引发的故障。正常条件下因长期运转磨损积累产生的故障管理性故障例：轴系校中安装不良引起轴系振动、轴承安装间隙过小导致轴承发热或轴瓦熔化例：柴油机气缸套上部凸缘根部因结构设计或选材不合理，使用中产生裂纹或断裂

例：因过度磨损活塞-气缸间隙过大产生敲缸、窜气现象因维护保养不良或违章操作引起的故障。例：滑油变质引起轴瓦合金熔化§1.1船机故障4、按故障的性质分类人为故障自然故障因操作人员管理不良或行为过失引起的故障因工作环境变坏、使用条件不佳、制造安装不良等引发的故障。人为故障约占船机故障总数的80%以上，成为故障的主要原因。另外，按船舶机械故障发生的时间可发为早期故障使用期故障（随机故障）晚期故障（老化期故障）§1.1船机故障三、故障征兆故障征兆——故障初期的表现形式，即故障发生前的显示的不同形式的信息1、船机性能方面的表现功能异常——起动困难、功率不足、转速不稳、自动停车、剧烈振动等。温度异常——油、水温度过高或过低、排烟温度过高、轴承发热等。压力异常——油、水压力失常、扫气压力、压缩压力和爆发压力不正常等示功图异常——柴油机作功不正常、示功图图形异常、功率不足等2、船机外观方面的表现外观反常——油、水、气等有跑、冒、漏现象，排烟异常等消耗反常——油、水消耗量过大或不消耗甚至增加，如曲柄箱油位升高。气味反常——有橡胶、绝缘材料的烧焦味、变质滑油的刺激性气味等声音反常——金属敲击声，如敲缸声、拉缸声、增压器喘振声等，螺旋桨鸣音等§1.1船机故障四、故障模式故障模式——即故障或失效的表现形式。或者说故障模式是妨碍产品完成规定功能的某种可能方式常见故障模式机械零部件材料性能方面的故障——疲劳、裂纹、蠕变、过度变形、材质劣化等化学、物理状态异常方面的故障——腐蚀、油质劣化、绝缘绝热劣化、导电导热劣化、熔融、蒸发等机械设备运动状态方面的故障——振动、渗漏、异常噪声等多种原因的综合表现——磨损等。配合间隙过大或过盈丧失、固定和紧固装置松动与失效等。§1.1船机故障四、故障模式常见故障模式举例序号设备常见故障模式1活塞连杆机构疲劳、损耗、冲击、变形、裂纹和折断等2齿轮疲劳断裂、点蚀剥落、熔融烧伤、磨损、塑性变形等3滚动轴承剥落、裂纹、压痕、磨损、烧伤、锈蚀、污斑、蠕变、腐蚀4机架、机座变形、松动、缺损、脱落5电器短路、漏电、电路不通§1.1船机故障故障模式相当于医学上的“病症”，是分析故障原因、寻找薄弱环节、进行维修管理的有效依据设备的故障模式可能是单一的，也可能是综合的，也可能随工作条件、运转时间及设备内在因素的变化而呈现不同的故障模式产品故障模式具有互为因果的层次关系（表1-3）。§1.1船机故障五、故障规律故障率λ（t）——机械设备、系统或零部件在规定工作时间内由完好变为故障状态的概率故障规律——船机整个寿命周期内，其故障率随使用时间变化的规律典型故障规律曲线——“浴盆曲线”，分早期故障期、偶然故障期和耗损故障其三个阶段§1.1船机故障故障规律曲线三阶段的主要特征早期故障期——是船机投入使用的初期，又称磨合期。特点：开始故障率较高，而后随时间延长迅速下降。故障原因：由于设计制造缺陷及操作不熟练、不准确和使用重要任务不相适应引起。处理方法：通过调试、磨合、修理和更换有缺陷的零件能有效降低故障率。偶然故障期——又称随机故障期或正常使用期。特点：运转稳定，故障率低且近于恒定，与使用时间关系不大。故障原因：主要是设计、制造中的潜在缺陷、操作差错、维护不良和环境因素等偶然因素引起的随机故障。不能通过调试消除，也不能用定期更换零件的方法来预防。随机故障难以预测。处理方法：规范操作，保证工作条件、加强维护保养。随机故障期较长，是船舶机械的主要使用期，也是进行可靠性评估的时期。§1.1船机故障晚期故障期——是船机使用寿命的后期，又称磨损故障期。特点：故障率随时间的延长迅速增高。故障原因：由于磨损、腐蚀、疲劳和老化等因素引起。处理方法：应在该阶段出现前进行修理的更换备件，力求推迟磨损故障期的到来。故障规律曲线三阶段的主要特征§1.1船机故障§1.1船机故障其他故障率曲线——统计分析表明，机械设备的规律曲线除“浴盆曲线”还有以下五种A型C型B型有明显磨损故障期。可采取定时维修方式延长寿命。如发动机气缸、轴承、船体和飞机等单体部件的故障无明显磨损故障期，故障率随时间增加，如航空涡轮机等设备故障，可采用状态维修方式F型E型D型在整个寿命周期内故障率基本为常数，适合采用事后维修方式。复杂电子设备一般表现为此故障规律§1.1船机故障§1.1船机故障六、故障的人为因素船舶是典型的机械设备与船员组成的人机一体化系统。船舶的综合可靠度取决于船体、动力装置的固有可靠度和船员的工作可靠度。统计资料表明，船舶机损、海损事故的80%以上是人为因素造成的。包括船员素质低，不适任或操作失误。控制人为因素影响船舶航行安全的相关国际公约：《国际海上人命安全公约》（SOLAS公约）：主要针对船舶设备安全及操作安全。《国际安全管理规则》（ISM规则）：针对船、岸人员行为的安全管理体系。《船员培训、发证和值班标准国际公约》（STCW公约）：针对船员适任能力要求§1.2维修科学一、维修科学的建立与发展维修——对船舶机械和设备维护与修理的统称。维护或技术保养——为保证船舶机械和设备的技术性能正常发挥而采取的技术措施船舶修理或修船——当船机性能下降、状态不良或发生故障失效时，为保持或恢复原有的技术性能所采取的技术措施。维修科学——是一门独立的综合性的通用科学。它具有以下特性：独立性——独特的研究对象和独特的理论基础综合性——将许多相关学科知识和技术应用于维修工作中。通用性——它的基本理论适用于各行业各种设备的维修。维修科学以可靠性理论与可维修性理论作为重要的理论基础可靠性理论——研究故障规律的理论可维修性理论——研究如何易于发现和排除故障的理论

