故障理论概述

故障理论概述第1页，共65页，2023年，2月20日，星期五Contents概念1故障理论和规律2故障诊断简介4第2页，共65页，2023年，2月20日，星期五第二章故障理论概述第一节概念

一、定义

故障是指由于某种原因而丧失规定大的功能造成终端生产或降低效能的时间或现象。

例如：某些零部件损坏、磨损超限、焊缝开裂，螺栓松动，使工作能力丧失；发动机的功率降低；故障通常是指可以排除的障碍，即指可以修复的失效。第3页，共65页，2023年，2月20日，星期五

对于故障，应明确以下几点：(1)规定的对象

它是指一台单机、或由某些单机组成的系统、或机械设备上的某个零部件。不同的对象在同一时间将有不同的故障状况。例如，在一条自动化流水线上，某一单机的故障足以造成整个系统功能的丧失。(2)规定的时间

发生故障的可能性随时间的延长而增大。时间除了直接用年、月、日、时等作单位外，还可用机械设备的运转次数、里程、周期作单位。例如：车辆等用行驶的里程；齿轮用它承受载荷的循环次数等。第4页，共65页，2023年，2月20日，星期五(3)规定的条件

这是指机械设备运转时的使用维护条件、人员操作水平、环境条件等。不同的条件将导致不同的故障。(4)规定的功能

它是针对具体问题而言，例如：同一状态的车床，进给丝杠的损坏对加工螺纹而言是发生了故障。但对加工端面来说却不算故障。(5)一定的故障程度

即应从定量的角度来估计功能丧失的严重。

故障的定义“故障是不合格的状态”。第5页，共65页，2023年，2月20日，星期五

二、模式1、定义

机械设备的故障必定表现为一定的物质状况及特征，它们反映出物理、化学的异常现象，并导致功能的丧失。这些物质状况的特征称故障模式，需要通过人的感官或测量仪器得到，相当于医学上的“病症”。第6页，共65页，2023年，2月20日，星期五2、故障模式分类1)属于机械零部件材料性能方面的故障：包括疲劳、断裂、裂纹、蠕变、过度变形、材质劣化等。2)属于化学、物理状况异常方面的故障：包括腐蚀、油质劣化、绝缘绝热劣化、导电导热劣化、溶融、蒸发等。3)属于机械设备运动状态方面故障：包括振动、渗漏、堵塞、异常噪声等4)多种原因的综合表现：如磨损等

此外．还有配合件的间隙增大或过盈丧失、固定和紧固装置松动与失效等。第7页，共65页，2023年，2月20日，星期五第8页，共65页，2023年，2月20日，星期五三、性质1、层次性：机械设备可以分为若干个层次，不同层次会出现相应的故障。2、相关性：某层次发生故障时，相关的层次也可能发生故障，不同层次也可能出现故障3、延时性；故障的产生、传播和恶化都需要时间，且随时间的延长而延长。4、不确定性：发生时间、现象等具有不确定性。5、修复性：多数故障是可以修复的，包括更换。第9页，共65页，2023年，2月20日，星期五四、分类

临时性故障

永久性故障

一、临时性故障 它多半由机械设备的外部原因引起的。例如：工人误操作、气候变化．运输条件中断、环境设施不良等造成。当这些外部干扰消除后．运转即可正常。但临时性故障能导致永久性故障。第10页，共65页，2023年，2月20日，星期五二、永久性故障

