機(jī)械故障§2-1故障的概念1.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(jì)要求的功能或者改變?cè)械母鞣N參數(shù)，稱為機(jī)械故障。2.影響機(jī)械工作能力的能量：機(jī)械能、熱能、化學(xué)能、核能、電磁能、生物能等，這些因素引起零件、產(chǎn)品性能參數(shù)降低，最后導(dǎo)致機(jī)械故障的發(fā)生。故障分類與規(guī)律§2-2-1故障分類目的：揭示、分析故障實(shí)質(zhì)，選擇適當(dāng)診斷手段。1.按故障對(duì)機(jī)械工作能力的影響分類：完全性故障----機(jī)器喪失主要功能，工作完全中斷；

局部性故障----機(jī)器喪失部分功能，工作還能繼續(xù)進(jìn)行。2.按故障發(fā)生速度及演變過(guò)程分類

突發(fā)性故障----故障概率與工作時(shí)間無(wú)關(guān)，沒有明顯征兆，來(lái)不及監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)；

漸進(jìn)性故障----長(zhǎng)期使用，某些零件技術(shù)指標(biāo)超標(biāo)引起的故障，可通過(guò)監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)3.按故障發(fā)生性質(zhì)分類：

人為故障----操作人員違反規(guī)定操作、維修、管理引起的故障，易被忽視；

自然故障----由于使用環(huán)境、材料缺陷等造成的故障4.按故障發(fā)生時(shí)間分類：早期故障；使用期故障；老化期故障。5.按故障相關(guān)性分類：非相關(guān)性故障----不是由于其它零件的故障引起的故障；

相關(guān)性故障----由于其它零件的故障引起的故障，也稱為二次故障。例：油泵故障----油中斷----曲軸與主軸瓦粘著（咬死），主軸瓦故障屬相關(guān)性故障。以下兩表可從總體上分析故障分布情況，有助于抓關(guān)鍵，尋對(duì)策§2-2-2故障規(guī)律機(jī)械設(shè)備使用全過(guò)程分為：磨合期（早期故障期）正常使用期（隨機(jī)故障期）耗損期（磨耗故障期）1.早期故障期特點(diǎn):故障率高，但隨時(shí)間增長(zhǎng)，故障率很快下降，并趨于穩(wěn)定。產(chǎn)生原因：由設(shè)計(jì)、制造、安裝等因素造成。2.隨機(jī)故障期特點(diǎn)：①故障率低而穩(wěn)定，近似常數(shù)，與時(shí)間t關(guān)系不大。②偶然因素引起故障，由于設(shè)計(jì)制造中潛在缺陷、操作差錯(cuò)、不良維護(hù)、環(huán)境等因素所致。通過(guò)調(diào)試不能消除，更換零件不能預(yù)防。③時(shí)間長(zhǎng)，約等于機(jī)器的使用期限。3.磨耗故障期特點(diǎn)：故障率隨時(shí)間增長(zhǎng)而大大增加，是由機(jī)器本身物理、化學(xué)等變化導(dǎo)致磨損、疲勞、腐蝕等故障發(fā)生4.其它故障規(guī)律特點(diǎn)：§2-3故障分布模型定量分析故障特征模型：正態(tài)分布、指數(shù)分布、威布爾分布、對(duì)數(shù)正態(tài)分布、伽瑪分布等常見概率模型。定性分析故障機(jī)理模型：應(yīng)力--強(qiáng)度模型、最弱環(huán)模型、退化模型、累積損傷模型等常見物理模型。兩者關(guān)系：故障機(jī)理模型有助于故障分布模型的判別；分布模型的特性有助于故障機(jī)理的分析。

§2-3-1威布爾型故障分布1.物理模型----最弱環(huán)模型產(chǎn)品由若干個(gè)獨(dú)立部件串聯(lián)構(gòu)成，若其中某個(gè)常發(fā)生故障的部件發(fā)生故障，導(dǎo)致整體故障。猶如鏈條斷裂一樣，斷口所在環(huán)稱為最弱環(huán)。最弱環(huán)的壽命=產(chǎn)品壽命。最弱環(huán)型的故障分布通常服從威布爾分布。2.威布爾分布特征

