现代设备管理课件：设备故障及诊断技术 -

析設備的劣化、損壞過程，從微觀的角度具體研究故障機理、 形態和發展規律性 6.1.2 設備可靠度與故障率
設備的可靠性是指：在規定條件下和規定時間內能夠實現 其功能的概率。
用R表示。因為是時間的函數，所以又可以寫成R(t)，並且
O≤R(t)≤1 故障--可靠性:一臺設備或一個設備系統，要麼處於可靠狀
態，要麼處於故障狀態。因此，若設F(t)為不可靠度，或稱為 累積故障概率，應有 R(t)+F(t)=1 或 F(t)=1-R(t)
生故障的機會。因此，應在這一時期出現前不久，進行預防維 修，或在這一時期剛出現時，進行設備小修，可以防止故障大 量湧現，降低故障率和維修工作量。
設備故障及診斷技術
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其他故障規律特點
故
障 率
浴盆曲線
故
障 率
磨合期不明顯
故
障
耗損期不明顯
率
A
時間
B
時間
故
隨機期約為常數
障
率
故
障 率
隨機期約為常數
C
時間
故
障 率
從毛坯準備、切削加工、壓力加工、熱處理，焊接和裝配
加工，到機械設備完成在機制工藝過程的每道工序中，都有可 能積累應力集中，或產生微觀裂紋等缺陷，經裝配使用時才在 工作狀態下顯現出來。
4）運轉過程中的問題 運轉過程中沒有預料到的使用條件變化，如出現超載、過 熱，高壓、腐蝕、潤滑不良、漏電、漏油、操作失誤、維護修 理不當等，都會引起設備故障。
②株州化工廠引進國外水環離心壓縮機，驗收實驗有異常聲 響，診斷發現振動超標，向外商索賠被拒絕。把證據拿出來， 振動有20倍工作頻率成分，判斷內部有20個葉片不平衡，成
設備故障及診斷技術
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中國：1979年第一次辦學習班，80年代初開始，目前在石化、 冶金、電力等行業應用較好，在其他領域逐步展開。
故障診斷技術發展的兩個階段 1）常規診斷階段:
感測器技術和動態測試技術為基礎，信號處理技術為手段。
2）新型診斷技術階段:
振動診斷技術、雜訊診斷技術、聲發射診斷技術、光譜診 斷技術、鐵譜診斷技術、無損檢測診斷技術、紅外和熱成像診 斷技術。
故障率%
20.4 16.5 9.1
7.5 12.5 3.8 10.7 8.4
6.3
4.8
設備故障及診斷技術
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表 5-2 船舶柴油机动力装置及主要零件故障统计表
装置及零件
轴承
汽缸 活塞
燃烧 室
燃油 系统
涡轮 机
齿轮
锅炉
辅助 装置
凸轮 机构
故障数目
283 206 130
66
56
41
39
28
24
百分比%
夾渣
像
射
（液壓） 電磁
絕緣
適用 轉動 熱工 磨合 容器 起重 液壓 電氣 材料 焊接 流程
系統：機械 電器 系統 管道 設備 氣動 系統 表面 結構 系統
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成功診斷案例
①上海人造板廠木材生產線高速雙面板滾磨光機試車發現異 常振動，監測發現原來機架導向輥轉動頻率接近機械固有頻
率，產生共振，退回重新設計（設計優化）。
25.3 18.4 11.6 5.9 5.0 3.7 3.5 2.5 2.2
装置及零件
热交 换器
润滑 系统
机座
泵
压缩 机
冷却 系统
推进 器
曲轨
增压 器
故障数目
21
18
33百分比%
1.9 1.6 3.0 1.6 1.3 1.0 0.9 0.8 0.8
装置及零件
标准 件
连杆
排气 系统
• 十大手段
名稱： 振動 溫度 油液 聲音 強度 壓力 電氣 表面 無損 工況
參數 狀態 檢測 指標
適用 穩態 溫度 油質 雜訊 載荷 壓力 電流 裂紋 裂紋 參數
技術 瞬態 溫差 磨粒 聲阻 扭距 壓差 電壓 腐蝕 晶粗 性能
領域： 熱場 鐵譜 超聲 應力 壓力 電阻 磨耗 過燒 精度
熱圖 光譜 聲發 應變 聯動 功率
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故障診斷技術的發展 ①第二次世界大戰中，認識到這種技術的重要性； ②第二次世界大戰後，因相應技術未發展而發展不快； ③60年代後，電子技術、電腦技術發展，對應的數字信號 處理和分析技術的發展為設備診斷技術奠定了技術基礎。 美國：1967年成立美國機械故障預防小組，在航空、航 太、軍事、核能等尖端部門目前處於領先地位。 英國：70年代初成立機器保健與狀態監測協會，在摩擦、 磨損、汽車、飛機發動機監測與診斷具有領先地位。 歐洲一些國家：瑞典SPM公司--軸承監測技術，AGEMA 公司--紅外熱像技術；丹麥B&K公司--振動、雜訊監測技術； 挪威--船艦診斷技術。 日本：70年代起步，在民用工業（鋼鐵、化工、鐵道等） 有優勢。
現代設備管理
Modern Equipment Administration