(一)按故障发生时间分 1．早发性故障

由于机械设备在设计、制造、装配、安装、调试等方面存在问题引起的。 2．突发性故障

这是由于各种不利因素和偶然的外界影响因素共同作用的结果。故障发生的特点是具有偶然性和突发性，事先无任何征兆．一般与使用时间无关，难以顶测。

例如；因润滑油中断而使零件产生热变形裂纹；因使用不当或出现超负荷引起零件折断；困各参数达到极限值而引起零件变形和断裂等。第11页，共65页，2023年，2月20日，星期五3．渐进性故障因机械设备技术特性参数的劣化过程，包括腐蚀、磨损、疲劳、老化等。逐渐发展而成的。特点是故障发生的概率与使用时间有关，设备有效寿命的后期表现出来。故障一经发生，就标志着寿命的终结。大部分机械设备的故障都属于这一类。第12页，共65页，2023年，2月20日，星期五4．复合型故障故障包括上述故障的特征，其故障发生的时间不定。机械设备工作能力耗损过程的速度与其耗损的性能有关。例如（1）零件内部存在着应力集中，当受到外界作用的最大冲击后，继续使用就可能逐渐发生裂纹；（2）摩擦副的磨损过程引起渐进性故障，而外界的磨粒会引起突发性故障。第13页，共65页，2023年，2月20日，星期五(二)按故障表现形式分

1．功能故障机械设备应有的工作能力或特性降低，不能工作，即丧失了它应有的功能，称功能故障。这类故障可通过操作者的直接感受或测定其输出参数而判断。例如关键零件坏了、精度丧失、传动效率降低，速度达不到标准值，使整机不能工作；生产率达不到规定的指标等。第14页，共65页，2023年，2月20日，星期五2．潜在故障故障逐渐发展，但尚未在功能方面表现出来，却又接近萌发的阶段。当这种情况能够鉴别时，即认为也是一种故障现象，称潜在故障。例如零件在疲劳破坏过程中，其裂纹的深度接近于允许的临界值时，便认为存在潜在故障。第15页，共65页，2023年，2月20日，星期五(三)根据故障产生的原因分1．人为故障由于在设计、制造、大修、使用、运输、管理等方面存在问题，使机械设备过早地丧失了它应有的功能，称人为故障。分为：

①错用性故障，这是指机械设备没有按照原设计规定的条件运转，超载、超速、超时，工作条件发生未料及的恶化等原因导致的故障。

②固有薄弱性故障，它来源于机械设备本身，如设计不当、制造工艺差、材料低劣等，是固有薄弱性环节构成故障隐患或故障诱发因素。第16页，共65页，2023年，2月20日，星期五2．自然故障机械设备在其使用和保有期内，因受到外部或内部各种不同的自然因素影响而引起的故障都属于自然故障。例如正常情况下的磨损、断裂、腐蚀、变形、蠕变、老化等损坏形式。第17页，共65页，2023年，2月20日，星期五(四)按故障造成后果分1．致命故障导致人身伤亡，引起机械设备报废或造成重大经济损失的故障。例如机架或机体断离、车轮脱落、发动机总成报废等。2．严重故障指严重影响机械设备正常使用，在较短的有效时间内无法排除的故障。例如发动机烧瓦、曲轴断裂、箱体裂纹、齿轮损坏等。第18页，共65页，2023年，2月20日，星期五3．一般故障明显影响机械设备正常使用，在较短的有效时间内可以排除的故障。例如传动带断裂、操纵手柄损坏、板金件开裂或开焊、电器开关损坏等。4．轻度故障轻度影响机械设备正常使用，能在日常保养中用随机工具轻易排除的故障。如轻微渗漏、一般紧固件松动等。第19页，共65页，2023年，2月20日，星期五第三节故障理论一、故障理论内容和组成故障理论揭示了机械设备在使用过程中的运动规律，它包括故障统计分析即故障宏观理论和故障物理分析即故障微观理论。第20页，共65页，2023年，2月20日，星期五二、故障规律从机械设备使用者的角度出发，对于曲线表示的早期故障率，由于出厂前已进行了调整，可认为已基本消除，不必考虑；随机故障通常容易排除，且一般不决定机械设备的寿命，唯有耗损故障才是影响有效寿命的决定性因素，因而是主要研究对象。第21页，共65页，2023年，2月20日，星期五故障率曲线浴盆曲线型浴盆曲线型是最常见的一种故障率类型1)早期故障期量设备安装试车后，经过磨合、调整将正常工作阶段。若进行大修或技术改造后，早期故障期将再次出现。2)随机故障期是机械设备的最佳工作期。3)耗损故障期，为两次大修间的正常工作时间。在这一时期出现前进行预防维修，或在这一时期刚出现时就进行小修，防止故障大量出现，降低故障率和减少维修工作量。第22页，共65页，2023年，2月20日，星期五