§1.2维修科学二、维修思想的发展事后维修为主的维修思想机械设备出现故障后才进行修理，属非计划性维修，主要出现在产业革命初期。以预防为主的维修思想以可靠性为中心的维修思想以机械磨损规律为基础，以磨损曲线的第三阶段起点为时间界限，进行定期预防维修在预防为主的的维修思想基础上，以视情维修为主要方式，通过状态监测和逻辑分析，以最低的费用维持机械设备固有可靠性。§1.2维修科学三、维修科学的内容维修科学的理论基础包括：共同基础理论、技术基础理论、维修基础理论维修科学的专业学科包括：维修设计、维修技术、维修管理施P6图1-3§1.2维修科学1、维修设计科学——良好的设计和制造是在使用阶段获得高效低耗的最佳维修的客观基础维修设计学科包括：可靠性设计、可维修性设计、综合技术保障设计和费用效益分析2、维修技术科学——直接用于船舶机械设备故障维修时的各种维修技术的总称船舶维修技术主要由检测技术和修理工艺两部分组成。维修技术科学包括：无损检测技术、状态监测技术、故障诊断技术、修理工艺和技术、计算机应用技术等。3、维修管理科学——对现代船舶维修活动进行科学管理和组织的学科船舶维修管理：从维修的全系统和船机设备的全寿命出发，运用管理科学的理论和方法，结合船舶维修的特点和规律，对船舶维修工作进行总体决策和规划。维修管理科学包括：维修计划管理、维修技术管理、维修经济管理、维修信息管理、维修质量管理和维修设备管理等。§1.2维修科学四、现代维修的主要特征现代维修科学是以现代科学技术为基础，由多门学科综合而的维修理论。现代船舶维修的特征包括：由分散维修转向综合维修：使用阶段的维修转变为全寿命维修由经验维修转向理论维修：采用视情维修与定时维修相结合的维修方式由单件维修转向工业化维修：即实现维修工作的机械化和批量生产由传统维修转向智能维修：广泛采取故障监测、诊断、计算机等智能化技术现代维修的发展趋势随着状态检测和故障诊断技术的发展，视情维修将成为效率最高的维修方式。新的维修技术和零件修复技术将进一步提升维修效率、降低维修成本，延长寿命。计算机信息管理系统的发展将使维修管理水平进一步提升。§1.2维修科学五、全寿命维修的内涵产品全寿命——从产品设计论证到产品被淘汰报废的全寿命过程。产品的全寿命周期通常由论证、设计、制造、使用、淘汰五个阶段组成。现代维修是对机械设备或零部件进行全寿命维修。全寿命维修的核心思想是要求产品在全寿命周期内所耗费用最少

