第一章 1故障理論

1、第一章工程機(jī)械檢測與維修基本理論與技術(shù)第一章工程機(jī)械檢測與維修基本理論與技術(shù) 1.1工程機(jī)械故障理論（可靠性理論）工程機(jī)械故障理論（可靠性理論） 一、機(jī)械故障的概念一、機(jī)械故障的概念 教材上解釋：機(jī)械系統(tǒng)因偏離設(shè)計(jì)狀態(tài)而喪失部分或全教材上解釋：機(jī)械系統(tǒng)因偏離設(shè)計(jì)狀態(tài)而喪失部分或全部功能，或機(jī)械設(shè)備、零件喪失了規(guī)定功能的狀態(tài)。部功能，或機(jī)械設(shè)備、零件喪失了規(guī)定功能的狀態(tài)。 嚴(yán)格意義上講：機(jī)械的各項(xiàng)指標(biāo)偏離了正常狀態(tài)所允許嚴(yán)格意義上講：機(jī)械的各項(xiàng)指標(biāo)偏離了正常狀態(tài)所允許范圍即謂之故障。范圍即謂之故障。 二、故障的分類二、故障的分類 按故障產(chǎn)生原因的性質(zhì)分按故障產(chǎn)生原因的性質(zhì)分 人為故障：即由于設(shè)計(jì)

2、、制造、使用、維護(hù)、修理、人為故障：即由于設(shè)計(jì)、制造、使用、維護(hù)、修理、管理不當(dāng)所致的。它包括課本上所講的錯(cuò)用性故障、先管理不當(dāng)所致的。它包括課本上所講的錯(cuò)用性故障、先天性故障、早發(fā)性故障等。天性故障、早發(fā)性故障等。 自然故障：機(jī)械由于受內(nèi)、外部各種不可避免的自然自然故障：機(jī)械由于受內(nèi)、外部各種不可避免的自然因素的影響而產(chǎn)生的故障。如：自然磨損、老化、疲勞因素的影響而產(chǎn)生的故障。如：自然磨損、老化、疲勞等。等。 二、故障的分類二、故障的分類 按故障發(fā)生時(shí)間與使用時(shí)間關(guān)系分按故障發(fā)生時(shí)間與使用時(shí)間關(guān)系分 早發(fā)性故障早發(fā)性故障 由于機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造、裝配、調(diào)試不當(dāng)（缺陷）由于機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制

3、造、裝配、調(diào)試不當(dāng)（缺陷）而引起的早期表現(xiàn)出的故障。如：調(diào)試期、磨合期等的而引起的早期表現(xiàn)出的故障。如：調(diào)試期、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。 突發(fā)性故障突發(fā)性故障 各種偶然因素作用下，突然發(fā)生的故障。特點(diǎn)：與使用各種偶然因素作用下，突然發(fā)生的故障。特點(diǎn)：與使用時(shí)間無關(guān)，事先無法檢測預(yù)防，具有偶然與突發(fā)性。如：時(shí)間無關(guān)，事先無法檢測預(yù)防，具有偶然與突發(fā)性。如：輪胎軋破，推土機(jī)刀刃碰壞等。輪胎軋破，推土機(jī)刀刃碰壞等。 漸進(jìn)性故障漸進(jìn)性故障 由于機(jī)械各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)不斷劣化逐漸發(fā)展而成的故障。由于機(jī)械各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)不斷劣化逐漸發(fā)展而成的故障。特點(diǎn)：與使用時(shí)間長短有關(guān)，一般可預(yù)