设备典型的故障率曲线图有效寿命拐点P偶发故障期耗损故障期早期故障期时间规定的故障率故障率经维修故障率下降第23页，共65页，2023年，2月20日，星期五第四节故障管理我们做设备故障管理的目的是通过故障原因分析去找到曲线图中的拐点P，经过设备保养和维修使故障率下降，从而延长其有效寿命。二。故障信息收集与统计：故障信息的主要内容包括：1）故障对象的种类/编号/生产厂家及使用的经历等；2）故障现象/故障时间；3）故障设备的历史资料；4）故障原因。第24页，共65页，2023年，2月20日，星期五三、故障原因的分析方法：目前在设备故障管理上普遍使用5W1H法和鱼骨图法。1）。5W1H的含义：which—哪台设备；where---在哪个车间；when—什么时间；what—发生什么故障；why—为什么会发生；how—如何去解决和预防以传送线脱轨故障为例：Which-传送线Where—车间When—例如10月20日晚What–传输链条脱轨第25页，共65页，2023年，2月20日，星期五Why/how:whywhy链条脱轨-----齿轮与链条没啮合好----1)网带边缘导向不够；

2）网带边缘铁丝凸起，堵塞传输；

3）下齿轮盘固定座螺杆松动，顶住网带。

1)在网带边缘增加导向轴承；

2将凸起的部分剪去，并修补破损的地方；

3紧固螺杆，并在螺杆上加一个固定螺母，避免其再次松动。How第26页，共65页，2023年，2月20日，星期五1）人的原因：是否新员工，操作设备不熟练/或不当人为损坏；2）机器的原因：是否机器设计不合理，或其他地方存在缺陷；3）材料的原因：是否机器零配件存在质量的问题。这就是为什么原装配件一般比更换的配件使用寿命较长的原因。2。鱼骨图法：人（man)机器（machine)材料（material)方法（method)环境（E）故障原因第27页，共65页，2023年，2月20日，星期五故障树FTA分析系统可靠性分析的基本目的在于通过系统可靠性模型的建立，了解确定系统可靠性的确切情况，找出薄弱环步，并预测系统可靠性。系统可靠性分析的两种基本方法是归纳法和演绎法.FTA是以系统所不希望发生的一个事件（顶事件）作为分析的目标，通过逐层向下推溯所有可能的原因，且每层推溯其直接原因，从而找出系统可能存在的元件失效，环境影响。认为失误，以及程序处理等硬件和软件因素与系统失效之间的逻辑关系FTA是一种系统化的演绎方法，它尽管比较繁琐，但可以按部就班地演绎下去，很适合于变成程序由计算机完成。第28页，共65页，2023年，2月20日，星期五故障树分析

第一步建立故障树

第二步故障树的定性分析

第三步故障树的定量分析第29页，共65页，2023年，2月20日，星期五第一步建立故障树

建立故障树是FTA最关键的一步，建立故障树实质上是找出系统发生故障和导致其故障的诸因素之间的逻辑关系，并将这种关系用故障树表示一建立故障树的常用符号根据GB4888-1985《故障树名词术语和符号》，见下页第30页，共65页，2023年，2月20日，星期五

第一步建立故障树

二建立故障树常用符号的说明

1事件符号包括顶事件，结果事件等

2逻辑门符号与门：表示仅当所有输入事件发生时输出事件才发生或门：表示至少一个输入事件发生时输出事件就发生

3转移符号相同转移符号，相似转移符号等第31页，共65页，2023年，2月20日，星期五

第一步建立故障树

三建立故障树的基本方法建树方法分为人工建树和计算机建树两种，我们研究人工建树。在建树过程中我们应该注意的几个方面问题：

1正确选取顶事件

(1)顶事件发生与否必须有明确的规定

(2)顶事件必须能进一步分解

(3)顶事件能定量度量第32页，共65页，2023年，2月20日，星期五2准确写出故障事件方框中的说明在故障树的每个事件方框中均应说明故障是什么，它在何种条件下发生。

