第二章 設(shè)備的可靠性管理

第二章設(shè)備的可靠性機(jī)械維修基礎(chǔ)理論第一節(jié)機(jī)械故障理論概述

故障理論揭示了機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)入生產(chǎn)過程后的運(yùn)動規(guī)律（宏觀的、微觀的），是維修戰(zhàn)略（維修方式、策略、管理、改造和更新等）的決策依據(jù)，并且對維修技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展有重要影響。

本篇主要講授機(jī)械在使用過程中受到的各種能量作用，而使零部件、機(jī)構(gòu)或整機(jī)出現(xiàn)故障的微觀物理成因及在不同物理成因作用下，故障的宏觀發(fā)展規(guī)律，簡單討論零件的失效規(guī)律，機(jī)器、總成和零件的極限狀態(tài)及其狀態(tài)參數(shù)的變化顧慮，為機(jī)器的預(yù)防維修提供科學(xué)的依據(jù)，以便采取相應(yīng)的技術(shù)措施，進(jìn)行科學(xué)、合理的使用，對降低作業(yè)成本，確保（機(jī)器、人身）安全，延長使用壽命具有重要的意義?！?-1機(jī)械故障與可靠性的概念設(shè)備的7大損失中，影響效率的最重要因素是故障損失。(1)

故障損失(2)

換模換線、調(diào)整損失(3)

刀具交換損失(4)

暖機(jī)損失(5)

短暫停機(jī)、空轉(zhuǎn)損失(6)

速度降低損失(7)

不良、修改損失

提高對故障與維修的認(rèn)識及維修水平是進(jìn)行現(xiàn)代機(jī)械設(shè)備管理的基礎(chǔ)。一、故障的概念

機(jī)械故障----結(jié)構(gòu)、機(jī)器或機(jī)械零件在尺寸、形狀、材料性質(zhì)方面的改變，使結(jié)構(gòu)、機(jī)器或機(jī)械零件不能達(dá)到原設(shè)計要求的功能或者改變原有的各種參數(shù)，稱為機(jī)械故障。“故障就是設(shè)備失去了規(guī)定的功能”。

就“故障就是設(shè)備失去了規(guī)定的功能”這一定義而言，從功能的失去形式來看，可將故障分為兩類。

1．功能停止型故障。

一般稱為“突發(fā)性故障”。

2．功能下降型故障。

設(shè)備雖運(yùn)轉(zhuǎn)，但常產(chǎn)生廢品，檢查停機(jī)，速度下降等損失，不能充分發(fā)揮設(shè)備的功能，指部分缺陷的場合。比如熒光燈一會兒暗，一會明，頻頻發(fā)生。（一）故障的定義

故障(Fault)的定義：

是指在使用過程中，其技術(shù)性能指標(biāo)已不符合規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)時的技術(shù)狀態(tài)。機(jī)械或設(shè)備喪失其規(guī)定功能的現(xiàn)象，稱為故障。（二）故障的相對性故障的識別關(guān)鍵在于合格與不合格的分界線，它不僅取決于所研究的機(jī)構(gòu)功能，而且還取決于設(shè)備的性質(zhì)和事使用范疇。例如，航空發(fā)動機(jī)潤滑油消耗的增大，對于短程或中程飛行或許不會成為問題，而在遠(yuǎn)程飛行時，同樣的潤滑油消耗率就會把滑油消耗光。因此，不同的使用部門有不同的規(guī)定。但是在一個使用部門之內(nèi)，則應(yīng)把每個機(jī)構(gòu)的合格狀態(tài)與不合格狀態(tài)以名確無誤的術(shù)語及數(shù)量標(biāo)準(zhǔn)定義清楚。二

故障和可靠性（一）可靠性的概念

1.定義：設(shè)備或系統(tǒng)在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。

可靠性是指機(jī)器或產(chǎn)品隨時間的變化，保持自身工作能力不出故障的性能。

“規(guī)定的條件”：使用條件和環(huán)境條件?！耙?guī)定的時間”：預(yù)期的壽命。“規(guī)定功能”：功能參數(shù)指標(biāo)，判斷失效的依據(jù)。這里的工作能力概念不但包含完成必要功能的能力，而且還包括將機(jī)器產(chǎn)品各項功能的輸出參數(shù)保持在允許范圍內(nèi)的能力．因此機(jī)器的可靠性是一種綜合性能，從概念上講，包括了機(jī)器的無故障性（可靠性）和耐久性（有效度）。產(chǎn)品的無故障性是指機(jī)器在某一時期內(nèi)（或某一段實際工作時間內(nèi)）連續(xù)不斷地保持其工作能力的性能。

產(chǎn)品的耐久性是指機(jī)器或產(chǎn)品在達(dá)到報廢之前，保持其工作能力的性能，即在整個使用期內(nèi)并在規(guī)定的維護(hù)保養(yǎng)修理制度條件下保持工作能力的性能。（二）故障和可靠性的關(guān)系產(chǎn)品質(zhì)量功能有效性（廣義可靠性）可靠性維修性固有可靠性使用可靠性環(huán)境適應(yīng)性（三）評價機(jī)器無故障性（可靠性）的指標(biāo)