4、先檢測預(yù)測，有特點(diǎn)：與使用時(shí)間長短有關(guān)，一般可預(yù)先檢測預(yù)測，有一定規(guī)律性。如：氣缸、活塞環(huán)磨損等。一定規(guī)律性。如：氣缸、活塞環(huán)磨損等。二、故障的分類二、故障的分類 按照故障對外表現(xiàn)程度分按照故障對外表現(xiàn)程度分 功能性故障功能性故障 致使機(jī)械喪失了工作能力或工作能力有明顯下降的故障。致使機(jī)械喪失了工作能力或工作能力有明顯下降的故障。特點(diǎn)：可通過測量輸出參數(shù)或從外觀表象可判斷。特點(diǎn)：可通過測量輸出參數(shù)或從外觀表象可判斷。 如：一般意義上所說的各種故障。如：一般意義上所說的各種故障。 潛在性故障潛在性故障 指故障在發(fā)展過程中，雖未在功能上有所表現(xiàn)，但已接指故障在發(fā)展過程中，雖未在功能上有所表現(xiàn)，但已

5、接近萌發(fā)，此時(shí)一旦發(fā)現(xiàn)即稱之為潛在故障。特點(diǎn)：功能近萌發(fā)，此時(shí)一旦發(fā)現(xiàn)即稱之為潛在故障。特點(diǎn)：功能上無表現(xiàn)，但可檢測出。上無表現(xiàn)，但可檢測出。 如：疲勞斷裂零件在完全斷裂之前。如：疲勞斷裂零件在完全斷裂之前。 按照故障后果的嚴(yán)重程度（對機(jī)械本身）分按照故障后果的嚴(yán)重程度（對機(jī)械本身）分 輕度故障輕度故障 輕度影響機(jī)械的正常使用，能在日常保養(yǎng)維護(hù)中用隨機(jī)輕度影響機(jī)械的正常使用，能在日常保養(yǎng)維護(hù)中用隨機(jī)工具輕易排除的故障（工具輕易排除的故障（30min以內(nèi)）。以內(nèi)）。二、故障的分類二、故障的分類 一般故障一般故障 明顯影響機(jī)械的正常使用（造成停機(jī)或性能下降），但明顯影響機(jī)械的正常使用（造成停機(jī)或性

6、能下降），但未造成主要總成和零件損壞，在較短時(shí)間內(nèi)（如：挖掘未造成主要總成和零件損壞，在較短時(shí)間內(nèi)（如：挖掘機(jī)機(jī)1h，壓路機(jī)，壓路機(jī)2 h）可以排除的故障（現(xiàn)場可排除）。）可以排除的故障（現(xiàn)場可排除）。 嚴(yán)重故障嚴(yán)重故障 嚴(yán)重影響機(jī)械的正常使用（性能顯著下降），造成主要嚴(yán)重影響機(jī)械的正常使用（性能顯著下降），造成主要總成和零件損壞，在較短時(shí)間內(nèi)無法排除的故障（一般總成和零件損壞，在較短時(shí)間內(nèi)無法排除的故障（一般需進(jìn)修理廠排除）。需進(jìn)修理廠排除）。 致命故障致命故障 可能導(dǎo)致人身傷亡，引起機(jī)械報(bào)廢或造成重大經(jīng)濟(jì)損失可能導(dǎo)致人身傷亡，引起機(jī)械報(bào)廢或造成重大經(jīng)濟(jì)損失的故障（主要總成完全失效）。的故障

7、（主要總成完全失效）。 例：液壓挖掘機(jī)可靠性試驗(yàn)國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定只要發(fā)生致命例：液壓挖掘機(jī)可靠性試驗(yàn)國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定只要發(fā)生致命故障即判為不合格（液壓挖掘機(jī)試驗(yàn)時(shí)間故障即判為不合格（液壓挖掘機(jī)試驗(yàn)時(shí)間800h，壓路，壓路機(jī)為機(jī)為400h）。）。三、機(jī)械故障的量度指標(biāo)三、機(jī)械故障的量度指標(biāo) 累積故障率累積故障率F(t) 指機(jī)械在規(guī)定的使用條件下，使用到某一時(shí)刻指機(jī)械在規(guī)定的使用條件下，使用到某一時(shí)刻t時(shí)發(fā)生時(shí)發(fā)生故障的累積概率（在可靠性理論中稱為不可靠度）。它故障的累積概率（在可靠性理論中稱為不可靠度）。它是故障密度是故障密度f(t)的積累函數(shù)。的積累函數(shù)。F(t)=0t f(t)dt ; 當(dāng)當(dāng)t時(shí)，時(shí)

