第一章 机械故障规律
1.1 机械可靠性
1.2 机械维修性
1.3 机械故障的定义、分类及其模式
1.4 机械故障特征及其发生规律
1.5 机械故障迹象及其特征参量
1.1 机械可靠性
1.1.1 机械可靠性定义
1.1.2 机械可靠性数量指标
1.1.1 机械可靠性定义为了使系统、机械、设备、部件或零件等尽可能少发生故障，以求满意地完成它们各自的功能，人们所采用的有关工程方法就是可靠性技术。 机械产品 的可靠性是指某产品在 规定的条件 下，在 规定的时间内，无故障地完成其 规定功能 的能力。
机械产品根据所研究的对象不同，机械产品可以是单个零件、部件、整台机械或机械系统。当所研究的产品是一个复杂的机械系统时，则应包括人的判断及操作等因素在内 ；
规定条件除了规定载荷、温度、湿度、压力及介质等环境条件外，对使用方法和维护方法也必须加以规定规定时间指所研究的产品应达到的工作期限。可以用时间表示，也可以用相当于时间的指标来表示，如运转次数、运行距离、和应力循环次数等。另外，还包括连续使用、间歇使用、长时间作用或短时间作用等各种时间概念的规定规定功能指产品的性能指标，如产品质量、生产效率、工作精度载重量及功率等。当这些指标随时间的变化超过规定极限值时，机械将发生故障。因此，除了对衡量功能的指标作规定外，对产品可能发生的各种故障形式及故障判别原则都应有明确的规定
1.2.2 机械可靠性数量指标机械可靠性是评价产品质量的指标之一,
因而需要有一些能够对可靠性加以定量表示的指标。有了可靠性的数量指标,就可以利用各种数学方法来计算和评价产品的可靠性。 在可靠性技术中,把抽象的可靠性用数学形式的概率表示。衡量可靠性的概率统计指标很多,下面将介绍常用的几个指标可靠 度 R(t)
可靠度就是产品在规定条件下,在规定时间内,无故障地完成其规定功能的概率用 R(t)
表示。图 1-1为可靠度曲线。由图可见,产品的可靠度 R(t)是时间 t的函数,随着时间的增长,产品的可靠度会越来越低,它是一个介于 1与 0之间的数,即 0≤R(t)≤1
图2- 1 图2- 2
图 1-1 可靠度曲线 图 1-2 故障概率曲线故障概率 F(t)
相对于可靠度,即不发生故障的概率而言,
那么,发生故障的概率就称之为不可靠度 。
又称故障概率,用 F（ t） 表示。
图 1-2为故障概率曲线。由图可见,产品的故障概率 F(t)也是时间 t的函数,随着时间的推移,产品的故障概率会越来越大,它是一个介于 0与 1之间的数,即 0≤F(t)≤1 。
故障 概 率密度函数 f(t)
故障概率是一个研究产品故障规律的重要概念。为了描述产品故障分布曲线,
经常要用到故障概率密度函数的概念。 通常是把故障概率 F(t)的导数称为该故障概率的概率密度函数 f(t),即
)()()( tFdt tdFtf
（ 1-3）
如果根据试验和相应的理论分析，某产品的故障概率密度函数 f(t)的分布规律已知的话，便可求出该产品在 0～ t时间间隔的故障概率，即
t dttftF 0 )()(
（ 1-4）
如 果 某产品故障分布的概率密度函数以曲线
f(t)来表示,那么该产品在规 定时间 t内的故障概率,就相当于在 f(t)曲线下,在 T≤t的区间内 画 影线那部分的面积,见图 2-3所示同理,可推导出可靠性 函数 R(t)与故障概率密度函数 f(t)之间的关系为,
tt dttfdttftFtR )()(1)(1)( 0（ 1-5）
可以看出,在 f(t)曲线下,在 >t区间内的面积就相当于 R(t)。 图 1-3 故障概率密度函数
f(t)
综上所述,可 见 可靠度函数 R（ t）与故障 概率函数 F(t) 成互补关系 ； 而故障概率函数
F(t)与故障概率密度函数 f(t) 成微积分关系。
所以,在研究产品的可靠度 R(t) 时,既可以
F(t)着手，也可以从 f(t)开始研究。
图 1-3 故障概率密度函数 f(t)
1.2 机械的维修性
1.2.1 维修性与可靠性的关系
1.2.2 维修性的定性要求
1.2.3 维修性的定量要求
1.2.4 机械的有效度
