1、机械故障诊断学机械故障诊断学机械故障诊断学2-1 故障的概念2-2 故障分类与规律2-3 故障分布模型2-4 故障模式2-5 故障机理第2章 机械故障2-1 故障的概念1.机械故障-结构、机器或机械零件在尺寸、形状、材料性质方面的改变，使结构、机器或机械零件不能达到原设计要求的功能，或者改变原有的各种参数，称为机械故障。2.影响机械工作能力的能量：机械能、热能、化学能、核能、电磁能、生物能等，这些因素引起零件、产品性能参数降低，最后导致机械故障的发生。2-2 故障分类与规律2-2-1 故障分类目的：揭示、分析故障实质，选择适当诊断手段。1.按故障对机械工作能力的影响分类：n完全性故障-机器丧失
2、主要功能，工作完全中断；n局部性故障-机器丧失部分功能，工作还能继续进行。2.按故障发生速度及演变过程分类n突发性故障-故障概率与工作时间无关，没有明显征兆，来不及监测预报；n渐进性故障-长期使用，某些零件技术指标超标引起的故障，可通过监测预报3.按故障发生性质分类：n人为故障-操作人员违反规定操作、维修、管理引起的故障，易被忽视；n自然故障-由于使用环境、材料缺陷等造成的故障。4.按故障发生时间分类：n早期故障；n使用期故障；n老化期故障。5.按故障相关性分类：n非相关性故障-不是由于其它零件的故障引起的故障；n相关性故障-由于其它零件的故障引起的故障，也称为二次故障。例：油泵故障-油中断-
3、曲轴与主轴瓦粘着（咬死），主轴瓦故障属相关性故障。以下两表可从总体上分析故障分布情况，有助于抓关键，寻对策。表 2-1 700 台工业汽轮机故障分布率产品原因运行原因外界原因故障原因设计安装材料工艺制造调试使用维护异物其它故障率%20.416.59.17.512.53.810.78.46.34.8表 2-2 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283206130665641392824百分比%25.318.411.65.95.03.73.52.52.2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
4、目2118331815121099百分比%1.91.63.01.61.31.00.90.80.8装置及零件标准件连杆排气系统仪表锚机系统密封件液压系统其它故障数目866555362百分比%0.70.540.540.450.450.450.275.62-2-2 故障规律机械设备使用全过程分为：n磨合期（早期故障期）n正常使用期（随机故障期）n耗损期（磨耗故障期）时间磨合期正常使用期耗损期图2-1 浴盆曲线故障率%1.早期故障期特点：故障率高，但随时间增长，故障率很快下降，并趋于稳定。产生原因：由设计、制造、安装等因素造成。2.随机故障期特点：故障率低而稳定，近似常数，与时间t关系不大。偶然因素引
5、起故障，由于设计制造中潜在缺陷、操作差错、不良维护、环境等因素所致。通过调试不能消除，更换零件不能预防。时间长，约等于机器的使用期限。3.磨耗故障期特点：故障率随时间增长而大大增加，是由机器本身物理、化学等变化导致磨损、疲劳、腐蚀等故障发生。A 时间故障率 B 时间故障率 C 时间故障率浴盆曲线磨合期不明显耗损期不明显 D 时间故障率 E 时间故障率 F 时间故障率随机期约为常数随机期约为常数随机期约为常数A、B-汽缸、连杆机构、齿轮、轴承等零部件；C-航空涡轮发动机；D、E、F-电子产品。4.其它故障规律特点：2-3 故障分布模型n定量分析故障特征模型：正态分布、指数分布、威布尔分布、对数正