3正确划分每个事件方框中故障的类型故障事件可分为部件状态故障和系统状态故障两种。

4严格遵守循序渐进的原则故障树应当逐级建立，逐级找出必须而充分的直接原因，在对下一级做任何考虑之前，必须完成上一步第33页，共65页，2023年，2月20日，星期五第二步故障树的定性分析

应用故障树可以对被研究的复杂系统所产生的故障进行定量分析，但有时候由于底事件失效概率不全，不能进行定量分析，此时也会用故障树对其进行定性分析。所谓定性地评定故障树就是找出导致顶事件发生的所有可能的故障模式，即求出故障的所有最小割集(MCS)，根据求出的最小割集，即使故障事件的概率规律和数据不十分清楚的情况下，也能判定系统可靠性最薄弱的环步和比较不同系统的可靠性程度。第34页，共65页，2023年，2月20日，星期五第二步故障树的定性分析

一求故障树最小割集的方法

这种方法又称为Fussell-Vesely法，基本思路是由顶事件开始逐级向下，区别不同逻辑关系分别表示。紧接定事件的若是或门，则把输入事件分别列入不同的行；紧接定事件的若是与门，则把每个输入事件排列同一行。依次从上到下分解，直到不能再分解的基本事件位置，最后经过全面分析比较，剔除非最小割集，求得最小割集。第35页，共65页，2023年，2月20日，星期五

二应用最小割集对故障树进行定性评定最小割集所含基本事件的数目叫做该最小割集的“阶数”。如果各个基本时间发生概率比较小，它们之间的差别相对地不大，那么阶数越低的最小割集的重要性越大，显然只由一个基本事件构成的一阶最小割集最重要。所以我们用以下原则进行定性分析比较：第36页，共65页，2023年，2月20日，星期五1比较小概率失效元件责成的各种系统失效概率时，其故障树所含最小割集的最小阶数越小，系统的失效概率越高；在所含最小割集的最小阶数相同的情况下，该阶数的最小割集的个数越多，系统的失效概率越高。

2比较统一系统各基本事件的重要性时，按各基本事件在不同阶数的最小割集中出现的次数来确定其重要性大小。所在最小割集的阶数越小，出现的次数越多，该基本事件的重要性越大。第37页，共65页，2023年，2月20日，星期五第38页，共65页，2023年，2月20日，星期五第39页，共65页，2023年，2月20日，星期五第三步故障树的定量分析

故障树的定量分析主要有两方面的内容：一是由输入系统各单元(顶事件)的失效概率求出系统的失效概率；二是求出各单元(顶事件)的结构重要度，概率重要度和关键重要度，最后可根据关键重要度的大小排序找出最佳故障诊断和修理顺序，同时也可作为首先改善相对不大可靠的单元的数据。第40页，共65页，2023年，2月20日，星期五第41页，共65页，2023年，2月20日，星期五第四节故障诊断简介机械设备出现故障后，使某些特性改变，产生能量、力、热及摩擦等各种物理和化学参数，发出各种不同的信息，捕捉这些变化的征兆．检测变化的信号及规律，从而判定故障发生的部位，性质大小，分析原因和异常情况，预报未来，判别损坏情况，做出决策，清除故障隐患，防止事故的发生，这就是故障诊断。它是一门识别机械设备运行状态的科学。第42页，共65页，2023年，2月20日，星期五一、诊断技术的原理和任务1.原理在机械设备中，运用诊断手段获取各种信息，反映它的技术状况。当参数超越一定范围，就有故障的征兆。例如：某机械运转的噪声，当机械中的某些配合件因磨损等原因引起配合间隙增大时，就会出现冲击和振动，从而使噪声进一步增大。所以，噪声反应了故障的征兆。第43页，共65页，2023年，2月20日，星期五2、诊断参数技术状况参数有许多，如温度、压力、流量、电流、电压、功率、转速、噪声、振动等。机械设备故障诊断的技术原理如图1-3所示。3、任务1)弄清引起机械设备的劣化或故障的主要原因——应力状况。2)掌握机械设备劣化、故障的部位、程度及原因等情况。3)了解机械设备的性能、强度、效率，做出诊断决策。4)预测机械设备的可靠性及使用寿命。第44页，共65页，2023年，2月20日，星期五二、诊断技术的分类(1)功能和运行诊断