8、， F(t)= 1. 故障密度故障密度f(t) 指在機(jī)械使用至指在機(jī)械使用至t時(shí)刻后的很短一段時(shí)間內(nèi)的故障概率。時(shí)刻后的很短一段時(shí)間內(nèi)的故障概率。他反映的是故障概率隨時(shí)間變化而變化的情況，某一時(shí)他反映的是故障概率隨時(shí)間變化而變化的情況，某一時(shí)刻的故障密度大，則故障概率增加的快。故障密度可通刻的故障密度大，則故障概率增加的快。故障密度可通過實(shí)驗(yàn)測得。過實(shí)驗(yàn)測得。 例如：在例如：在 t 時(shí)刻給定的時(shí)刻給定的t 時(shí)間間隔內(nèi)，時(shí)間間隔內(nèi)，N臺產(chǎn)品（樣品臺產(chǎn)品（樣品總數(shù)）發(fā)生故障的數(shù)量為總數(shù)）發(fā)生故障的數(shù)量為n(t)，則經(jīng)驗(yàn)故障密度可按，則經(jīng)驗(yàn)故障密度可按 f (t)=1/Nn(t)/ t計(jì)算（即故障數(shù)

9、與總數(shù)之比）。計(jì)算（即故障數(shù)與總數(shù)之比）。 由于在可靠性試驗(yàn)后期，殘存的產(chǎn)品數(shù)量越來越少，在由于在可靠性試驗(yàn)后期，殘存的產(chǎn)品數(shù)量越來越少，在同一同一t時(shí)間內(nèi)時(shí)間內(nèi)n(t)也越來越少，最后趨于零，難于準(zhǔn)也越來越少，最后趨于零，難于準(zhǔn)確反映產(chǎn)品的故障概率，故產(chǎn)品可靠性評價(jià)中引入故障確反映產(chǎn)品的故障概率，故產(chǎn)品可靠性評價(jià)中引入故障率率(t)概念。概念。三、機(jī)械故障的量度指標(biāo)三、機(jī)械故障的量度指標(biāo) 故障率故障率(t) 瞬時(shí)故障率：產(chǎn)品在某一瞬時(shí)瞬時(shí)故障率：產(chǎn)品在某一瞬時(shí)t之前不發(fā)生故障，之之前不發(fā)生故障，之后的單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生故障的概率。是一條件概率，用后的單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生故障的概率。是一條件概率，用(t

10、)表示。可按表示?？砂?t)=1/N存存dn(t)/dt= 1/N存存n(t)/ t計(jì)計(jì)算。（實(shí)為故障數(shù)與殘存數(shù)之比）算。（實(shí)為故障數(shù)與殘存數(shù)之比） 平均故障率平均故障率 平均故障率是指產(chǎn)品在某一時(shí)刻之前不發(fā)生故障，之后平均故障率是指產(chǎn)品在某一時(shí)刻之前不發(fā)生故障，之后某一段時(shí)間內(nèi)單位時(shí)間發(fā)生故障的概率。某一段時(shí)間內(nèi)單位時(shí)間發(fā)生故障的概率。 其可按其可按 (t)= 1/N存存n(t)/ t計(jì)算。計(jì)算。 與故障密度間關(guān)系與故障密度間關(guān)系 故障密度為單位時(shí)間內(nèi)故障數(shù)與總數(shù)的比值，故障率是故障密度為單位時(shí)間內(nèi)故障數(shù)與總數(shù)的比值，故障率是單位時(shí)間內(nèi)故障數(shù)與殘存數(shù)的比值，后者較前者更能反單位時(shí)間內(nèi)故障數(shù)與