6、态分布、伽玛分布等常见概率模型。n定性分析故障机理模型：应力-强度模型、最弱环模型、退化模型、累积损伤模型等常见物理模型。n两者关系：故障机理模型有助于故障分布模型的判别；分布模型的特性有助于故障机理的分析。2-3-1威布尔型故障分布1.物理模型-最弱环模型 产品由若干个独立部件串联构成，若其中某个常发生故障的部件发生故障，导致整体故障。犹如链条断裂一样，断口所在环称为最弱环。最弱环的寿命=产品寿命。最弱环型的故障分布通常服从威布尔分布。2.威布尔分布特征威布尔分布-一种随时间变化带有极值的函数，常采用表示损耗故障，其故障密度函数f(t)、可靠度函数R(t)、故障率函数(t)分别为：特征寿命参
7、数。形状参数，运行时间，式中：-3-2 2-2 )(1-2 11mttmtRtftedttftRetmtfmtttmmm分析：取=1，不同的m值，f(t)、R(t)、(t)如图所示。n当m1，f(t)有极值，表现为耗损故障；n随m的增加，f(t)趋于对称形（正态分布），指数分布、正态分布、瑞利分布均可看作威布尔分布的特例。威布尔分布故障密度函数威布尔分布故障密度函数0 00.20.20.40.40.60.60.80.81 11.21.21.41.41.61.60.10.10.40.40.60.60.90.91.11.11.41.41.61.61.91.92.12.12.42.4m=4m=4m=
8、3m=3m=2m=2m=1m=1m=0.5m=0.53.适用范围串联结构：若有常发故障串联元，在强外力随机作用下，首先发生故障。如动力传动系统、管路系统等，都可考虑威布尔分布。非串联结构：各部件故障间相互关联密切，通过传播蔓延而导致故障，都可考虑威布尔分布。例如球轴承疲劳失效，由部分钢球碎裂导致其它钢球过载引起轴承失效。渐进性故障：例如轴承、活塞、齿轮箱等在磨损故障期出现的故障有不少属于威布尔分布。2-3-2指数型故障分布1.物理模型物理模型-应力应力-抗力模型抗力模型安全范围抗力分布应力分布tF图2-4 应力-抗力模型在应力抗力时，故障率约等于常数，不随时间增长明显增大，在该阶段不积累损伤和
9、疲劳。若外力（冲击力）最大抗力极限，很可能一次性冲击就出故障。如图所示：t=0时，抗力应力，正态分布型的应力和抗力分布域带之间有一定的安全范围，随时间t增加，内部损伤积累，抗力下降，两个分布域重合，阴影面积内应力抗力而发生故障。2.指数分布特征指数分布特征故障密度函数：可靠度函数：故障率函数：ttetRtetftt0,0 0,0 重要特性：无记忆性。既在某段时间内，新、旧产品一样可靠，可能偶出故障。这类故障与使用时间长短、次数多少无关，只与外界超强度冲击力的随机到来和内部潜伏的隐患偶然爆发有关，为随机偶发故障。所以，指数型故障分布的产品在使用周期内，不必要作预防性更换。3.适用范围：适用范围：
10、属于随机性超抗力冲击造成的故障，如车、船碰撞、火灾、爆炸等重大事故以及过载、过热造成的完全性故障。属于正常使用下突发性故障、人为失误故障。2-3-3伽玛型故障分布1.物理模型物理模型-累积损伤模型累积损伤模型 产品由若干部件并联组成，每个部件的故障属应力-抗力模型，每次较大的应力冲击，可能使其中一个部件损伤，多次冲击就造成整体故障。其对应的分布函数为伽玛分布。换句话说：外加应力消失，产品内部损伤未消失，多次反复，抵抗力逐渐下降，最后超过屈服极限强度造成故障。2.伽玛分布特性：伽玛分布特性：故障密度函数：可靠度函数：故障率函数：9-2 82 !7-2 !1011101dtetettetetRet
