第二章 设备的可靠性管理

第二章设备的可靠性机械维修基础理论第一节机械故障理论概述

故障理论揭示了机械系统进入生产过程后的运动规律（宏观的、微观的），是维修战略（维修方式、策略、管理、改造和更新等）的决策依据，并且对维修技术的应用和发展有重要影响。

本篇主要讲授机械在使用过程中受到的各种能量作用，而使零部件、机构或整机出现故障的微观物理成因及在不同物理成因作用下，故障的宏观发展规律，简单讨论零件的失效规律，机器、总成和零件的极限状态及其状态参数的变化顾虑，为机器的预防维修提供科学的依据，以便采取相应的技术措施，进行科学、合理的使用，对降低作业成本，确保（机器、人身）安全，延长使用寿命具有重要的意义。§1-1机械故障与可靠性的概念设备的7大损失中，影响效率的最重要因素是故障损失。(1)

故障损失(2)

换模换线、调整损失(3)

刀具交换损失(4)

暖机损失(5)

短暂停机、空转损失(6)

速度降低损失(7)

不良、修改损失

提高对故障与维修的认识及维修水平是进行现代机械设备管理的基础。一、故障的概念

机械故障----结构、机器或机械零件在尺寸、形状、材料性质方面的改变，使结构、机器或机械零件不能达到原设计要求的功能或者改变原有的各种参数，称为机械故障。“故障就是设备失去了规定的功能”。

就“故障就是设备失去了规定的功能”这一定义而言，从功能的失去形式来看，可将故障分为两类。

1．功能停止型故障。

一般称为“突发性故障”。

2．功能下降型故障。

设备虽运转，但常产生废品，检查停机，速度下降等损失，不能充分发挥设备的功能，指部分缺陷的场合。比如荧光灯一会儿暗，一会明，频频发生。（一）故障的定义

故障(Fault)的定义：

是指在使用过程中，其技术性能指标已不符合规定的技术指标时的技术状态。机械或设备丧失其规定功能的现象，称为故障。（二）故障的相对性故障的识别关键在于合格与不合格的分界线，它不仅取决于所研究的机构功能，而且还取决于设备的性质和事使用范畴。例如，航空发动机润滑油消耗的增大，对于短程或中程飞行或许不会成为问题，而在远程飞行时，同样的润滑油消耗率就会把滑油消耗光。因此，不同的使用部门有不同的规定。但是在一个使用部门之内，则应把每个机构的合格状态与不合格状态以名确无误的术语及数量标准定义清楚。二

故障和可靠性（一）可靠性的概念

1.定义：设备或系统在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。

可靠性是指机器或产品随时间的变化，保持自身工作能力不出故障的性能。

“规定的条件”：使用条件和环境条件。“规定的时间”：预期的寿命。“规定功能”：功能参数指标，判断失效的依据。这里的工作能力概念不但包含完成必要功能的能力，而且还包括将机器产品各项功能的输出参数保持在允许范围内的能力．因此机器的可靠性是一种综合性能，从概念上讲，包括了机器的无故障性（可靠性）和耐久性（有效度）。产品的无故障性是指机器在某一时期内（或某一段实际工作时间内）连续不断地保持其工作能力的性能。

产品的耐久性是指机器或产品在达到报废之前，保持其工作能力的性能，即在整个使用期内并在规定的维护保养修理制度条件下保持工作能力的性能。（二）故障和可靠性的关系产品质量功能有效性（广义可靠性）可靠性维修性固有可靠性使用可靠性环境适应性（三）评价机器无故障性（可靠性）的指标

评价机器产品无故障性的主要指标就是产品的无故障概率（P(t)），也称可靠度（R(t)），即在规定的时间间隔t=T内，机器不发生故障的概率。它是描述机器故障定量指标，P(t)的变化范围是0≤P(t)≤1。例如，若机器在T=1000小时内无故障率为0.95，它说明一大批该机器中平均约有5%的机器在工作达到1000小时之前，将出现故障。

可靠性衡量指标

（1）可靠度（Reliability）：设备或系统在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的概率。用R（t）表示。R（t）＝P（T>t）,t---规定的时刻，0

R（t）

1（2）不可靠度F（t）表示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。即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，所以F（t）也称为故障分布函数，如图1-10b)所示，可靠性研究中多以F（t）为对象。

（3）故障密度f（t）

表示设备在t时刻故障的变化速度。若故障分布函数F（t）连续可导，则故障密度f（t）＝dF（t）／d(t)；若F（t）不是连续可导函数时，则用经验（平均）密度公式（现场统计中多采用）。故障密度f（t）与时间的关系如图1-1所示。

（4）故障率

（t）：正常工作到某时刻t后的机械，在该时刻后的单位时间内发生故障的概率。

（5）平均故障间隔时间MTBF（MeanTimeBetweenFailure）（四）系统的可靠性系统是一个能够完成规定功能的综合体。它由若干独立的单元组成，每个独立单元不仅要完成各自的规定功能，而且还要在系统中与其它单元发生联系。根据单元在系统中的联接方式不同，可分为三类：

1、串联系统在组成系统的单元中只要有一个发生故障，系统就不能完成规定的功能，这种系统称为串联系统。12n-1n…串联系统大多数机械的传动系统均是串联系统，当串联系统由n个单元组成，它们的可靠度分别为R1、R2、。。。、Rn时，根据概率乘法定理，系统的可靠度为Rs若各单元的R都相等，则Rs=Rn

