1、南京理工大学机械工程学院工业工程系第第6章章 设备故障管理设备故障管理2引言引言n目前，大多数设备远未达到无维修设计的程度，因而时目前，大多数设备远未达到无维修设计的程度，因而时有故障发生，维修工作量大。为了全面掌握设备状态，有故障发生，维修工作量大。为了全面掌握设备状态，搞好设备维修，改善设备的可靠性，提高设备利用率，搞好设备维修，改善设备的可靠性，提高设备利用率，必须对设备的故障实行管理必须对设备的故障实行管理n设备故障管理的目的是在故障发生前通过设备状态的监设备故障管理的目的是在故障发生前通过设备状态的监测与诊断，掌握设备有无劣化情况，以期发现故障的征测与诊断，掌握设备有无劣化情况，以期
2、发现故障的征兆和隐患，及时进行预防维修，以控制故障的发生；在兆和隐患，及时进行预防维修，以控制故障的发生；在故障发生后，及时分析原因，研究对策，采取措施排除故障发生后，及时分析原因，研究对策，采取措施排除故障或改善设备，以防止故障的再发生。故障或改善设备，以防止故障的再发生。3n设备故障的管理设备故障的管理的内容包括：故的内容包括：故障信息收集、储障信息收集、储存、统计、整理，存、统计、整理，故障分析，故障故障分析，故障处理，计划实施，处理，计划实施，处理效果评价及处理效果评价及信息反馈。信息反馈。46.1 设备故障分类设备故障分类n按发生状态分按发生状态分-渐发性故障：与材料的磨损、腐蚀、疲
3、劳及蠕变有密切关系渐发性故障：与材料的磨损、腐蚀、疲劳及蠕变有密切关系-突发性故障：与设备参数的极限、操作合理性等有关突发性故障：与设备参数的极限、操作合理性等有关n按故障性质分按故障性质分-间断性故障间断性故障-永久性故障永久性故障-完全性故障完全性故障-局部性故障局部性故障-磨损性故障磨损性故障-错用性故障错用性故障-固有的薄弱性故障固有的薄弱性故障根据故障的表现形式，主要根据故障的表现形式，主要的故障模式有损坏型、退化的故障模式有损坏型、退化型、松脱型、堵塞型、渗漏型、松脱型、堵塞型、渗漏型、性能衰退型和丧失功能型、性能衰退型和丧失功能型等。型等。56.2 设备故障的发展规律设备故障的发
4、展规律n机械设备在使用过程中，其性能或状态随着使用机械设备在使用过程中，其性能或状态随着使用时间的推移而逐步下降，呈现如图所示之曲线。时间的推移而逐步下降，呈现如图所示之曲线。-潜在故障（潜在故障（Potential failure），指故障发生前的一些），指故障发生前的一些预兆，是可以识别的物理态，它表明一种可能的故障预兆，是可以识别的物理态，它表明一种可能的故障即将发生。即将发生。-功能性故障（功能性故障（Functional failure），指设备已丧失了），指设备已丧失了某种规定功能。某种规定功能。-设备从潜在故障到功能故障的间隔期为设备从潜在故障到功能故障的间隔期为P-F间隔。间隔
5、。6n“P”点表示性能已经恶化，点表示性能已经恶化，并发展到可并发展到可识别的识别的潜在故障潜在故障的程度的程度 n“F”点表示潜在故障已变成点表示潜在故障已变成功能故障，已质变到损坏的功能故障，已质变到损坏的程度。程度。n各种故障的各种故障的P-F间隔差别很大，间隔差别很大，可由几秒到好几年，突发故可由几秒到好几年，突发故障的障的P-F间隔一般就很短。间隔一般就很短。7早期故障期早期故障期又称为又称为“磨合期磨合期”，开始故障率很高，但，开始故障率很高，但随时间的推移故障率迅速下降。此期间发随时间的推移故障率迅速下降。此期间发生的故障，主要是生的故障，主要是由设计、制造上的缺陷由设计、制造上
6、的缺陷所致，或是使用环境不当所造成所致，或是使用环境不当所造成。偶发故障期偶发故障期又称又称“有效寿命有效寿命”阶段，设备故障率阶段，设备故障率大致处于稳定状态，趋于定值。在此大致处于稳定状态，趋于定值。在此期间，期间，故障发生是随机的故障发生是随机的。偶发故障。偶发故障期的故障，多起因于设计、使用不当期的故障，多起因于设计、使用不当及维修不力。故通过提高设计质量，及维修不力。故通过提高设计质量，改进使用管理，加强监视诊断与维护改进使用管理，加强监视诊断与维护保养等工作，可使故障率降低到最低保养等工作，可使故障率降低到最低水平。水平。耗损故障期耗损故障期在设备使用的后期，故障率开始在设备使用的
