第1章　机械设备的故障分析

1.1　机械设备故障的概念

1.1.1　机械设备故障的概念及其判断准则

（1）故障的定义

机械设备在使用过程中，不可避免地会发生磨损、断裂、腐蚀、疲劳、变形、老化等情形，使设备性能劣化而丧失规定的功能甚至生产能力，这种设备性能劣化而丧失规定的功能的现象即“故障”与“失效”。一般情况下，“故障”与“失效”是同义词。但严格来说，按照GB 3187—1994规定，“失效是指产品丧失规定的功能，对于可修复产品通常称为故障”。

（2）故障判断准则

以上已经明确了故障的含义，然而故障不能仅凭直观感觉来判定，必须依据一定的判断准则。

首先，要明确产品保持的“规定功能”是什么，或者说产品功能丧失到什么程度才算出了故障。有些规定的功能很明确，不会引起不同的认识，如发动机缸体损坏，迫使停机修理。有时规定的功能却难以确定，特别是故障的形成是由于功能逐渐降低的这种情况，例如发动机的磨损超过一定的限度，将会加剧磨损，引起功率降低，燃油消耗率增加，出现这种情况，可以算作故障。然而，磨损的限度在使用中难以确定，像上述发动机情况，如果减小负荷，增加润滑油，有一定磨损的发动机，仍然是可以勉强继续使用的，也可以不算作故障，这就需要事先定出标准。

其次，在确定是否是故障，还要分析故障的后果，主要看故障是否影响产品的生产和设备及人身安全。除了以技术参数中的任一项不符合规定的允许极限作为故障判断的准则外，还要考虑若在这种状态下继续工作，是否会发生不允许的故障后果来判别。

因此，在判断产品故障时，不仅取决于产品的“规定功能”，而且还要考虑故障的后果。

一般来说，产品故障是指：在规定条件下，不能完成其规定的功能；产品在规定条件下，一个或几个性能参数不能保持在规定的上、下限值；产品在规定的应力范围内工作时，导致机械零件或元器件出现各种裂纹、渗漏、磨损、锈蚀、损坏等状态。

不同的产品有不同的故障判断标准，并且研究工作的出发点不同，所定义的故障也不同，难以做到统一。但是在同一使用部门之内，则应该有统一的标准。

总之，在确定故障判据时，应遵循以下原则：不能在使用条件下丧失功能；故障判断准则“根据可接受的性能来确定”；不同产品可按该产品的主要性能指标进行衡量。

1.1.2　机械设备故障的等级划分

（1）故障模式

按GB 3187—82规定，故障模式是指产品的“故障（失效）的表现形式”。

故障模式是通过人的感官或测量仪器得到的。

一般研究产品的故障时，往往从产品故障的现象入手，进而通过现象找出故障的原因，因此有必要弄清产品在各功能级别上的故障模式。机械设备及其零部件的故障模式大致可分为以下几种。