论证维修论证可靠性和可维修性设计可维修性检验维护与修理淘汰处理设计制造使用淘汰产品全寿命全寿命维修六、现代预防维修方式1、事后维修（CM）——在设备发生故障之后才进行维修，属非预防性维修采用事后维修的几种情况：设备虽有故障，但许多零部件仍保持良好功能发致于无法预测故障的发生；某些复杂设备缺乏采用的检测手段、参数和临界参数；某些设备不具备实施检测的条件，只能在故障发生后进行维修。事后维修的适用范围：故障不直接危害使用安全且仍保持基本功能的设备，采用预防维修不经济的耗损性设备（多为耐用、低值或损耗性的船舶机械设备或部件）

维修方式——产品维修时机的控制形式§1.2维修科学2、预防维修（PM）——在设备未发生停机故障或损失而进行的维修分定时维修和视情维修两种。（1）定时维修——按规定的时限对机械设备进行拆卸、检验和维修采用定时（定期）维修方式的条件：故障率曲线有明显的磨损故障期，不适用于发生偶然故障的设备。设备无故障工作时间（偶然故障期）足够长，否则无维修必要。采用其他维修方式均不适用的设备定时维修的缺陷：针对性和准确性不高；工作量大费用高；可靠性不高，可能出现维修不足或维修过剩对设备状态的监测是阶段性的、不连续的。§1.2维修科学（2）视情（状态）维修——通过连续监控机械设备的运转状态和定量分析其状态资料，按照实际工作情况确定维修时间。采用视情（状态）维修方式的条件：设备的故障率曲线具有进展缓慢的磨损故障期，以便监测到故障信息来得及采取维修措施。具有能反映设备技术状态的参数、参数标准或图谱，以便准确诊断故障。具有视情设计的结构，为视情维修提供必要的条件，如设备上有安装传感器的孔、口等。视情维修以现代化的监控手段和故障诊断技术为基础，需具备先进的原位无损检测技术和显示终端，以便进行保护、预警。视情维修的优点不确定维修期，根据实际状况确定最佳维修时机，针对性强，维修费用低；在设备监控发生故障前进行维修，能有效利用设备的工作寿命。维修工作量和费用少，是理想的预防维修方式§1.2维修科学3、可靠性维修（RM）——以可靠性理论为基础，通过对影响可靠性的因素具体分析和试验，利用逻辑分析决断法，确定维修内容、选优维修方法，合理确定使用期限，以最低的费用来保持和恢复机械设备的可靠性。是现代维修方式的发展方向之一。（1）可靠性的定义可靠性——产品在规定条件下、在规定时间内完成规定功能的能力可靠性与产品的失效方式、失效定义、时间和使用条件有关可靠性是反映产品耐用和可靠程度的一种性能，是产品固有的特性之一。可靠性是船舶机械、设备和系统的一个综合性能指标，反映了设计、材料、制造和安装等的质量§1.2维修科学可靠性的分类：产品的可靠性分为固有可靠性和使用可靠性固有可靠性——是设计时赋予的内在可靠性，是由结构、材料和加工工艺决定的产品潜在的可靠性，不能通过使用和日常维修来改变。只有通过改造性修理才能改变固有可靠性。使用（实际）可靠性——由制造、使用和维修决定。与产品的使用条件有关，使用可靠性难于达到其固有可靠性，产品的工作条件超出规定的条件时，其固有可靠性将降低到使用可靠性。船舶机械的综合可靠性取决船机的固有可靠性和实际可靠性§1.2维修科学（2）可靠性研究的内容可靠性理论——可靠性指标定量化、可靠性分析方法与准则、提高可靠性的方法可靠性技术——可靠性设计、可靠性制造与工艺、可靠性试验与评估标准。