設備故障及診斷技術
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6.1 設備故障的概念及分佈規律
6.1.1 故障的定義 故障：設備在規定時間內、規定條件下喪失規定功能的狀
況稱為故障。 故障、異常、缺陷等都是反映設備技術狀態不良的術語，
在實際工作中往往很難確切地加以區別。 設備故障與設備可靠性的含義正好相反，但兩者都是設備
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按以下幾方面進行歸納： ①機械零部件材料性能：疲勞、斷裂、裂紋、蠕變、過 度變形、材質劣化等； ② 化學、物理狀況異常：腐蝕、油質劣化、絕緣絕熱劣 化、導電導熱劣化、溶融、蒸發等；
③ 設備運動狀態：振動、滲漏、堵塞、異常雜訊等；
④多種原因的綜合表現：磨損。
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環境因素 主要影響
典型故障
機械能 產生振動、衝擊、壓力 、強速度、機械應力等
熱能
產生熱老化、氧化、軟 化、熔化、粘性變化、 固化、脆化、熱脹冷縮 及熱應力等
化學能
產生受潮、乾燥、脆化 、腐蝕、電蝕、化學瓜 及污染等
其他能量 產生脆化、加熱、蛻化 、電離及磁化
機械強度降低、功能受影響、磨損加劇 、過量變形、疲勞破壞、機件斷裂
仪表
锚机 系统
密封 件
液压 系统
其它
故障数目
8
6
6
5
5
5
3
62
百分比%
0.7 0.54 0.54 0.45 0.45 0.45 0.27 5.6
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6.2 設備故障的典型模式和成因
設備的故障必定表現為一定的物質狀況特徵，這些特徵反
映出物理的、化學的異常現象它們導致設備功能的喪失。我們 把這些物質狀況的異常特徵稱為故障模式。
研究各種故障模式，分析故障產生的原因機理，記錄故障
現象和故障經常出現的場合採用有效的監測方法，並提出避免 的措施，這是設備故障研究的主要任務。 6.2.1 機械設備中常見的故障模式
異常振動、磨損、疲勞、裂紋、破裂、過度變形、腐蝕、
剝離、滲漏、堵塞、鬆弛、溶融、蒸發、絕緣劣化、異常聲響、 油質劣化、材質劣化、其他。
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F(t)對時間的導數，稱為故障概率密度函數，即單位時間 內發生故障的概率。
機器設備可靠性與故障函數的關係
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設備的典型故障率曲線 實踐證明,可維修設備的故障率隨著設備使用期的延續，而 呈現三個不同趨勢的階段。 下圖所表示的浴盆曲線（bathtubcurve），將設備故障狀 態分為三個時間：
軸承、齒輪故障機理及其頻率
故障机理
磨损（W）
疲劳（F）
蠕变或应力 断裂和热 （S&I） 腐蚀（C）
合计
现场鉴定
磨损 侵蚀 断裂 疲劳 裂痕 断裂 变形 断裂 蠕变
100
轴承
预防维修频率%
故障维修频率 %
49
70
4
2
13
9
8
1
3
2
23
16
100
100
齿轮 故障维修频率
% 58
21
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設備故障及診斷技術
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6.1.3 故障的分類 1）早期故障期 特點:故障率較高且故障率隨時間的增加而迅速下降 原因：設計、製造、裝配等缺陷以及操作不熟練等 早期故障相當於設備的安裝試車階段。 設備進行大修理或技術改造後，早期故障期將再次出現。 早期故障期應用舉例： ①汽車發動機裝配工序的後段： 裝配—注油---運轉20分鐘/同時測試—下線—包裝 ②汽車下裝配線後：路試2—3公里—入庫 ③新車上路前5000公里限速行駛---磨合 ④飛機在製造廠的試飛： 裝配—測試—試飛—塗面漆—總軍檢—交付
③ 時間長，約等於機器的使用期限。
此時期成為設備的最佳工作期，這對應著設備的正常磨損 階段。
原因：使用不當、操作疏忽、潤滑不良、維護欠佳、材料
隱患、工藝缺陷等偶然原因所致，沒有一種特定的失效機理主 導作用，因而故障是隨機的。
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3）耗損故障期 為兩次大修間的正常工作時間。 這段時期的特點是設備故障率急劇升高。 由於大多數零部件經過長期的運轉，磨損嚴重，增加了產
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故障產生的原因—（產生過程） 產生故障的主要原因大體有四個方面： 1）設計不完善 在機械設備技術方案的規劃設計過程中，由於對設備的功