11、ktftktktkttkk式中：参数表示冲击流的次数，=1表示一次性冲击（指数型故障）基本特征：对于局部受到的指数型损伤有累积效应。3.适用范围：适用范围：钢丝绳断裂2-3-3正态型故障分布1.物理模型物理模型-累积损耗模型累积损耗模型外界应力对产品有不可逆作用，即当应力消失后，应力作用后果仍有部分或全部存在，每次作用的损伤累积起来超过某一临界值时，产品发生故障。该故障称为累积损耗型模型。2.正态分布特性：正态分布特性：n故障密度函数：n可靠度函数：n故障率函数：12-2 121112 110-2 21222222 utetuttRetftt式中：（t-u）/）为标准正态分布中处（t-u）/的
12、累积概率3.适用范围：适用范围：适用范围很广，其主要特征是故障成因上由诸多相对独立的无支配性的微小差异叠加而成。故障出现时间对称地集中于平均寿命附近。注意：建立故障分布模型，有助于查明故障形成机理，在产品设计阶段可估计产品的可靠度。除形式上的相似，还应根据故障的物理现象来研究完整的故障模型。2-4 故障模式2-4-1定义和分类1.定义：定义：故障模式是指产品故障的表现现象。2.分类：分类：有多种分类方法。可由故障表现形式、诱发故障的因素以及部位等进行分类。即每一种故障都是由一个或多个故障表现形式与诱发故障的因素以及一个部位组合而成。3.故障表现形式：故障表现形式：弹性变形、塑性变形、断裂、材料
13、变化（金相变化、化学变化、核变化）4.诱发故障的因素：诱发故障的因素：力-稳定力、不稳定力、周期力、随机力。时间-很短、短、长。温度-低温、室温、升温、稳定温度、不稳定温度、周期变化温度、随机变化温度。作用环境-化学环境、核变环境。5.故障部位：故障部位：整体、表面。为精确阐明一个特定的故障模式，必须从以上三个类别中选择适当的类别。例：某故障表现形式为塑性变形，诱发因素为稳定力、室温，故障部位为整体型，其故障模式称为屈服，即在室温下由于稳定力作用而形成整体塑性变形。2-4-2常见的故障模式n由作用力或温度诱发的弹性变形n屈服、韧性断裂、脆性断裂、凹痕疲劳n疲劳-高频、低频、热、表面、冲击、腐蚀
14、、微动等疲劳。n腐蚀-直接化学腐蚀、电化学腐蚀、裂隙腐蚀、点蚀、晶间腐蚀、侵蚀、穴蚀、氢损伤、生物腐蚀、应力腐蚀。n磨损-粘着、磨料、腐蚀、表面疲劳、形变、冲击、微动磨损等。n冲击-冲击断裂、变形、磨损、微动、疲劳等。2-4-2常见的故障模式n微动-微动疲劳、微动磨损、微动腐蚀等。n蠕变、热松弛、应力破坏、热冲击、咬死、剥落、放射性破坏、翘曲、蠕变翘曲、蠕变-疲劳等。下表为部分机电产品（传动器、轴承、电缆、离合器、连接器、偶合器、齿轮、电机、电位器、继电器、螺线管、转换器等）故障模式所占百分比。故障模式腐蚀变形侵蚀摩擦绝缘击穿裂纹磨损其它%10.887.850.263.017.460.0432
15、.320.662-5 故障机理1.定义：故障机理-引起产品故障的物理、化学变化等内在的原因、规律及其原理。2.分类：SCWIFT分类法（六类）蠕变或应力断裂（S）、腐蚀（C）、磨损W）冲击断裂（I）、疲劳（F）、热（T）2-5 故障机理轴承 齿轮 故障机理 现场鉴定 预防维修频率%故障维修频率%故障维修频率%磨损 49 70 58 侵蚀 4 2 磨损（W）断裂 13 9 疲劳 表面裂痕 8 1 疲劳（F）断裂 变形 3 2 21 断裂 蠕变或应力断裂和热（S&T）蠕变 腐蚀（C）23 16 合计 100 100 100 下表是以SCWIFT分类法阐述轴承、齿轮故障机理及其频率。3.故障机理的演变过程：故障原因故障机理故障现象环境条件、时间、工作负荷工作机理故障模式S1M1MO1S2M2MO2S3M3MO3电刷故障机理演变途径工作负荷故障机理故障模式应力断裂和蠕变（S）S表面裂纹裂纹腐蚀（C）C磨损变形磨损（W）W腐蚀熔融冲击断裂（I）I蒸发疲劳（F）F断裂热负荷（T）T破碎