11、殘存數(shù)的比值，后者較前者更能反映故障的變化情況，即更靈敏。映故障的變化情況，即更靈敏。 平均故障間隔期（平均故障間隔期（MTBF） 平均故障間隔期是指相鄰兩次故障間的平均時(shí)間。平均故障間隔期是指相鄰兩次故障間的平均時(shí)間。 四、機(jī)械產(chǎn)品的可靠性評價(jià)四、機(jī)械產(chǎn)品的可靠性評價(jià) 產(chǎn)品的可靠性是指產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成規(guī)產(chǎn)品的可靠性是指產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。對于工程機(jī)械即是在規(guī)定的作業(yè)工況、使用維護(hù)、定功能的能力。對于工程機(jī)械即是在規(guī)定的作業(yè)工況、使用維護(hù)、貯存、運(yùn)輸?shù)葪l件下，在規(guī)定的工作時(shí)間內(nèi)，保持規(guī)定的技術(shù)指貯存、運(yùn)輸?shù)葪l件下，在規(guī)定的工作時(shí)間內(nèi)，保持

12、規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)并完成規(guī)定功能的能力，即不發(fā)生故障的能力。它反映的是產(chǎn)標(biāo)并完成規(guī)定功能的能力，即不發(fā)生故障的能力。它反映的是產(chǎn)品的時(shí)間質(zhì)量指標(biāo)，其定量評價(jià)可從如下五個(gè)方面進(jìn)行：品的時(shí)間質(zhì)量指標(biāo)，其定量評價(jià)可從如下五個(gè)方面進(jìn)行： 無故障性指標(biāo)無故障性指標(biāo) 首次故障前平均工作時(shí)間（首次故障前平均工作時(shí)間（MTTFF），即首次發(fā)生一般故障），即首次發(fā)生一般故障或嚴(yán)重、致命故障時(shí)的平均工作時(shí)間?；驀?yán)重、致命故障時(shí)的平均工作時(shí)間。 平均故障間隔時(shí)間（平均故障間隔時(shí)間（MTBF），即可修復(fù)機(jī)械設(shè)備或零部件相），即可修復(fù)機(jī)械設(shè)備或零部件相鄰兩次故障之間的平均工作時(shí)間。鄰兩次故障之間的平均工作時(shí)間。 平均停機(jī)故

13、障間隔時(shí)間（平均停機(jī)故障間隔時(shí)間（DTMTBF），即可修復(fù)機(jī)械設(shè)備或零），即可修復(fù)機(jī)械設(shè)備或零部件相鄰兩次停機(jī)故障的平均工作時(shí)間。部件相鄰兩次停機(jī)故障的平均工作時(shí)間。 故障率故障率(t)，在時(shí)間，在時(shí)間t之前尚未發(fā)生故障而在隨后的單位時(shí)間內(nèi)之前尚未發(fā)生故障而在隨后的單位時(shí)間內(nèi)可能發(fā)生故障的條件概率。可能發(fā)生故障的條件概率。 平均百臺修理次數(shù)（平均百臺修理次數(shù)（RDH），即在規(guī)定的使用或試驗(yàn)條件下，），即在規(guī)定的使用或試驗(yàn)條件下，在某一時(shí)刻或時(shí)間范圍內(nèi)，平均百臺需要修理的次數(shù)。在某一時(shí)刻或時(shí)間范圍內(nèi)，平均百臺需要修理的次數(shù)。四、機(jī)械產(chǎn)品的可靠性評價(jià)四、機(jī)械產(chǎn)品的可靠性評價(jià) 維修性指標(biāo)維修性指標(biāo)