7、后期，故障率开始上升。这是上升。这是由于设备零部件的磨由于设备零部件的磨损、疲劳、老化、腐蚀等造成损、疲劳、老化、腐蚀等造成的。的。8n设备故障率曲线变化的设备故障率曲线变化的3个阶段，真实地反映出设备从磨个阶段，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。合、调试、正常工作到大修或报废故障率变化的规律。n随着科学技术的发展，特别是机电液一体化技术的综合随着科学技术的发展，特别是机电液一体化技术的综合应用，由简单的机械设备转变为计算机辅助控制的大型应用，由简单的机械设备转变为计算机辅助控制的大型复杂设备。这些复杂设备。这些精密、大型、数控等结构复杂设备的故精密、大型、数
8、控等结构复杂设备的故障规律与传统的浴盆曲线相背离障规律与传统的浴盆曲线相背离，使人们开始对这些设，使人们开始对这些设备的故障规律进行研究。备的故障规律进行研究。n曲线曲线A显示了恒定的，或者略增的故障率，显示了恒定的，或者略增的故障率，接着就是磨损期。接着就是磨损期。n曲线曲线B显示了缓慢增长的故障率，但没有显示了缓慢增长的故障率，但没有明显的磨损期。明显的磨损期。n曲线曲线C显示了新设备从刚出厂的低故障率，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。急剧地增长到一个恒定的故障率。n曲线曲线D显示了设备整个寿命周期内的一个显示了设备整个寿命周期内的一个恒定的故障率。恒定的故障
9、率。n曲线曲线E显示，开始有高的初期故障率，然显示，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。为缓慢的故障率。n研究表明，研究表明，4的设备遵循典型的浴盆曲的设备遵循典型的浴盆曲线，线，2的设备遵循曲线的设备遵循曲线A，5的设备的设备遵循曲线遵循曲线B，7的设备遵循曲线的设备遵循曲线C，14的设备遵循曲线的设备遵循曲线D，不少于，不少于68的设的设备遵循曲线备遵循曲线E。显然，在设备越来越复杂。显然，在设备越来越复杂的情况下，更多的设备遵循的情况下，更多的设备遵循D和和E所代表所代表的模式。的模式。10n研究说明，原来认为设
10、备使用时间越长磨损越严研究说明，原来认为设备使用时间越长磨损越严重，而会使故障率上升的观点不一定正确。对于重，而会使故障率上升的观点不一定正确。对于某种故障模式起主导作用的设备，故障率可能与某种故障模式起主导作用的设备，故障率可能与使用时间有关。而对于大多数设备来说，使用时使用时间有关。而对于大多数设备来说，使用时间长短对于设备可靠性的影响不大。间长短对于设备可靠性的影响不大。116.3 设备故障的分析方法设备故障的分析方法n故障原因分类故障原因分类序号序号原因类型原因类型1设计问题设计问题2制造问题制造问题3安装问题安装问题4操作保养不良操作保养不良5超负荷、使用不合理超负荷、使用不合理6润
11、滑不良润滑不良7修理质量问题修理质量问题8自然磨损劣化自然磨损劣化9自然灾害自然灾害10操作者马虎大意操作者马虎大意11操作者技术不熟练操作者技术不熟练12违章操作违章操作13原因不明原因不明50100占占全全部部故故障障频频率率数数%润润滑滑不不良良自自然然磨磨损损操操作作保保养养不不良良操操作作者者马马虎虎大大意意维维修修质质量量不不高高操操作作不不熟熟练练超超载载使使用用不不合合理理制制造造不不良良违违章章操操作作设设计计不不良良原原因因不不明明12n主次图分析主次图分析-是一种利用经验判断分析问题的方法，是将平时设备是一种利用经验判断分析问题的方法，是将平时设备故障频次记录下来，统计绘