1.2.1 维修性与可靠性的关系可靠性反映产品是否经久耐用，而维修性则表明产品发生故障后是否易于 诊断和修复 。提高可靠性就是要延长产品的正常 工作时间,而提高维修性就是要缩短产品的停修（非工作）时间。维修性的度量不仅涉及维修 对象本身,而且涉及 维修人员,
装备、方式、方法 等条件，因此只能在规定条件下加以度量。
具有良好 维修性 的产品其维修 所需时间短、所需设备少、所需维修人员 技术级别不高且便于组织管理和采用先进的维修方式方法。
制造尽可能少发生故障的产品是 可靠性技术的基本目的。但对不同的对象有不同的可靠性要求。对于一旦发生故障会造成生命财产极大危害的产品，如 宇航设备、高压容器、飞机 等，就要求有很高的 可靠性,除了保证其功能要求外，还要满足其 安全性 要求，这类产品的可靠度可超过
0.9999。但对一般机械产品来说，其可靠性还受其他因素的影响，其中最主要的一点是 经济性 。
费用维修费总费用制造费可靠性
1.2.2 维修性的定性要求
1,具有良好的维修可达性
2,高标准化和互换性程度
3,具有完善的防差错措施及识别标记
4,保证维修安全
5,重视贵重件的可修复性
6,检测故障准确、快速、简便
7,符合维修中的人机 ( 或人素 )工程要求
1.具有良好的维修可达性
可达性指在维修时能够迅速方便地达到和容易看到所需维 修部位,并能用手或工具直接操作的性能。很显然,可达性好,
维修就迅速、简便,而且差 错、事故、
费用都会减少。为此在设计时要合理地布置各组成部分及其润滑点、维护点、
检 测点,要保证维修操作有足够的空间,
合理开设维修通道、窗孔。
2.高标准化和互换性程度
要尽量采用标准化、通用化、互换性的零件,整体式安装单元 ( 模块化 ),以及设置定位装置。这样,不但可简化维修,而且有利于减轻后勤保障负担和拆卸修理。
3.具有完善的防差错措施及识别标记
要从结构设计上消除差错的可能性。如要使零 部件具有装对了才能装得上,装错、装反就装不上的结构。要求定位精度高的要有定位、对 中装置。合理地设置标记也是防止差错的辅助措施,有助于提高维修效率。因此要从便于维修和 防差错的角度,设置必要的文字、数字、符号、图形等标记 。
4,保证维修安全
维修安全是指防止维修时损伤人员、损伤设备的一种特性。使用通常是在设备处于正常状态、完整状态下进行操作的 ；
而维修则常常是在设备处于故障状态、
分解状态下进行操作的。因此设备上应有必要的保护装置,以防止机械损伤、防电击、防火、防爆、防毒等事故。
5,重视贵重件的可修复性
备上一些重要而昂贵的零部件应具有可修复性,这不但 可节省维修费用,而且有助于减轻后勤 ( 备件 )保障负担。为此,
应使之可调 ( 整 )、可矫 ( 正 )、可焊
( 接 )、可拆 ( 装 )、可涂镀覆盖层,设置修理尺寸等,以便迅速修复损坏的零件。
6,检测故障准确、快速、简便
随着机械设备的功能多样化、结构复杂化,如何快速,准确地检测性能、诊断故障成为维修工作中的重要问题。因此,
除根据设备的具体情况配置必要的测试仪表外,还需有检测点、监视孔等。
7,符合维修中的人机 ( 或人素 )工程要求
在设计设备时,应认真考虑人的生理因素、
心理因素和人身几何尺寸等因素,以提高维修工作效率和质量,减轻人员疲劳。此外,还应尽量减少维修工作量,降低维修技术的难度,以便于维修人员的培训和补充。
1.2.3 维修性的定量要求
维修性的定量要求主要有维修延续时间指标、维修工时指标、维修频率指标和维修费用指标 等 。
维修度
维修概率密度
修复率
平均修复时间
)(tm
M
1.2.4 机械的有效度
有效度又称可用度,是指设备在任一时刻能维持其功能的概率。它表示不论什么时候,
想要使用设备时,设备处于可以使用状态的程度。假设设备的状态 S(t)=0 时,为正常状态,S（ t） =1时为故障状态，则 有效度
A(t)用下式表示,
0)()( tSPtA （ 1-28）
式中 t—— 给定的使用时间
—— 维修的时间
R(t)—— 在时间 t时，设备的可靠度
M(t)—— 维修时间为时的维修度
A(t)是时间的函数,取决于设备的可靠度和维修度。它们之间的关系为,
（ 1-29） )()(1)(),( MtRtRtA