14、平均事后維修（修復(fù)）時(shí)間（平均事后維修（修復(fù)）時(shí)間（MTTR） 即可修復(fù)機(jī)械設(shè)備或零部件使用到某一時(shí)刻所有故障維即可修復(fù)機(jī)械設(shè)備或零部件使用到某一時(shí)刻所有故障維修的平均有效時(shí)間。修的平均有效時(shí)間。 MTTR=1/nti,i=1,2,n;其中：其中：ti：第：第i次故障的修復(fù)時(shí)間，次故障的修復(fù)時(shí)間，n：發(fā)生故障的總次數(shù)。：發(fā)生故障的總次數(shù)。 維修度維修度M(t) 即可修復(fù)產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成維修即可修復(fù)產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成維修的概率。的概率。 M(t)=0tm(t)dt；其中：；其中：m(t)為維修概率密度為維修概率密度函數(shù)。函數(shù)。 維修率維修率(t) 與故障率類

15、似，是指維修時(shí)間達(dá)到某時(shí)刻與故障率類似，是指維修時(shí)間達(dá)到某時(shí)刻t尚未修復(fù)的尚未修復(fù)的產(chǎn)品，在該時(shí)刻后單位時(shí)間內(nèi)完成修復(fù)的條件概率。產(chǎn)品，在該時(shí)刻后單位時(shí)間內(nèi)完成修復(fù)的條件概率。 (t)= m(t)/1- M(t)四、機(jī)械產(chǎn)品的可靠性評價(jià)四、機(jī)械產(chǎn)品的可靠性評價(jià) 耐久性指標(biāo)耐久性指標(biāo) 可靠度可靠度R(t) 指在規(guī)定的使用條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能指在規(guī)定的使用條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的概率。的概率。 R(t)=tf(t)dt=1-F(t)=f(t)/ (t) 累積故障率累積故障率F(t)(見前見前)也稱不可靠度。也稱不可靠度。 F(t) =0tf(t)dt=1-R(t) 可靠壽

16、命可靠壽命LR 指在規(guī)定的使用條件下，可靠度指在規(guī)定的使用條件下，可靠度R（t）達(dá)到某一規(guī)定值）達(dá)到某一規(guī)定值時(shí)的工作時(shí)間。不同零件的可靠度分類等級見時(shí)的工作時(shí)間。不同零件的可靠度分類等級見P18表。表。 平均壽命平均壽命MTTF 機(jī)械設(shè)備或零部件從開始使用到失效報(bào)廢的平均使用時(shí)機(jī)械設(shè)備或零部件從開始使用到失效報(bào)廢的平均使用時(shí)間。間。四、機(jī)械產(chǎn)品的可靠性評價(jià)四、機(jī)械產(chǎn)品的可靠性評價(jià) 有效性指標(biāo)有效性指標(biāo) 有效度有效度A(t)：指在規(guī)定的使用條件下，在某個(gè)觀測時(shí)間：指在規(guī)定的使用條件下，在某個(gè)觀測時(shí)間內(nèi)，機(jī)械設(shè)備及零部件保持其規(guī)定功能的概率。內(nèi)，機(jī)械設(shè)備及零部件保持其規(guī)定功能的概率。 當(dāng)當(dāng)t時(shí)，

17、按下式計(jì)算：時(shí)，按下式計(jì)算： A(t)=MTBF/(MTBF+MTTR) 可靠度、維修度、有效度間關(guān)系：可靠度、維修度、有效度間關(guān)系： A(t)=R(t)+F(t)M(t) 經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo) 年平均保修費(fèi)用率年平均保修費(fèi)用率PWC 即在規(guī)定的使用條件下，出廠第一年保修期內(nèi)，每臺機(jī)即在規(guī)定的使用條件下，出廠第一年保修期內(nèi)，每臺機(jī)械設(shè)備工廠平均支出的保修費(fèi)用與出廠銷售的比值。械設(shè)備工廠平均支出的保修費(fèi)用與出廠銷售的比值。 費(fèi)用比費(fèi)用比CR CR=全年維修費(fèi)全年維修費(fèi)/購置費(fèi)購置費(fèi) 可靠性經(jīng)濟(jì)指標(biāo)可靠性經(jīng)濟(jì)指標(biāo)KE KE=(CM+C0)/T0 即即KE =新設(shè)備造價(jià)新設(shè)備造價(jià)CM+設(shè)備使用、維護(hù)