能設計不正確或不完善，設備在生產中不能很好地適應產品加 工的需要，造成實際的使用條件與原規劃的使用條件相差甚遠， 導致設備工作時發生超載，零件所受的應力過高或應力集中， 就有可能突破強度、剛度、穩定性等許用條件，形成故障。
應用：
故障診斷技術己應用於：飛機自動駕駛、人造衛星、太空 梭、核反應爐、汽輪發電機組、大型電網系統、石油化工過程 和設備、飛機和船舶發動機、汽車、冶金設備、礦山設備和機 床等。
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6.4 設備的診斷技術與狀態監測
6.4.1 設備故障的診斷技術
技術和支撐
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電路測量儀器
現代故障監測診斷技術
隨機期約為常數
D
時間
E
時間
F
時間
A、B----汽缸、連杆機構、齒輪、軸承等另部件； C----航空渦輪發動機； D、E、F----電子產品。
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例：電腦 生產線平面佈置圖中的烤機房設計
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700臺工業汽輪機故障分佈率
故障原因
產品原因
運行原因
外界原因
設計 安裝 材料 工藝 製造 調試 使用 維護 異物 其他
品質的時間性和綜合性的指標。 失效與故障:通常失效泛指一種物品喪失其規定功能的情
況，而故障則指設備某些功能的喪失。大多數設備的故障可以 通過維修方式，使功能得以恢復。
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故障理論： 故障統計分析：是應用可靠性理論從宏觀現象上，定性和 定量地分析故障過程的模型、特點和規律性。 故障物理分析：採用先進的測試方法和物理化學方法，分
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由於管理混亂和管理不善帶來的故障，約占故障總數的30 ％--40％。
隨著科學技術的進步，人們對設備故障的分析不再僅僅停
留對硬體形態的方面，而開始重視起軟體缺陷造成的故障分析， 例如，人的素質、操作技能、管理制度等。
注意點： ①傳統的故障觀念與現代設備的“故障源” 有6大因素：零元件缺陷；零（元）件間的配合不協調； 資訊指令故障；人員誤操作；輸入異常（原材料、能源、電、 汽、工質不合格等）；工作環境惡化。 ② 計畫維修對故障率的影響是使浴盆曲線進行了平移, 對 裝備進行維修後不僅沒有降低系統的故障率，反而使其重新進 入另一個磨合期，將磨合期的高故障率引入穩定的系統中，增 加了裝備的總故障率。
設計不完善的主要表現和最為常見的是：有相對運動零件
材料配合和潤滑方式選擇不當，對使用條件和環境的影響考慮 不周。
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2）原材料的缺陷 零部件材料選用不符合技術條件：材質不符合規定的標準， 符、鍛、焊件本身存在缺陷。 熱處理變形或留下缺陷，是產生磨損、腐蝕、過度變形、 疲勞、破裂等現象的主要原因。 3）製造過程中的缺陷
對於機械製造行業來說，振動和磨損則是利害攸關的大 事；
對於石油、化工設備，滲漏問題極其敏感； 回轉機械的主要故障模式是異常振動、磨損、異常聲響、 裂紋、疲勞； 靜止設備的主要故障模式是腐蝕、裂紋、滲漏。
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6.2.2 故障產生的原因和模式 引起故障的外因——因素來源分類
1）環境因素：力、能、振動、污染
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電子產品製造商一般通過測試、老煉、篩選等手段將早期 故障儘量剔除，然後提供給客戶使用
電子產品的老化曲線
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2）隨機故障期 特點： ①故障率低而穩定，近似常數，與時間t關係不大。 ②偶然因素引起故障，由於設計製造中潛在缺陷、 操作差
錯、不良維護、環境等因素所致。通過調試不能消除，更換零 件不能預防。
電氣性能變化、潤滑性能降低、機械應 力增加、磨損加劇、機械強度降低、腐 蝕加速、熱疲勞破壞、密封性能破壞
功能受影響、電氣性能下降、機械性能 降低、保護層損壞、表面變質、化學瓜 加劇、機械斷裂 表面變質、材料褪色、熱老化、氧化、 材料的物理、化學、電氣性能發生變化
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2）人為因素： ①設計不良； ②品質偏差； ③使用不當。 3）時間因素： 常見的磨損、腐蝕、疲勞、變形等故障都與時間有密切的 關係。