机械故障的形成及其特性分析

作者：孙进康 鲍承义 发布人：zj*yw*zlb 发布时间：2005-4-6 上午 10:26:56

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【关键词】机械 技术状态 故障特性 可靠性

【摘要】本文根据机械系统的使用与维修特点，阐述了机械技术状态的变化及其故障形成的一般过程，分析了机械故障的基本特性，指出了机械故障研究中应考虑的问题，对开展机械故障、维修与可靠性的研究具有一定的指导意义。

浏览字体设置： - 10pt + 10pt 12pt 14pt 16pt 故障是机械可靠性与维修研究的前提条件。在机械的设计与使用中，如何有效地预防、控制和排除各种故障，发挥机械的最大功效一直是人们研究的重要课题。本文根据机械系统的使用与维修特点，阐述了机械技术状态的变化及其故障形成的一般过程，分析了机械故障的基本特性，指出了机械故障研究中应考虑的问题，对开展机械故障与可靠性的研究具有一定的指导意义。 l 机械使用与技术状态的变化

机械在使用中受到各种能量的作用，这些能量的作用主要包括：（1）周围介质能量的作用，包括执行任务的操作人员、修理人员和环境条件的作用；（2）与机械运转以及各机构工作有关的内部能源，如各种载荷、振动、温度等；（3）在制造和装配中集聚在机械材料和零部件内的潜伏能量（铸件的内应力和装配内应力）。这些能量主要以机械能、热能、化学能的形式存在，当能量达到一定数值时，将导致有害过程的出现，引起机械零部件初始性能和状态的变化，如当配合副以一定的动力和速度运动时，相互将产生有害的摩擦过程，摩擦的结果将导致配合副出现磨损，使配合副的运动等发生变化。可见随着有害过程的发展，首先将使零部件出现损伤，具体表现为磨损、变形、裂纹、疲劳、腐蚀等，损伤的出现使机械零部件的结构参数发生变化，如尺寸公差、形位公差、配合间隙等的改变。结构参数的变化又导致了机械功能输出参数发生变化，如机械的输出功率、速度等的改变。随着损伤程度的进一步扩大，机械零部件的结构参数逐渐超出允许值。若机械零部件的结构参数超出允许值，而功能输出参数并未超出允许极限范围，则认为机械出现了潜在故障，对应状态为失常状态，此时应通过维护进行消除；若结构参数超限后，功能输出参数也超出允许值，则认为机械发生了功能故障，对应状态为故障状态，此时应通过修理排除相应的故障。若机械经过长时间使用后，其主要零部件的结构参数都达到极限值，且系统功能输出参数严重超限，使用的经济性明显下降，此时机械处于极限技术状态，需要进行大修或更新。机械技术状态的特征如表1所示，技术状态的变化过程如图1所示。

表1 技术状态特征

机械技术状态 结构参数 功能参数 技术措施 备注 完好状态 失常状态 故障状态 极限状态 正常范围 超出允许值 超出允许值 超出极限值 正常范围 正常范围 超出允许值 超出允许值 正常运行 维护保养 修理 大修或更新 潜在故障 功能故障 经济性变差 2 机械故障形成的一般过程

如上所述，机械在使用中受到各种有害作用后，将首先导致零部件出现损伤，损伤又影响机械的输出参数，使其发生变化。若机械输出参数随时间变化的规律用X（t）表示，损伤程度随时间的变化用U(t）表示，则X（t）与U（t）之间的变化既可能是一致的，也可能有很大区别。因为其间存在着反映机械产品结构、用途和作用原理的X＝f（U（t))的过渡关系。此外，损伤同产品材料中发生的物理现象有关，而输出参数变化仅仅反映了产品自身的宏观变化过程。

机械经过一个随机的工作时间间隔后，其参数达到极限允许值 Xmax，发生了故障，图 2表示了分布律f（t）形成的主要过程。

开始时，输出参数f（a）相对其数学期望值a0有一离散程度，该离散程度与机械初始指标的离散度以及使用条件的变化程度有关。然后，在使用过程中，随着使用时间的增长，机械输出参数的劣化就表现为缓慢进行的过程，例如磨损等，这正是零件磨损导致机械性能改变的典型过程。在一般情况下，可能经过某段时间T间隔后，参数的变化就开始了，时间 T间隔是一个与损伤的积累（如疲劳）或外因作用有关的随机量，它也具有一定的离散性。

参数X的变化过程同样也是随机的，它与机械各个零部件的损伤变化有关，机械输出参数的劣化速度Vx为各零部件磨损速度 V1， V2，……， Vk的函数，即

Vx＝ dx/dt＝ f（V1， V2，……， Vk）

3 机械故障的特性分析

机械故障是与磨损、腐蚀、疲劳、老化等机理分不开的，根据机械故障形成的一般过程，机械故障主要有以下一些特性：

（l）潜在性。机械在使用中会出现各种损伤，损伤引起零部件结构参数发生变化，当损伤发展到使零部件结构参数超出允许值时，机械即出现潜在故障。由于机械设计存在一定的裕度（安全系数），因此即使某些零部件的结构参数超出允许值后，机械的功能输出参数仍在允许的范围内，也即机械并未发生功能故障。从潜在故障发展到功能故障一般具有较长的一段时间，因为通过润滑、清洁、紧固、调整等手段，可以消除或减缓损伤的发展，使潜在故障得到一定程度的控制甚至消除。机械故障的潜在性可通过维护保养来减少功能故障的发生，从而大大延长了机械的使用寿命。

（2）渐发性。由于磨损、腐蚀、疲劳、老化等过程的发生与时间关系密切，因此机械故障的发生多半与时间有关。在使用中，机械的损伤是逐步产生的，零部件的结构参数也是缓慢变化的，机械的性gg＃数也是逐渐恶化的。绝大多数故障可能事先通过仪器进行测试和监控，故障发生的概率与机械运转的时间有

关，机械使用时间越长，发生故障的概率就越大。故障的渐发性使机械的多数故障可以预防，故障诊断、视情维修就是建立在这一基础上的。

（3）耗损性。机械磨损、腐蚀、疲劳、老化等过程伴随着能量与质量的变化，其过程是不可逆转的。表现为机械老化程度逐步加剧，故障越来越多。随着使用时间的增加，局部故障的排除虽然能恢复机械的性能，但机械的故障率仍不断上升，新的故障将不断出现。同时损伤的消除也是不完全性的，维修不可能使机械的性能恢复到使用前的状态。机械故障的耗损性决定了机械维修级别与深度的差异，同时机械故障分布模型也不能简单用指数分布来描述。

(4）模糊性。机械使用中，由于受到各种使用及环境条件的影响，其损伤与输出参数的变化都具有一定的随机性与分散性，同时，由于材料与制造等因素的影响，机械的各种极限值、初始值也具有不同的分布，同一机械，在不同的使用环境下，输出参数随时间也具有不同的分布，从而导致参数变化及故障判别标准都具有一定的分散性，使机械故障的发生与判别标准都具有一定的模糊性。机械故障的模糊性给机械故障的诊断与判别增加了一定的难度，也要求机械故障的研究必须宏观与微观相结合。

（5）多样性。机械使用中，由于磨损、腐蚀、疲劳、老化过程的同时作用，同一零部件往往存在多种故障机理，产生多种故障模式，如轴的弯曲变形、磨损、疲劳断裂等。这些故障不仅故障机理与表现形式不同，而且分布模型及在各级的影响程度也不同，使故障呈现出多样性。机械故障的多样性要求对故障按不同机理与模式单独进行研究。