評價機(jī)器產(chǎn)品無故障性的主要指標(biāo)就是產(chǎn)品的無故障概率（P(t)），也稱可靠度（R(t)），即在規(guī)定的時間間隔t=T內(nèi)，機(jī)器不發(fā)生故障的概率。它是描述機(jī)器故障定量指標(biāo)，P(t)的變化范圍是0≤P(t)≤1。例如，若機(jī)器在T=1000小時內(nèi)無故障率為0.95，它說明一大批該機(jī)器中平均約有5%的機(jī)器在工作達(dá)到1000小時之前，將出現(xiàn)故障。

可靠性衡量指標(biāo)

（1）可靠度（Reliability）：設(shè)備或系統(tǒng)在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)完成規(guī)定功能的概率。用R（t）表示。R（t）＝P（T>t）,t---規(guī)定的時刻，0

R（t）

1（2）不可靠度F（t）表示設(shè)備在規(guī)定的時間內(nèi)、規(guī)定的條件下完不成規(guī)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時刻以前累積故障的情況和故障與時間的函數(shù)關(guān)系，所以F（t）也稱為故障分布函數(shù)，如圖1-10b)所示，可靠性研究中多以F（t）為對象。

（3）故障密度f（t）

表示設(shè)備在t時刻故障的變化速度。若故障分布函數(shù)F（t）連續(xù)可導(dǎo)，則故障密度f（t）＝dF（t）／d(t)；若F（t）不是連續(xù)可導(dǎo)函數(shù)時，則用經(jīng)驗（平均）密度公式（現(xiàn)場統(tǒng)計中多采用）。故障密度f（t）與時間的關(guān)系如圖1-1所示。

（4）故障率

（t）：正常工作到某時刻t后的機(jī)械，在該時刻后的單位時間內(nèi)發(fā)生故障的概率。

（5）平均故障間隔時間MTBF（MeanTimeBetweenFailure）（四）系統(tǒng)的可靠性系統(tǒng)是一個能夠完成規(guī)定功能的綜合體。它由若干獨(dú)立的單元組成，每個獨(dú)立單元不僅要完成各自的規(guī)定功能，而且還要在系統(tǒng)中與其它單元發(fā)生聯(lián)系。根據(jù)單元在系統(tǒng)中的聯(lián)接方式不同，可分為三類：

1、串聯(lián)系統(tǒng)在組成系統(tǒng)的單元中只要有一個發(fā)生故障，系統(tǒng)就不能完成規(guī)定的功能，這種系統(tǒng)稱為串聯(lián)系統(tǒng)。12n-1n…串聯(lián)系統(tǒng)大多數(shù)機(jī)械的傳動系統(tǒng)均是串聯(lián)系統(tǒng)，當(dāng)串聯(lián)系統(tǒng)由n個單元組成，它們的可靠度分別為R1、R2、。。。、Rn時，根據(jù)概率乘法定理，系統(tǒng)的可靠度為Rs若各單元的R都相等，則Rs=Rn

由于Ri≤1，所以單元數(shù)目愈多，系統(tǒng)的Rs就愈低?？梢?，在滿足規(guī)定功能的前提下，系統(tǒng)愈簡單，可靠性愈高。536712485367單級圓柱齒輪減速器1軸2鍵3齒輪4滾動軸承5鍵6滾動軸承7軸8齒輪例：計算單級圓柱齒輪減速器的可靠度，見右圖所示。已知使用壽命5000h內(nèi)各零件的可靠度分別為：軸1、7的R1、7=0.995;滾動軸承4、6R4、6=0.94;齒輪3、8R3、8=0.99;鍵2、5R2、5=0.9999；解：系統(tǒng)的可靠度

串聯(lián)系統(tǒng)的可靠度低于任何一個單元的可靠度。若要提高一個單元的可靠度，就應(yīng)當(dāng)提高系統(tǒng)中可靠度最低的那個單元。

2、并聯(lián)系統(tǒng)

并聯(lián)系統(tǒng)又稱冗余系統(tǒng)，即系統(tǒng)中只要有一個單元沒有失效，系統(tǒng)仍能維持工作。若幾個單元同時投入運(yùn)轉(zhuǎn)，有一個出現(xiàn)故障，其它單元還能維持的稱工作儲備并聯(lián)系統(tǒng)，如下圖所示。12n…工作儲備并聯(lián)系統(tǒng)如果幾個單元中只有一個投入運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)該單元損壞之后，可換成另一個單元運(yùn)轉(zhuǎn)，系統(tǒng)不受影響，叫作非工作儲備并聯(lián)系統(tǒng)，如下圖所示。12n…非工作儲備并聯(lián)系統(tǒng)并聯(lián)系統(tǒng)的可靠度RS為：若各單元的都相等，則