威布爾分布----一種隨時(shí)間變化帶有極值的函數(shù)，常采用表示損耗故障，其故障密度函數(shù)f(t)、可靠度函數(shù)R(t)、故障率函數(shù)

(t)分別為：分析：取

=1，不同的m值，f(t)、R(t)、

(t)如圖所示。

當(dāng)m<1，威布爾分布表現(xiàn)為早期故障；

當(dāng)m=1，表現(xiàn)為指數(shù)分布的偶然故障；

當(dāng)m>1，f(t)有極值，表現(xiàn)為耗損故障；

隨m的增加，f(t)趨于對(duì)稱形（正態(tài)分布），指數(shù)分布、正態(tài)分布、瑞利分布均可看作威布爾分布的特例。3.適用范圍①串聯(lián)結(jié)構(gòu)：若有常發(fā)故障串聯(lián)元，在強(qiáng)外力隨機(jī)作用下，首先發(fā)生故障。如動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)、管路系統(tǒng)等，都可考慮威布爾分布。②非串聯(lián)結(jié)構(gòu)：各部件故障間相互關(guān)聯(lián)密切，通過(guò)傳播蔓延而致故障，都可考慮威布爾分布。例如球軸承疲勞失效，由部分鋼球碎裂導(dǎo)致其它鋼球過(guò)載引起軸承失效。③漸進(jìn)性故障：例如軸承、活塞、齒輪箱等在磨損故障期出現(xiàn)的故障有不少屬于威布爾分布§2-3-2指數(shù)型故障分布

1.物理模型----應(yīng)力--抗力模型在應(yīng)力<抗力時(shí)，故障率約等于常數(shù)，不隨時(shí)間增長(zhǎng)明顯增大，在該階段不積累損傷和疲勞。若外力（沖擊力）<最大抗力極限，外力消除后，性能恢復(fù)如故，故障困難性不增加。若外力（沖擊力）>最大抗力極限，很可能一次性沖擊就出故障。如圖所示：t=0時(shí)，抗力>>應(yīng)力，正態(tài)分布型的應(yīng)力和抗力分布域帶之間有一定的安全范圍，隨時(shí)間t增加，內(nèi)部損傷積累，抗力下降，兩個(gè)分布域重合，陰影面積內(nèi)應(yīng)力>抗力而發(fā)生故障。2.指數(shù)分布特征

故障密度函數(shù)：

可靠度函數(shù)：

故障率函數(shù)：重要特性：無(wú)記憶性。既在某段時(shí)間內(nèi)，新、舊產(chǎn)品一樣可靠，可能偶出故障。這類故障與使用時(shí)間長(zhǎng)短、次數(shù)多少無(wú)關(guān)，只與外界超強(qiáng)度沖擊力的隨機(jī)到來(lái)和內(nèi)部潛伏的隱患偶然爆發(fā)有關(guān)，為隨機(jī)偶發(fā)故障。所以，指數(shù)型故障分布的產(chǎn)品在使用周期內(nèi)，不必要作預(yù)防性更換。3.適用范圍：

①屬于隨機(jī)性超抗力沖擊造成的故障，如車、船碰撞、火災(zāi)、爆炸等重大事故以及過(guò)載、過(guò)熱造成的完全性故障。②屬于正常使用下突發(fā)性故障、人為失誤故障?！?-3-3伽瑪型故障分布1.物理模型----累積損傷模型

產(chǎn)品由若干部件并聯(lián)組成，每個(gè)部件的故障屬應(yīng)力-抗力模型，每次較大的應(yīng)力沖擊，可能使其中一個(gè)部件損傷，多次沖擊就造成整體故障。其對(duì)應(yīng)的分布函數(shù)為伽瑪分布。換句話說(shuō)：外加應(yīng)力消失，產(chǎn)品內(nèi)部損傷未消失，多次反復(fù)，抵抗力逐漸下降，最后超過(guò)屈服極限強(qiáng)度造成故障。2.伽瑪分布特性：式中：參數(shù)