12、出设备的故障主次因图故障频次记录下来，统计绘出设备的故障主次因图（帕累托（帕累托PARETO图）图）-按照意大利科学家帕累托的按照意大利科学家帕累托的80/20法则，设备法则，设备20%的故的故障模式决定着障模式决定着80%的停机时间。即要抓住最有倾向性的停机时间。即要抓住最有倾向性的前的前20%故障模式，因为它们决定了设备的主要故障故障模式，因为它们决定了设备的主要故障停机。停机。按主次排列按主次排列的故障原因的故障原因故障故障频次频次变速变速 主轴主轴 溜板溜板电器电器其他其他48.5%77.3%86.4%94.5%99.9%加工机床的故障主次因图加工机床的故障主次因图13nMTBF分析法
13、（平均无故障时间，分析法（平均无故障时间，Mean Time Between Failure）-记录观测期内发生的全部故障（无论停机时间长短），记录观测期内发生的全部故障（无论停机时间长短），包括突发故障（事后修复）和将要发生的故障（通过包括突发故障（事后修复）和将要发生的故障（通过预防维修排除）的有关数据资料、故障部位（内容）、预防维修排除）的有关数据资料、故障部位（内容）、处理方法、发生日期、停机时间、修理的工时、修理处理方法、发生日期、停机时间、修理的工时、修理人员等。人员等。14观测期观测期t2t1t3tn-1tnt01t02t03t0n-1t0n平均无故障时间平均无故障时间MTBF平
14、均修理时间平均修理时间MTTR niintMTBF1/niintMTTR100/15n如果测定如果测定MTBF的分析是为了解决故障发生规律，则应的分析是为了解决故障发生规律，则应把所有原因造成的故障都统计在内。把所有原因造成的故障都统计在内。n如果测定如果测定MTBF的分析目的是求得可靠性数据，则应在的分析目的是求得可靠性数据，则应在故障统计中剔除那些非正常情况造成的故障，如明显的故障统计中剔除那些非正常情况造成的故障，如明显的超设备性能使用、人为损坏、自然灾害等造成的设备故超设备性能使用、人为损坏、自然灾害等造成的设备故障。障。n如果把记录故障的工作一直延续下去，当设备进入使用如果把记录故障
15、的工作一直延续下去，当设备进入使用后期（损耗故障期）将会出现故障密集现象，故障流的后期（损耗故障期）将会出现故障密集现象，故障流的间隔时间显著缩短。通过对多台相同设备的故障记录分间隔时间显著缩短。通过对多台相同设备的故障记录分析，就可以科学估计设备进入耗损故障期的时间。析，就可以科学估计设备进入耗损故障期的时间。16n故障树分析法故障树分析法-复杂系统都需要有效的可靠性与安全性评价，系统看复杂系统都需要有效的可靠性与安全性评价，系统看故障成因：故障成因：部件（硬件）的缺陷和性能恶化部件（硬件）的缺陷和性能恶化 软件程序错误软件程序错误 操作人员操作不当操作人员操作不当-故障树分析法故障树分析法
16、FTA（Failure Tree Analysis），是），是美国贝尔电话实美国贝尔电话实验室于验室于1962年开发的，它采用逻辑的方法，形象地进行故障年开发的，它采用逻辑的方法，形象地进行故障（危险）的分析工作。（危险）的分析工作。其后，在航空和航天的设计、维修，原子其后，在航空和航天的设计、维修，原子反应堆、大型设备以及大型电子计算机系统中得到了广泛的应用。反应堆、大型设备以及大型电子计算机系统中得到了广泛的应用。17n故障树分析法的特点故障树分析法的特点-从系统开始，到部件，再到零件逐渐展开成树状的逻辑从系统开始，到部件，再到零件逐渐展开成树状的逻辑图，来分析故障事件（又称顶端事件）发生