可見，并聯(lián)系統(tǒng)的單元數(shù)目愈多，系統(tǒng)的可靠度愈高，但體積、質(zhì)量、成本也增加。在機(jī)械系統(tǒng)中，并聯(lián)系統(tǒng)因結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本昂貴，用的較少，只有在可靠性要求高，且結(jié)構(gòu)上允許時才使用，一般n=2或n=3。例：由５個可靠度均為0.9的單元組成并聯(lián)系統(tǒng)，求其系統(tǒng)可靠度。解：按公式計算可見，并聯(lián)系統(tǒng)的可靠度大于每個單元的可靠度，這是在機(jī)械設(shè)備方案規(guī)劃設(shè)計和布局安裝過程中采用冗余技術(shù)的根據(jù)。

若要提高系統(tǒng)的可靠性，需提高可靠度最大的單元的可靠度。3、混聯(lián)系統(tǒng)由串聯(lián)及并聯(lián)系統(tǒng)組合而成的系統(tǒng)稱為混聯(lián)系統(tǒng)。分為兩種：一是串并聯(lián)系統(tǒng)，見圖a);

另一是并串聯(lián)系統(tǒng)，見圖b)12n…12m…12m…12m……圖a)串并聯(lián)系統(tǒng)12n…12n-1n…12n-1n…12n-1n………………12m圖b)并串聯(lián)系統(tǒng)

混聯(lián)系統(tǒng)可靠性的計算沒有一成不變的公式，而需具體分析。通常，串并聯(lián)系統(tǒng)的可靠度計算是先將并聯(lián)單元系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為一個等效的串聯(lián)系統(tǒng)，然后再按串聯(lián)系統(tǒng)計算。并串聯(lián)系統(tǒng)的可靠度則先分別計算串聯(lián)系統(tǒng)的可靠度，然后再按并聯(lián)系統(tǒng)計算?，F(xiàn)以常用的2K-H行星齒輪減速器為例加以說明，見圖a)所示，該圖可簡化為串并聯(lián)系統(tǒng)，如圖b)所示。太陽輪1太陽輪3行星輪2n2T2n1T1R2R2R2R3R1圖b)圖a)三個行星輪2組成一并聯(lián)系統(tǒng),若不計軸、軸承、鍵的可靠度，則并聯(lián)系統(tǒng)的可靠度把它轉(zhuǎn)化為一個等效的串聯(lián)系統(tǒng)，按串聯(lián)系統(tǒng)公式計算，即系統(tǒng)的可靠度系統(tǒng)與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型分類

純并聯(lián)系統(tǒng)串聯(lián)系統(tǒng)工作貯備系統(tǒng)系統(tǒng)（并聯(lián)冗余系統(tǒng)）r/n表決系統(tǒng)并聯(lián)系統(tǒng)理想旁聯(lián)系統(tǒng)混聯(lián)系統(tǒng)非工作貯備系統(tǒng)（旁聯(lián)系統(tǒng)）非理想旁聯(lián)系統(tǒng)k/n表決系統(tǒng)n為組成系統(tǒng)的單元數(shù),k為要求至少同時正常工作的單元數(shù)。以2/3表決系統(tǒng)為例計算可靠度。

保證系統(tǒng)正常運(yùn)行，有下面4種情況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)若三個單元的可靠度均為R時，則RS=R3(1+3F/R)=R3+3R2F=R3+3R2(1R)=3R22R3例：有三個可靠度均為0.9的單元組成的系統(tǒng)，試比較純并聯(lián)及2/3表決系統(tǒng)的可靠度。解：純并聯(lián)系統(tǒng)可靠度：

RS=1(1Ri)=1(10.9)3=10.13=0.999

2/3表決系統(tǒng)可靠度為：

RS=3R22R3=320.92=0.972

一般公式：n中取k系統(tǒng)的可靠度可按二項式分布計算

例：2/4表決系統(tǒng)RA=RB=RC=RD=0.9,求RS=?解：系統(tǒng)的可靠度分配可靠性分配數(shù)學(xué)模型的三個基本階段：

1、各單元的失效是相互獨(dú)立的。

2、各單元的失效率為常數(shù)。

3、任一單元失效回引起系統(tǒng)的失效，即系統(tǒng)是由單元串聯(lián)而成。在作可靠性分配時，它們必須滿足以下的函數(shù)關(guān)系：?(R1,R2,…,Rn)≥RS①式中：RS—系統(tǒng)規(guī)定的可靠度指標(biāo)

Ri—分配給第i單元的可靠度例：由三個單元組成的系統(tǒng),設(shè)各單元費(fèi)用相等,問為滿足系統(tǒng)的可靠度為0.729時，對各個單元應(yīng)分配的可靠度為多少?解:Ri=(RS)1/n=0.7291/3=0.9即R1=R2=R3=0.9例：由三個單元組成的并聯(lián)系統(tǒng),若每個單元分配的可靠度相等,即R1=R2=R3=R,已知系統(tǒng)的可靠度指標(biāo)Rs=0.99,試求分配到各個單元的可靠度。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可維修性（