诊断目的是检测机械设备的功能状态和运行中的工况。(2)直接和间接诊断

直接诊断是对机械设备或零部件直接观察和测试；由于受结构和运行条件等因素的限制不能进行直接诊断，而通过二次诊断信息间接地得到有关运行工况的诊断称间接诊断。第45页，共65页，2023年，2月20日，星期五(3)常规和特殊诊断

常规诊断属于机械设备正常运行条件下进行的诊断，一般情况下最常用；对正常运行条件难以取得的诊断信息，通过一个非正常运行条件取得的信息和进行诊断称特殊诊断。(4)简易和精密诊断

由一般维修人员对机械设备进行概括性的评价称简易诊断；而精密诊断则是在简易诊断的基础上由专家对工况作精确的诊断。(5)定期诊断和在线监控

定期诊断是每隔一定的时间对机械设备的各规定部位进行一次检查和诊断，又叫巡回检查。第46页，共65页，2023年，2月20日，星期五三、过程故障诊断的基本过程如图1-4所示。在故障诊断过程中，应能在不拆卸机械设备的条件下定量检测和评价其各部分的运动、受力、磨损、缺陷、性能劣化和故障状态等；应能确定故障性质、部位、程度和发展趋势，预测可靠性程度；应能确定发生异常时的修复方法。第47页，共65页，2023年，2月20日，星期五

四、方法(一)信号的获取1．直接观察根据决策人的知识和经验对机械设备的运行状态作出判断的方法，它是现场经常使用的方法。2．性能测定通过对功能进行测定取得信息，主要有振动、声音、光、温度、压力、电参数、表面形貌、污染物情况等。3.磨损残余物分析通过对零部件磨损残余物在润滑油中含量和混浊度变化的测定，分析油样，可以迅速获取失效的有关信息。第48页，共65页，2023年，2月20日，星期五(二)信息的监测预分析

1．凭五官进行外观检查

利用人体的感官，听其音、嗅其味、看其动、感其温，从而直接观察到故障信号，丰富的经验和维修技术判定故障可能出现的部位与原因，达到预测预报的目的。

这些经验与技术对于小厂和普通机械设备是非常重要的，即使将来科学技术高度发展，也不可能有仪器设备监测诊断技术取代。第49页，共65页，2023年，2月20日，星期五2．振动测量振动是一切做回转或往复运动的机械设备最普遍的现象。产生振动的根本原因是机械设备本身及其周围环境介质受至振源的激振。激振来源于两类因素：一是回转件或往复件的缺陷，主要包括①失衡，即相对于回转轴线的质量分布不均，在运转时产生惯性力，构成激振的原因。第50页，共65页，2023年，2月20日，星期五②往复件的冲击，如以平面连杆机构原理作运动的机械设备，连杆往复运动产生的惯性力，其方向作周期性改变，形成了冲击作用，这在结构上很难避免。③转子弯曲变形和零件失落，造成质量分布不均，在回转时产生离心惯性力，导致振动。④制造质量不高，特别是零件或构件的形状位置精度不高是质量失衡的原因之一。⑤回转体上的零件松动增加了质量分布不均，轴与轴承的间隙固磨损加大也增加了失衡。第51页，共65页，2023年，2月20日，星期五二是机械设备的结构，主要包括①齿轮由于制造误差导致轮齿啮合不好，轮齿间的作用力在大小、方向上发生周期性变化。随着齿_轮在运转中的磨损和点蚀等现象日益严重，这种周期性的激振也日趋恶化。②联轴器和离台器的结构不合理带来失衡和冲击。③滑动轴承的油膜涡动和振荡。④滚动轴承中滚动体不平衡径向游隙。⑤基座扭曲。⑥电源激励。⑦压力脉动等。第52页，共65页，2023年，2月20日，星期五振动测量与分析系统由四个基本部分组成：