17、的概率。图，来分析故障事件（又称顶端事件）发生的概率。-适合于用电子计算机来进行逻辑推理计算；适合于用电子计算机来进行逻辑推理计算；-对系统故障可以做定性、定量的分析；对系统故障可以做定性、定量的分析；-单一构件所引起的系统故障分析，多个构件不同模式故单一构件所引起的系统故障分析，多个构件不同模式故障分析。障分析。-构造故障树受人的因素影响，容易发生错误和失察。构造故障树受人的因素影响，容易发生错误和失察。-由于每个分析人员所取的研究范围各有不同，其所得结由于每个分析人员所取的研究范围各有不同，其所得结论的可信性会有所不同。论的可信性会有所不同。18n故障树的编制故障树的编制-故障树是由各种事
18、件符号和逻辑门组成的，事件之间故障树是由各种事件符号和逻辑门组成的，事件之间的逻辑关系用逻辑门表示。这些符号可分逻辑符号、的逻辑关系用逻辑门表示。这些符号可分逻辑符号、事件符号等。事件符号等。（1）事件符号事件符号矩形符号矩形符号：代表顶上事件或中间事件，是通过：代表顶上事件或中间事件，是通过逻辑门作用的、由一个或多个原因而导致的故逻辑门作用的、由一个或多个原因而导致的故障事件。障事件。圆形符号：代表基本事件，表示不要求进一步圆形符号：代表基本事件，表示不要求进一步展开的基本引发故障事件。展开的基本引发故障事件。屋形符号：代表正常事件，即系统在正常状态屋形符号：代表正常事件，即系统在正常状态下
19、发挥正常功能的事件。下发挥正常功能的事件。菱形符号：代表省略事件，因该事件影响不大菱形符号：代表省略事件，因该事件影响不大或因情报不足，因而没有进一步展开的故障事或因情报不足，因而没有进一步展开的故障事件。件。椭圆形符号：代表条件事件，表示施加于任何椭圆形符号：代表条件事件，表示施加于任何逻辑门的条件或限制逻辑门的条件或限制19n逻辑符号逻辑符号-故障树中表示事件之间逻辑关系的符号称门。故障树中表示事件之间逻辑关系的符号称门。符号符号名称名称因果关系因果关系与门与门当全部输入事件发生时，输出事件才发生的逻辑关系。当全部输入事件发生时，输出事件才发生的逻辑关系。或门或门或门：代表一个或多个输入事
20、件发生，即发生输出事或门：代表一个或多个输入事件发生，即发生输出事件的情况件的情况禁门禁门禁门：是与门的特殊情况。它的输出事件是由单输入禁门：是与门的特殊情况。它的输出事件是由单输入事件所引起的。但在输入造成输出之间，必须满足某事件所引起的。但在输入造成输出之间，必须满足某种特定的条件。种特定的条件。顺序门顺序门输入端所有事件按从左到右的顺序出现才有输出输入端所有事件按从左到右的顺序出现才有输出与或门与或门输入端事件中只能有一个事件出现才有输出输入端事件中只能有一个事件出现才有输出20n故障树的构成故障树的构成系统失效状态（顶端事件）系统失效状态（顶端事件）按由下向上顺序逐级用按由下向上顺序逐
21、级用“与门与门”、“或门或门”或其它逻辑符号或其它逻辑符号来表示导致系统失效的中间事件（原因）及其逻辑关系来表示导致系统失效的中间事件（原因）及其逻辑关系在逻辑符号的上方或对于其他有待分析其原因的事件用在逻辑符号的上方或对于其他有待分析其原因的事件用矩形的符号表示，并用文字加以说明矩形的符号表示，并用文字加以说明到最后一级即不能或不必要再分的基本事件到最后一级即不能或不必要再分的基本事件用圆形的事件符号表示，并用文字加以说明用圆形的事件符号表示，并用文字加以说明21n在大多数情况下，故障树都是由与门及或门综合在大多数情况下，故障树都是由与门及或门综合组成。因此，在各基本事件均为独立事件的条件组成。因此，在各基本事件均为独立事件的条件下，即可利用事件的和、积、补等布尔代数的基下，即可利用事件的和、积、补等布尔代数的基本运算法则，列出这个系统的故障函数（系统故本运算法则，列出这个系统的故障函数（系统故障与基本事件的逻辑关系）。随后，就可进一步障与基本事件的逻辑关系）。随后，就可进一步对顶端事件做出定性的或定量的分析。对顶端事件做出定性的或定量的分析。22n两级故障树：两级故障树：F=XAXB nXA=X1X2及及XB=X3X4n故故F=XAXB=(X1X2）U(X3X4）n系统失效函数可简写为：系统失效函数可简写为：F(x)=X1+X2+X3+X423