①损坏类型——断裂、开裂、裂纹、烧结击穿、短路、弯曲、过度变形、点蚀、熔融。

②退化类型——老化、变质、绝缘劣化、油质劣化、剥落、腐蚀、早期磨损。

③松脱类型——松动、脱落、脱焊。

④失调类型——间隙不当、流量不当、压力不当、行程不当、响度不当、照度不当。

⑤堵塞与渗漏类型——堵塞、粘合、污染、不畅、泄油、渗油、漏气、漏水。

⑥整机及子系统——性能不稳、功能不正常、功能失效、启动困难、供油不足、怠速不稳、总成异响、刹车跑偏。

（2）故障分类

在进行机械设备维修管理及故障分析时，应了解、掌握故障的分类，以便明确各种故障的物理概念，进一步分门别类地解决各种类型的故障。

故障的分类法多种多样，随着研究目的不同而异。

①按故障性质分为自然故障和人为故障。人为故障是由机器使用者有意或无意而造成的故障。

②按故障部位分为整体故障和局部故障。故障大多发生在产品最薄弱的部位，对这些部位应该重视，予以加强或者改变其结构。

③按故障时间分为磨合期、正常使用期和耗损故障期。在产品的整个寿命周期内，产品通常在耗损故障期内发生故障的概率较多。

④按故障急慢程度分为突发性故障和渐进性故障。突发性故障是指机件在损坏前没有可以觉察的征兆，机件损坏是瞬时出现的。例如因润滑油中断而使零件产生热变形裂纹；因机器使用不当或超负荷现象而引起机件断裂等。突发性故障产生的原因是各种不利因素以及偶然的外界影响共同作用的结果，它具有偶然性、不可预测性和发生故障的概率与其使用时间无关等特点。渐进性故障是由于机器某些零件的性能参数逐渐恶化，其参数超出允许范围（或极限）而引起的故障，例如机件的配合副磨损超过了允许极限等。大部分机械设备的故障都属于这类故障。产生这类故障的原因与产品材料的磨损、腐蚀、疲劳及蠕变等密切相关，出现故障的时间是在机件有效寿命的后期即耗损故障期，具有可预防性以及故障发生的概率与机械运转的时间有关的特点。

突发性和渐进性故障之间是有联系的。应该说所有的故障都是渐进的，因为事物的变化都是由量变到质变的过程。

⑤按故障的相关性分为非相关故障和相关故障。非相关故障是指产品的故障不是由机器其他机件的故障所引起的故障。相关故障则是由机器其他机件的故障所引起的故障。例如发动机的曲轴轴瓦的黏着是由于机油泵不供油的故障引起的，对于轴瓦来说这就属于相关故障；又如发动机配气机构的故障与变速器部件的故障无关，则属于非相关故障。

⑥按故障外部特征分为可见故障和隐蔽故障。用肉眼可以发现的故障称为可见故障，如漏油、漏水等，否则为隐蔽故障，如发动机气门断裂等。

⑦按故障程度分为完全故障和局部故障。故障程度是用该产品能否继续使用的可能性来衡量的。完全故障是产品性能超过某种确定的界限，以致完全丧失规定功能的故障。局部故障是指产品性能超过某种确定的界限，但没有完全丧失规定功能的故障。

⑧按故障原因分为设计方面、生产工艺方面和使用方面带来的故障。这些方面造成故障的原因是：设计或计算错误使产品结构不合理，计算强度或试验方法不合适等；机件的材料质量不合格，加工工艺方法不合理，加工设备精度不够，以及装配未达到技术条件要求等；使用过程中未遵守操作规程，或者未按技术要求进行维修、保养、运输和存放等。

⑨按故障后果可分为致命故障、严重故障、一般故障和轻微故障。故障后果的严重性主要是指对总成或系统或整机以及人身安全性的影响程度。致命故障是指危及设备和人身安全，引起主要部件报废，造成重大经济损失或对周围环境造成严重危害的故障；严重故障是指可能导致主要零部件严重损坏，或者影响生产安全，且不能用易损备件在较短时间内排除的故障；一般故障是指使设备性能下降，但不会导致主要部件严重损坏，并可用更换易损件在较短时间内排除的故障；轻微故障是指一般不会导致设备性能下降，不需要更换零件，能轻易排除的故障。

按故障后果还可分为功能故障和参数故障。功能故障是指使产品不能继续完成自己功能的故障，例如使减速器不能旋转和传递动力，发动机不能启动，油泵不供油等故障；参数故障是指使产品的参数或特性超出允许的极限值的故障，例如使机器加工精度破坏，机器最高速度达不到标准值等的故障。

（3）故障等级的划分

对故障进行定性或定量分析时，必须事先划分故障的等级，只有这样才能判断各机件每个失效模式对系统的影响及其后果如何。实际上，划分故障等级也就是运用故障后果对系统影响这一原则进行故障分类。通常将致命故障划分为Ⅰ级故障，将严重故障划分为Ⅱ级故障，将一般故障划分为Ⅲ级故障，将轻微故障划分为Ⅳ级故障。

划分故障等级所考虑的因素如下。

①机件产生故障后，造成工作人员或公众的伤亡情况。

②机件产生故障后，造成产品本身的损坏情况。

③机件产生故障后，造成设备不能完成其主要功能或不能执行任务的情况，即对完成规定功能影响的大小。

④机件产生故障后，恢复其功能，即排除故障采取措施的费用、劳动量及停机时间的长短，也就是维修的难易和所用维修时间的长短。

⑤机件产生故障后，造成设备失去功能而导致经济上的损失，即导致系统的损失情况。

综上所述，故障等级要综合考虑性能、费用、周期、安全性等诸方面的因素，即考虑机件故障后带来的对人身安全、任务完成、经济损失等方面的综合影响。