重点是研究故障机理、形式及危害分析、寿命的确定与试验方法可靠性管理——制订有关可靠性的确计划、制度、规范以及信息资料的收集与处理（3）研究可靠性的意义把握故障机理和故障规律，减少故障和维修工作，延长设备使用寿命解决设备技术先进性与可靠性之间的矛盾解决好设备可靠性与经济性之间的矛盾，全寿命地提高设备的可靠性和经济性。保证船舶海上营运安全。§1.2维修科学（4）可靠性指标——包括可靠度、不可靠度、故障密度、故障率、平均寿命等。可靠度R(t)——船机设备或零部件在规定的时间内、规定的条件下完成规定功能的概率。0≤R(t)≤1，R(t)是t的递减函数。不可靠度F(t)——设备在规定的时间内、规定的条件下完不成规定功能的概率。F(t)=1-R(t)或F(t)+R(t)=1F(t)直接反映故障的概率，反映在t时刻以前累积故障的情况和故障与时间的函数关系，称为故障分布函数。可靠性研究中多以F(t)为对象。

故障密度——设备在t时刻故障变化的速度。若F(t)连续可导，则故障密度f(t)=dF(t)/dt；若F(t)不是连续可导函数时，则用经验（平均）密度公式。§1.2维修科学故障率λ(t)——反映设备在△t时间内由完成状态转向故障状态的概率。当△t很小时，表示设备在某一瞬间t发生故障的概率，称为瞬时故障率或故障率。λ(t)=f(t)/R(t)

§1.2维修科学（5）提高机械设备可靠性的主要措施力求结构简单、传动链少、调整环节少且简便、连接可靠；尽可能采用独立的结构单元，分离方便；提高系统中可靠度最低的零件的可靠度；尽可能选用可靠度高的标准标；避免采用易出现疏忽、维护和操作错误的结构；结构布置要能直接检查和修理，仪表便于观察、设检修人孔、手孔等。确定合理的维修时间。增加的备用系统或设备；设置监测和报警系统；增加过载保护与自动停车装置。§1.2维修科学（6）可维修性的定义可维修性——指已发生故障的产品，在规定的时间内通过维修使之保持或恢复到规定使用条件下完成规定功能的能力。是设计、制造赋予产品的一种固有特性。

良好的可维修性的标志：便于维修、容易维修。如使船舶或机械便于检修和调整。对维修方法和维修人员的技术水平要求不高。如损坏的零件容易拆卸和更换、维修工具较为简单及通用

所需的维修时间少，维修费用低，维修质量和效果好。

§1.2维修科学（2）研究可维修性的意义有利于以最佳的维修质量、最低的维修费用和最短的维修时间来恢复其规定的功能

良好的可维修性是船舶海上安全航行的重要保障。船舶可维修性有利于弥补设备可靠性的不足

。可维修性是实现工业化修船的必要条件

§1.2维修科学（3）可维修性指标——包括可修复度、修复率、有效度和平均修复时间等。可维修度M(t)——对已发生故障的产品，在给定的维修条件和维修时间内使产品保持或恢复能完成规定功能的概率称为可维修度。是维修时间t的增函数修复率(t)——是一个条件概率。它表示某一单位时间内完成维修工作的可能性。有效度A(t)——表示可修复产品在特定时间内保持其规定功能的概率§1.2维修科学（4）可靠性与可维修性的关系可靠性反映产品是否经久耐用，维修性反映产品发生故障后是否易于诊断和修复。提高可靠性是要延长产品正常工作时间，提高维修性是要缩短维修停工时间。高的可维修性能有效弥补产品可靠性的不足够。可靠性设计着眼于减少故障，可维修性设计着眼于以最短的时间、最低的限制条件、最低的费用保持或恢复产品的正常工作状态。§1.2维修科学4、改进性维修（IM）——在维修过程是进行改进，与维修目的一致的维修工作。适用条件：故障发生频繁（即平均故障间隔时间短），修理或更换费用大的情况。优点；一次性解决反复维修的问题。船机维修方式的选用一般采用视情维修或定时维修相结合方式。对不危及安全偶然故障采取事后维修方式。对一此经过精确计算有规定使