即传感器、测量仪器、分析仪器和记录仪器。

该系统实际由传感器和测量仪器两部分组成。

传感器的种类：

即感受振动位移的位移传感器；感受振动速度的速度传感器；感受加速度的加速度传感器。目前应用最广的是压电式加速度计．第53页，共65页，2023年，2月20日，星期五3．噪声测量机械设备噪声的声源：；一类是运动的零部件，如电动机、油泵、齿轮、轴、轴承承等，其噪声频率与它们的运动频率或固有频率有关；另一类是不动的零件，如箱体、盖板、机架等，其噪声是声源或振源的诱发而产生共鸣引起的。

噪声测量主要是测量声压级。测量仪器可用简单的声级计，也可用复杂的实验室分析和处理系统。

声级计由传声器、放大器、衰减器、计权网络、均方根检波电路和电表组成。

常用的电子听诊器是一种由振动加速度传感器，将振动状况转换成电信号，并进行放大，实现定性测量的高效简便监测仪器。用耳机监听机械设备运行的振动声响，通过测量各种工作状况的信号，并进行对比，判断是否存在故障及大小。第54页，共65页，2023年，2月20日，星期五4．温度测量(1)接触式传感器通过与被测对象的接触，由传感器感温元件的温度反映出测温对象的温度。(2)非接触式传感器这类仪器是利用热辐射与绝对温度的关系来显示温度。如光学高温计．辐射高温计、红外测量仪、红外热像仪等。(3)温度指示漆、粉笔、带和片它们的工作原理是从漆、粉笔、带和片的颜色变化来反映温度变化。测温方法精度不高，但相当方便。第55页，共65页，2023年，2月20日，星期五5.声发射检测各种材料由于外加应力作用，在内部结构发生变化时都会以弹性波的方式释放应变能量，这种现象称声发射。如木材的断裂、金属材料内部晶格错位、晶界滑移或微观裂纹的出现和扩展。人耳感知，不能感知（超声范围）声发射检测特点：1、需对构建加应力2、是一种动态检测，可客观评价运行中机械设备的安全性和可靠性。3、灵敏度高、检查覆盖面积大、不会漏检、可远距离监测。第56页，共65页，2023年，2月20日，星期五5．油样分析由于在油中带有大量的零部件磨损状况的信息，所阻通过对油样的分析可间接监测磨损的类型和程度，判断磨损的部位，找出磨损的原因，进而预测寿命，为维修提供依据。例如，在活塞式发动机中，当油液中锡的含量增高时，可能表明轴承处于磨损的早期阶段；铝的含量增高划表明活塞磨损。第57页，共65页，2023年，2月20日，星期五常用的油样分析方法(1)磁塞分析法将一-枝带磁性的油塞安置在润滑油路的适当部位，利用磁性收集油中的磨损残渣，借助读数显微镜或直接用人的眼睛，观察残渣的大小、数量、形状和特点，来判断磨损状态。磁塞检查的效果取决于残渣被磁塞捕捉到的机会和磨损状况两个方面。磁塞应安放于润滑油的主要通道上．并具有足够大的磁场强度。适用于对带磁性的材料进行分析，其残渣50微米以上。第58页，共65页，2023年，2月20日，星期五(2)光谱分析法它能检测出铅、铁、铬、银、铜、锡、镁、铝和镍等金属元素。运用原子吸收光谱或原子发射光谱分析润滑油中各种金属的含量和戚分．定量地判断磨损程度。1)原子发射光谱(AES)分析法油样在高温状态下用带电粒子撞击(一般用电火花)，使之发射出代表各元素特征的各种被长的辐射线。2)原子吸收光谱(AAS)分析法利用处于基态的原子可以吸收相同原子发射的相同波长的光子能营而受激的原理。由于光谱分析法本身的限制，不能给出磨损残渣的形貌细节，而分析的残渣一般只能小于2微米。第59页，共65页，2023年，2月20日，星期五 6．频闪观察法 频闪观测仪，利用人跟具有视觉停留的特点，对准所要观测的运动零部件，使闪光的次数与机件的转速或往复次数一致，对能看到的部位产生了停止