18、、修理總費(fèi)用設(shè)備使用、維護(hù)、修理總費(fèi)用C0/設(shè)備使用年限設(shè)備使用年限T0。五、工程機(jī)械故障的一般規(guī)律五、工程機(jī)械故障的一般規(guī)律 工程機(jī)械故障的一般規(guī)律可用故障率曲線來表示，見教工程機(jī)械故障的一般規(guī)律可用故障率曲線來表示，見教材材P11圖圖1-5之之d)。 由圖可見，曲線明顯分為三段，形似浴盆，故也稱為浴由圖可見，曲線明顯分為三段，形似浴盆，故也稱為浴盆曲線。盆曲線。 早期故障期早期故障期A 故障率曲線為漸減型，故障率由故障率曲線為漸減型，故障率由(t) 高而低，逐步減少。原因：早期高而低，逐步減少。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、裝配等誤差或失誤所引起

19、的造、裝配等誤差或失誤所引起的 早期故障，隨著磨合、發(fā)現(xiàn)與及早期故障，隨著磨合、發(fā)現(xiàn)與及 時(shí)的排除，故障率不斷降低，至?xí)r的排除，故障率不斷降低，至 磨合期結(jié)束，則會穩(wěn)定在一個(gè)很磨合期結(jié)束，則會穩(wěn)定在一個(gè)很 t 低的水平而進(jìn)入正常工作期。低的水平而進(jìn)入正常工作期。 A B C五、工程機(jī)械故障的一般規(guī)律五、工程機(jī)械故障的一般規(guī)律 隨機(jī)故障期隨機(jī)故障期B 隨機(jī)故障期故障率低而穩(wěn)定，主要是一些偶然因素引起隨機(jī)故障期故障率低而穩(wěn)定，主要是一些偶然因素引起的隨機(jī)故障，一般易于排除，對機(jī)械壽命不會造成過大的隨機(jī)故障，一般易于排除，對機(jī)械壽命不會造成過大影響，相當(dāng)于機(jī)械的正常使用壽命期。影響，相當(dāng)于機(jī)械的正常

20、使用壽命期。 耗損故障期耗損故障期C 故障率為漸增型，且增長速度逐步加快，很快會導(dǎo)致機(jī)故障率為漸增型，且增長速度逐步加快，很快會導(dǎo)致機(jī)械壽命終了而報(bào)廢。械壽命終了而報(bào)廢。 原因：由于隨使用時(shí)間增長，由各種自然因素引起的漸原因：由于隨使用時(shí)間增長，由各種自然因素引起的漸進(jìn)性故障逐步增多，各零件陸續(xù)進(jìn)入壽命終了期，因而進(jìn)性故障逐步增多，各零件陸續(xù)進(jìn)入壽命終了期，因而故障率逐步增高，且嚴(yán)重故障也越來越多，機(jī)械處于零故障率逐步增高，且嚴(yán)重故障也越來越多，機(jī)械處于零件嚴(yán)重耗損階段，故稱耗損故障期。件嚴(yán)重耗損階段，故稱耗損故障期。 提示：機(jī)械應(yīng)在進(jìn)入耗損期前進(jìn)行大修，以恢復(fù)其性能提示：機(jī)械應(yīng)在進(jìn)入耗損期前進(jìn)行大修，以恢復(fù)其性能。六、工程機(jī)械故障的一般原因六、工程機(jī)械故障的一般原因 機(jī)械故障的直接起因是多種多樣的，但若歸納起來看，機(jī)械故障的直接起因是多種多樣的，但若歸納起來看，其一般原因主要表現(xiàn)為如下三個(gè)方面：其一般原因主要表現(xiàn)為如下三個(gè)方面： 1.機(jī)械零件的損壞