由于Ri≤1，所以单元数目愈多，系统的Rs就愈低。可见，在满足规定功能的前提下，系统愈简单，可靠性愈高。536712485367单级圆柱齿轮减速器1轴2键3齿轮4滚动轴承5键6滚动轴承7轴8齿轮例：计算单级圆柱齿轮减速器的可靠度，见右图所示。已知使用寿命5000h内各零件的可靠度分别为：轴1、7的R1、7=0.995;滚动轴承4、6R4、6=0.94;齿轮3、8R3、8=0.99;键2、5R2、5=0.9999；解：系统的可靠度

串联系统的可靠度低于任何一个单元的可靠度。若要提高一个单元的可靠度，就应当提高系统中可靠度最低的那个单元。

2、并联系统

并联系统又称冗余系统，即系统中只要有一个单元没有失效，系统仍能维持工作。若几个单元同时投入运转，有一个出现故障，其它单元还能维持的称工作储备并联系统，如下图所示。12n…工作储备并联系统如果几个单元中只有一个投入运转，当该单元损坏之后，可换成另一个单元运转，系统不受影响，叫作非工作储备并联系统，如下图所示。12n…非工作储备并联系统并联系统的可靠度RS为：若各单元的都相等，则

可见，并联系统的单元数目愈多，系统的可靠度愈高，但体积、质量、成本也增加。在机械系统中，并联系统因结构复杂、成本昂贵，用的较少，只有在可靠性要求高，且结构上允许时才使用，一般n=2或n=3。例：由５个可靠度均为0.9的单元组成并联系统，求其系统可靠度。解：按公式计算可见，并联系统的可靠度大于每个单元的可靠度，这是在机械设备方案规划设计和布局安装过程中采用冗余技术的根据。

若要提高系统的可靠性，需提高可靠度最大的单元的可靠度。3、混联系统由串联及并联系统组合而成的系统称为混联系统。分为两种：一是串并联系统，见图a);

另一是并串联系统，见图b)12n…12m…12m…12m……图a)串并联系统12n…12n-1n…12n-1n…12n-1n………………12m图b)并串联系统

混联系统可靠性的计算没有一成不变的公式，而需具体分析。通常，串并联系统的可靠度计算是先将并联单元系统转化为一个等效的串联系统，然后再按串联系统计算。并串联系统的可靠度则先分别计算串联系统的可靠度，然后再按并联系统计算。现以常用的2K-H行星齿轮减速器为例加以说明，见图a)所示，该图可简化为串并联系统，如图b)所示。太阳轮1太阳轮3行星轮2n2T2n1T1R2R2R2R3R1图b)图a)三个行星轮2组成一并联系统,若不计轴、轴承、键的可靠度，则并联系统的可靠度把它转化为一个等效的串联系统，按串联系统公式计算，即系统的可靠度系统与系统结构模型分类

纯并联系统串联系统工作贮备系统系统（并联冗余系统）r/n表决系统并联系统理想旁联系统混联系统非工作贮备系统（旁联系统）非理想旁联系统k/n表决系统n为组成系统的单元数,k为要求至少同时正常工作的单元数。以2/3表决系统为例计算可靠度。

保证系统正常运行，有下面4种情况⑴A、B、C均正常工作⑵A失效B、C正常工作⑶B失效A、C正常工作⑷C失效A、B正常工作ABCRS=RARBRC+FARBRC+FBRARC+FCRARB=RARBRC(1+FA/RA+FB/RB+FC/RC)若三个单元的可靠度均为R时，则RS=R³(1+3F/R)=R³+3R²F=R³+3R²(1R)=3R²2R³例：有三个可靠度均为0.9的单元组成的系统，试比较纯并联及2/3表决系统的可靠度。解：纯并联系统可靠度：

RS=1(1Ri)=1(10.9)³=10.1³=0.999

2/3表决系统可靠度为：

RS=3R²2R³=3²0.9²=0.972

一般公式：n中取k系统的可靠度可按二项式分布计算

例：2/4表决系统RA=RB=RC=RD=0.9,求RS=?解：系统的可靠度分配可靠性分配数学模型的三个基本阶段：

1、各单元的失效是相互独立的。

2、各单元的失效率为常数。

3、任一单元失效回引起系统的失效，即系统是由单元串联而成。在作可靠性分配时，它们必须满足以下的函数关系：ƒ(R1,R2,…,Rn)≥RS①式中：RS—系统规定的可靠度指标

Ri—分配给第i单元的可靠度例：由三个单元组成的系统,设各单元费用相等,问为满足系统的可靠度为0.729时，对各个单元应分配的可靠度为多少?解:Ri=(RS)1/n=0.7291/3=0.9即R1=R2=R3=0.9例：由三个单元组成的并联系统,若每个单元分配的可靠度相等,即R1=R2=R3=R,已知系统的可靠度指标Rs=0.99,试求分配到各个单元的可靠度。解:∵RS=1(1R1)(1R2)(1R3)=1(1R)³∴R=1(1RS)1/3=1(10.99)1/3=0.7845∴R1=R2=R3=0.7845可维修性（