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,.,（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0P(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（Tt）,t-规定的时刻，0R（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。,.,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Ri1，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。,.,5,3,6,7,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。,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。,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),1,2,n,.,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。,.,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A、B、C均正常工作A失效B、C正常工作B失效A、C正常工作C失效A、B正常工作,.,RS=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=R(1+3F/R)=R+3RF=R+3R(1R)=3R2R,.,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)=10.1=0.9992/3表决系统可靠度为：RS=3R2R=30.9=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：(R1,R2,Rn)RS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)R=1(1RS)1/3=1(10.99)1/3=0.7845R1=R2=R3=0.7845,.,可维修性（Maintainability）1定义：发生故障的机械设备，在规定的时间内，按照规定的程序和方法进行维修时，使之保持或恢复到使用条件下能完成规定功能的能力。也是机械的固有特性，它决定了机械维修的难易程度。良好的维修性可使设备便于维修，对维修人员素质的要求不高，所需的维修时间少，费用低等，可以弥补可靠性的不足。包含有可修性和易修性两层意思。,.,产品的可维修性好坏在日常检修和保养工作中便可判断。例如，损坏的零件是否容易拆卸和更换；是否便于检测和调整；是否便于日常的维修保养等，良好的可维修性可以获得高的维修质量和维修效果，否则会增加维修时间和维修费用，甚至降低产品使用寿命。,.,维修（或修理）：是指为保持或恢复机械设备的规定功能采取的技术措施。对维修性的基本要求：1、产品结构设计要具有高度的维修适应性，如易拆装性、可接近性、构造标准化、互换性等；2、维修简便；3、维修停机时间短；4、维修费用低；5、对维修技术要求不高等。,.,维修是贯穿于机械设备的整个寿命周期，即由规划、设计、试制、生产、销售、安装、使用、改造直到报废的全过程。做好维修需要三个条件，又称维修三要素：1、维修对象（被维修设备）该对象的维修性；2、维修人员的技术水平和素质；3、维修所用的装备设施维修的保障系统，包括人力、技术、测试装置、工具、备件、材料供应等。,.,研究可维修性的意义（1）良好的可维修性是机器安全运行的重要保证。故障容易排除、设备迅速修复。（2）可维修性与维修质量、维修费用等有关。机器的高度可维修性是实现工业化修船的必要条件。只有设备具有高度的可维修性才能促进设备维修工业化。（3）是可靠性的必要补充。机械和设备随着科技水平的提高也日益先进，电气化、自动化程度不断提高。例如，驾驶台遥控主推进装置、周期性无人机舱等。但机械和设备的可靠性提高则是有限的，甚至有下降的趋势，致使故障率增加。因此在船员少、故障增多的情况下提高船舶机械和设备的可维修性，使发生故障后能及时有效地修复，大大地弥补了设备可靠性的不足。（4）可维修性是机械和设备维修保障工作的基础。保证机器营运中的维修工作优质高效地完成，保证安全运行。,.,.,维修性的衡量指标（1）维修度：可修复产品在规定的维修条件下和在规定时间内完成维修的概率，以M（t）表示。对可维修性的量化。（2）修复率：维修工作到了时刻t还没有完成维修的设备，在t时刻后的单位时间内完成修复的概率。（3）平均修复时间MTTR（MeanTimeToRepair）对产品进行维修活动的时间总和与维修次数之比。（4）有效度Availability：对可靠性与可维修性的综合。,.,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，修复后使用的产品在某特定瞬间内保持其功能的概率。,.,三、故障的分类(ClassificationofFault)故障分类是为了便于从不同的要求对故障进行深入研究因而研究目的的不同则分类也不同。故障复杂多样，研究时从不同角度将其分类1、按故障的影响分（对机械工作能力的影响分类）：完全性故障-机器丧失主要功能，工作完全中断；局部性故障-机器丧失部分功能，工作还能继续进行。,.,2、按故障发生速度及演变过程分类突发性故障-故障概率与工作时间无关，没有明显征兆，来不及监测预报；渐进性故障-长期使用，某些零件技术指标超标引起的故障，可通过监测预报波及性故障或称二次故障，是由于船机的某种故障引发的更大的故障，无法预测和防止。例如，发电柴油机连杆螺栓脱落或断裂引起连杆、活塞、气缸套和气缸盖甚至机体的破坏，俗称连杆伸腿。断续性故障设备在某一时间呈故障状态，而在另一时间功能又自行恢复的故障，故障反复发生。,.,.,3.按故障发生性质分类：人为故障-操作人员违反规定操作、维修、管理引起的故障，易被忽视；自然故障-由于使用环境、材料缺陷等造成的故障。4.按故障发生时间分类：早期故障；使用期故障；老化期故障。,.,5按故障原因分：（1）结构性故障：设计、选材不当。如柴油机气缸套上部凸缘根部因设计上受力不当和制造工艺不良引起的凸缘根部多发性裂纹，甚至缸套断裂。（2）工艺性故障：制造、安装质量不佳造成的故障。例如，轴系校中安装质量不良引起的轴系振动、轴承发热或过度磨损等。（3）磨损性故障：正常磨损导致间隙变大。例如，由于过度磨损使活塞一气缸间隙过大而产生敲缸、窜气等故障。（4）管理性故障：人为故障。例如，滑油长期不化验、不更换，变质滑油造成轴瓦合金熔化的故障。,.,6.按故障相关性分类：非相关性故障-不是由于其它零件的故障引起的故障；相关性故障-由于其它零件的故障引起的故障，也称为二次故障。例：油泵故障-油中断-曲轴与主轴瓦粘着（咬死），主轴瓦故障属相关性故障。以下两表可从总体上分析故障分布情况，有助于抓关键，寻对策。,.,7、按故障的因果关系分类1.功能故障功能故障是指一个产品不能满足规定性能标准的现象。完全丧失功能显然是功能故障，如内燃机不能发动，油泵不能供油等。2.潜在故障功能故障一经定义，则某种能指示功能故障即将发生的实际状态往往就能鉴别出来。根据这一状态，就有可能在达到功能故障点之前把有问题的机件换掉。而这种可以被鉴别的状态即为潜在故障。,.,故障征兆（FailureSymptom）1、性能异常：功能、温度、压力等异常。2、表现异常：如外观的反常（漏油、水、气，排烟异常（如：冒黑、兰、白烟）、消耗反常、气味反常、声音反常（如敲缸）。,.,8、按故障影响后果分类机器故障往往是由最重要的零件和系统的工作情况所决定，有些零部件，即使发生故障，也不会造成不允许的后果。例如飞机在降落前，起落架发生故障，其后果将是及其严重的；如果发动机功率降低，后果只是经济损失；如果只是乘客座椅损坏，那实际上没什么了不起的后果。为了分清主次，为维修工作的组织提供依据，旧必须从其影响后果的角度对故障进行分类。如气车部门为了评定汽车产品的可靠性，将故障分为致命故障(1=1000)，严重故障(2=50)，一般故障(3=5)，轻微故障(4=2)四类。,.,产品设计中广泛应用的FMEA故障模式效应分析中，规定将故障按其影响度E、发生频率P及允许的维修时间T分为四个等级。E.P.T故障等级,.,1-2机器故障的物理成因机器故障的物理成因，可以归咎于结构因素的破坏，进而溯源与作用在这些结构上的能量因素。一、机器结构因素机器故障物理成因从结构上可以归纳成下列四个方面：1、连接件配合性质的破坏；2、零件相互位置关系的破坏；3、机构工作协调性的破坏；4、零件工