表示沖擊流的次數(shù)，

=1表示一次性沖擊（指數(shù)型故障）基本特征：對(duì)于局部受到的指數(shù)型損傷有累積效應(yīng)。

3.適用范圍：鋼絲繩斷裂§2-3-3正態(tài)型故障分布

1.物理模型----累積損耗模型

外界應(yīng)力對(duì)產(chǎn)品有不可逆作用，即當(dāng)應(yīng)力消失后，應(yīng)力作用后果仍有部分或全部存在，每次作用的損傷累積起來(lái)超過(guò)某一臨界值時(shí)，產(chǎn)品發(fā)生故障。該故障稱為累積損耗型模型。2.正態(tài)分布特性式中：

（（t-u）/

）為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布中處（t-u）/

的累積概率3.適用范圍：適用范圍很廣，其主要特征是①故障成因上由諸多相對(duì)獨(dú)立的無(wú)支配性的微小差異疊加而成。②故障出現(xiàn)時(shí)間對(duì)稱地集中于平均壽命附近建立故障分布模型，有助于查明故障形成機(jī)理，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段可估計(jì)產(chǎn)品的可靠度。除形式上的相似，還應(yīng)根據(jù)故障的物理現(xiàn)象來(lái)研究完整的故障模型?！?-4故障模式§2-4-1定義和分類

1.定義：故障模式是指產(chǎn)品故障的表現(xiàn)現(xiàn)象。2.分類：有多種分類方法。其中一種是由故障表現(xiàn)形式、誘發(fā)故障的因素以及部位等進(jìn)行分類。即每一種故障都是由一個(gè)或多個(gè)故障表現(xiàn)形式與誘發(fā)故障的因素以及一個(gè)部位組合而成。

3.故障表現(xiàn)形式：彈性變形、塑性變形、斷裂、材料變化（金相變化、化學(xué)變化、核變化）4.誘發(fā)故障的因素：

力----穩(wěn)定力、不穩(wěn)定力、周期力、隨機(jī)力。

時(shí)間----很短、短、長(zhǎng)。

溫度----低溫、室溫、升溫、穩(wěn)定溫度、不穩(wěn)定溫度、周期變化溫度、隨機(jī)變化溫度。

作用環(huán)境----化學(xué)環(huán)境、核變環(huán)境。

5.故障部位：整體、表面。為精確闡明一個(gè)特定的故障模式，必須從以上三個(gè)類別中選擇適當(dāng)?shù)念悇e。例：某故障表現(xiàn)形式為塑性變形，誘發(fā)因素為穩(wěn)定力、室溫，故障部位為整體型，其故障模式稱為屈服，即在室溫下由于穩(wěn)定力作用而形成整體塑性變形。§2-4-2常見的故障模式由作用力或溫度誘發(fā)的彈性變形屈服、韌性斷裂、脆性斷裂、凹痕疲勞疲勞----高頻、低頻、熱、表面、沖擊、腐蝕、微動(dòng)等疲勞。腐蝕----直接化學(xué)腐蝕、電化學(xué)腐蝕、裂隙腐蝕、點(diǎn)蝕、晶間腐蝕、侵蝕、穴蝕、氫損傷、生物腐蝕、應(yīng)力腐蝕。磨損----粘著、磨料、腐蝕、表面疲勞、形變、沖擊、微動(dòng)磨損等。沖擊----沖擊斷裂、變形、磨損、微動(dòng)、疲勞等。微動(dòng)----微動(dòng)疲勞、微動(dòng)磨損、微動(dòng)腐蝕等。蠕變、熱松弛、應(yīng)力破壞、熱沖擊、咬死、剝落、放射性破壞、翹曲、蠕變翹曲、蠕變--疲