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设备故障的发生发展规律


                                                设备故障的发生发展规律 
 
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    设备故障的发生发展过程都有其客观规律,研究故障规律对制定维修对策,以至建立更加科学的维修体制都是十分有利的。设备在使用过程中,其性能或状态随着使用时间的推移而逐步下降,呈现如图1-1所示之曲线。很多故障发生前会有一些预兆,这就是所谓潜在故障,其可识别的物理参数表明一种功能性故障即将发生,功能性故障表明设备丧失了规定的性能标准。
    图1-1中“P”点表示性能已经变化,并发展到可识别潜在故障的程度:这可能是表明金属疲劳的一个裂纹;可能是振动,说明即将会发生轴承故障;可能是一个过热点,表明炉体耐火材料的损坏;可能是一个轮胎的轮面过多的磨损等。“F” 表示潜在故障已变成功能故障,即它已质变到损坏的程度。P-F间隔,就是从潜在故障的显露到转变为功能性故障的时间间隔,各种故障的P-F间隔差别很大,可由几秒到好几年,突发故障的P-F间隔就很短。较长的间隔意味着有更多的时间来预防功能性故障的发生,因而要不断地花费很大的精力去寻找潜在故障的物理参数,为采取新的预防技术,避免功能性故障,争得较长的时间。
 

    设备故障率随时间推移的变化规律称为设备的典型故障率曲线,如图1-2浴盆曲线所示。该曲线表明设备的故障率随时间的变化大致分三个阶段:早期故障期、偶发故障期和耗损故障期。故障的三种基本类型如图1-3所示。
    (l)早期故障期
    是指设备安装调试过程至移交生产试用阶段。造成早期故障的原因主要是由设计、制造上的缺陷,包装、运输中的损伤,安装不到位、使用工人操作不习惯或尚未全部熟练掌握其性能等原因所造成的。设备处于早期故障期,故障率开始很高,通过跑合运行和故障排除,故障率逐渐降低并趋于稳定。此段时间的长短,随产品、系统的设计与制造质量而异。
 


    早期故障率是影响设备可靠性的一个重要因素,会使设备的平均无故障工作时间减少。从设备的总役龄来看,这段时间不长,但必须认真对待,否则影响新设备效能的正常发挥,对资金回收不利。对于已定型的成批生产的设备和熟练的操作人员来说,早期故障期较短。
    对新设备来说,此阶段的故障形态主要由三个参数所决定,即期初故障率,持续时间和期末故障率。这一阶段的故障率是下降型,即随着时间的推移故障率是逐渐下降的,可靠度的分布函数大体服从超指数分布或a<1时的威布尔分布,如图1-3中I所示。

(2)偶发故障期
    经过第一阶段的调试、试用后,设备的各部分机件进人正常磨损阶段,操作人员逐步掌握了设备的性能、原理和机构调整的特点。设备进入偶发故障期。在此期间故障率大致处于稳定状态,趋于定值。在此期间,故障的发生是随机的。在偶发故障期内,设备的故障率蕞低,而且稳定。因而可以说,这是设备的蕞佳状态期或称正常工作期。这个区段称为有效寿命。
    偶发故障期的故障,一般是由于设备使用不当与维修不力,工作条件(负荷、环境等)变化,或者由于材料缺陷、控制失灵、结构不合理等设计、制造上存在的问题所致。故通过提高设计质量、改进使用管理、加强监视诊断与维护保养等工作,可使故障率降低到蕞低。
    对于偶发期故障,一般需要进行统计分析。为此,必须健全设备运行、故障动态和维修保养的记录,建立设备检查与生产日志等制度,对故障进行登记与分析。
    此阶段的故障形态的重要参数是故障率和持续时间,这一阶段是故障率恒定型,可靠度分布密度函数大体上服从负指数分布或a=1的威布尔分布,如图1-3中II所示。
    (3)耗损故障期
    由于设备随着使用时间的延长,各零部件因磨损、疲劳、老化、腐蚀逐步加剧而丧失机能,使设备故障率逐渐上升。这说明设备的一些零部件已到了使用寿命期,应采用不同的维修方式来阻止故障率的上升,延长设备的使用寿命,如在拐点P即耗损故障期开始处进行大修,可经济而有效地降低故障率。如果继续使用,就可能造成设备事故。
    通常,根据设备的耗损故障情况和维修能力,制定一条允许故障率的界限线,以控制实际故障率不超过此范围。
    此阶段的故障形态的主要参数为故障上升速度,这一阶段属于故障率上升型,如图1-3中Ⅲ所示。这一阶段可靠度分布密度函数,大体上遵从正态分布或a>1时的威布尔分布。根据正态分布的特征,在某一时间上会出现极大值,故障的分散程度由方差来表示,其值愈小,故障愈集中,维修时间预测愈准确。
    设备故障率曲线变化的三个阶段,真实地反映出设备从磨合、调试、正常工作到大修或报废故障率变化的规律,加强设备的日常管理与维护保养,可以延长偶发故障期。准确地找出拐点,可避免过剩修理或修理范围扩大,以获得蕞佳的投资效益。
    随着科学技术的不断发展,数控设备、加工中心等现代化设备不断出现,其故障规律与传统的浴盆曲线有所改变,人们开始对这些设备的故障规律进行研究。美国民航进行了30年的研究发现,除典型的浴盆曲线外,还有五种故障率曲线,如图1-4所示。曲线A显示了恒定的或者略增的故障率,接着就是耗损期。曲线B显示了缓慢增长的故障率,但没有明显的耗损期。曲线C显示了新设备从刚出厂的低故障率,急剧地增长到一个恒定的故障率。曲线D显示了设备整个寿命周期内的一个恒定的故障率。曲线E显示,开始有高的初期故障率,然后急剧地降低到一个恒定的或者是增长极为缓慢的故障率。
    综上所述,传统的修理周期结构必须随科技的发展、不同的设备结构特点进行改革。为此,提倡状态维修,特别是结构复杂的现代化设备,充分利用潜在故障已经发生并在其转变成为功能性故障之前的这段时间做好状态监测,针对故障前兆,实施状态维修,可使维修工作量和维修费用大幅度地降低,实现少投人多产出的理想效果。

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