由 上式 可以看出,有效度的大小决定于可靠度和维修度。可靠性是从延长其正常工作时间来提高有效度,而维修性则从缩短维修停机时间来提高有效度。对于不可修产品,有效度 A(t)等于其可靠度
R(t)。
从上述可知,有效度只描述设备在 t 时刻正常工作的概率,并不关心在时刻 t以前设备是否发生过故障。如果设备发生过故障,只要能在允许的时间内修好,不影响正常工作就可以。它与设备的完好率概念在定义上是相似的。
如设备的有效度 A(450)=0.90,表示的是
100台设备在规定的时间 450h时,有 90台设备处于正常运转状态 (即完好 ),不管设备是否出过故障,
什么时间出过故障,是否经过维修,可靠度
R(450)=0.90,则表示要求 100台设备,有 90台能无故障的工作 450h 在使用有效度指标时,所关心的并不是某个时刻的有效度,而是某一时间间隔的有效度。有效度通常用 固有有效度 AI,可达有效度
Aa,使用有效度 Ao等参数度量。
固有有效度可用下式表示,
式中 —— 无故障工作时间
—— 平均修复时间固有有效度仅与工作时间和修复时间有关，体现了设备的固有性质。
ct
I MM T B F
M T B F
M T T RM T B F
M T B FA
（ 1-30）
MTBF
MTTR
ctM
可达有效度可用下式表示：
式中 —— 平均预防维修时间可达有效度与固有有效度相似 。只是在设备停机时间中,不但包括平均修复时间 （ MTTR）,而且还包括预防维修时间 。因预防维修时间与维修制度有关,如预防维修周期,每次预防维修的时间等。寻求设备的最大有效度是制订预防维修 周期的一个重要原则。
pt
a MM T T RM T B F
M T B FA
ptM
使用 有效度式中 MDT—— 维修停机时间除包括、时间外,还包括后勤保证 延误时间和行政管理延误时间 。
可以看出,工作有效度不仅受设计、维修制度的影响,而且与维修企业的生产管理水平 等有关。
oA
M D TM T B F
M T B FA
o
1.3 机械故障的定义、分类及其模式
1.3.1 机械故障的定义
1.3.2 机械故障的分类故障定义根据国家标准（ GB3187-82）的定义：,失效是产品丧失规定的功能。对可修复产品通常也称故障。,通常见到的发动机发动不起来，机床运转不平稳，汽车刹车失灵等等现象都是机械故障的表现形式，机械故障可以从不同角度来进行分类，不同的分类方法反映了机械故障的不同侧面，对机械故障进行分类的 目的是为了更好地针对不同的故障形式采取相应的对策,以下是各种故障分类方法。
1.1.2 故障分类按 故障形成的时间 规律分类渐发性故障突发性故障按 故障的因果关系 分类功能故障潜在故障
1.4 机械故障特征及其发生规律在机械的整个寿命周期中，故障的发生还是存在着一定的规律，而这种规律是符合客观事物发展的 概率法则 的一 机械的 寿命特性 曲线二 机械 零件的故障率 曲线三 机械 全寿命周期特性 曲线
1.5 机械故障迹象及其特征参量
如果机件中存在缺陷或者产生了损伤，并引起机械从正常状态向故障状态演变时，也会象人生病一样会出现各种症状。
如动力系统的症状 有功率下降，燃料消耗增大，排气管冒浓烟，启动困难，漏油，漏水甚至不能启动。
传动系统的故障 有震动异常，噪声增大，挂不上挡，离合不清，滑轮不能保持预定的运动规律，效率下降，传递平稳性逐渐遭到普破坏，以至失去传递动力的作用。
液压系统故障 的症状一般是倒不到预定的压力和压力分布，
效率下降，一场振东和噪声，发热漏油等。
行走转向系统 的故障常常是出现撞击声，跑偏，转向部灵等。在故障诊断中表征机械存在缺陷活损伤的各种外观症状成为故障迹象，一故障原因何部位的不同故障迹象也是变化的。这些迹象大致分为六类。
1,输出参数的变化
2,振动异常
3,声响异常
4,过热异常
5,磨损残余物激增
6,裂纹的扩展故障特征参量在故障诊断技术中，就是根据各种故障迹象采用相应的故障特征参量所提供的信息来判断机械的技术状态，以对其存在的故障状态作出判断，虽然机械运行状态千差万别，七故障的迹象变化多端，但是描述故障的特征参量可归纳为三类：
1.机械或部件的输出参数
2.机械零，部件的损伤量
3.机械运装中的二次效应参数
