故障规律分析：探秘设备故障背后的规律性

(1）故障特征量

1)故障概率

机电设备故障的发生有两个显著特点:一是发生故障的可能性随设备使用年限的增加而增大;二是故障的发生具有随机性。 无论哪一种故障都很难预料发生的确切时间,因而在设备使用寿命内,发生故障的可能性可用概率表示。

由概率理论可知,故障概率的分布是其密度函数f(t)的积累函数,它可用公式表示为

式中　F(t)——故障概率;

f(t)——故障概率分布密度函数;

t——时间,h。

当t=∞时,即

机电设备在规定的条件下和规定的时间内不发生故障的概率称为无故障概率,用R(t)表示。 显然,故障概率与无故障概率构成一个完整事件组,即

F(t) ﹢R(t) = 1

2)故障率

故障率是指在时间t 之前尚未发生故障,而在随后的dt 时间内可能发生故障的条件概率,用λ(t)表示,其数学关系式为

通过式(4.3)可以看出,故障率为某一瞬时可能发生的故障相对于该瞬时无故障概率之比。

3)瞬时故障率

产品在某一瞬时t 的单位时间内发生故障的概率,称为瞬时故障率(简称“故障率”),用λ(t)表示。

设有N 个产品从t=0 时开始工作,到t 时刻的故障数为n(t)、残存数为N存=N ﹣n(t),若在t 到t ﹢Δt 区间内有Δn(t)个产品发生故障,当Δt 趋于零时,瞬时故障率为

4)平均故障率

产品在某一段时间内单位时间发生故障的概率,称为平均故障率,以表示,即

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式中　Δn(t)——在Δt 这段时间内发生故障的次数;

N存——在Δt 这段时间内产品的平均残存数,它等于这段时间开始时的残存数加上结尾时的残存数被2 整除。

例如,有800 个元件在400 h 的使用时间内有32 个出故障,则

美国每年因磨损失效造成的损失高达1 000 亿美元,直接材料损失达200 亿美元。 磨损不仅会影响机电设备的效率、降低工作可靠性,而且还可能会导致机电设备的提前报废。 因此,开展对机电设备磨损机理的研究,可以掌握各种零部件的磨损特点,为制订合理的维修策略和计划提供依据,为提高设备使用寿命服务。

(2）零件磨损的一般规律

磨损是一种微观和动态的过程,零件磨损时会出现各种物理、化学和机械现象,其外在的表现形态是表层材料的磨耗,磨耗程度的大小通常用磨损量度量。 故障率的常用单位是10 ﹣4h ﹣1,10 ﹣5h ﹣1。 故障率越低,可靠性越高。 故障率是单位时间内故障数与残存数的比值,故障密度是单位时间内故障数与总数的比值,λ(t)比f(t)反映故障情况更灵敏。

平均故障间隔期(MTBF)是可修复设备在相邻两次故障间隔内正常工作时间,称为MTBF(Mean Time Between Failure)。 例如:某设备自投入运行开始工作1 000 h 后发生了故障,修复后工作了2 000 h 又发生了故障,再次修复后又工作了2 400 h 后发生故障,则该设备的平均故障间隔时间为

(1 000 ﹢2 000 ﹢2 400)/3 h = 1 800 h

平均故障间隔时间可用公式表示为

式中　Δti——第i 次故障前的无故障工作时间或两次大修间的正常工作时间,h;

n——发生故障的总次数。

(3）故障率曲线

如前所述,大多数故障出现的时间和频率与机电设备的使用时间有密切联系。 工程实践经验和实验表明,机电设备的故障率变化分为早期故障期、随机故障期和耗损故障期三个阶段,如图4.1 所示。

1)早期故障期

早期故障期的特点是故障率较高,但故障随设备工作时间的增加而迅速下降。 早期故障一般是由于设计、制造上的缺陷等原因引起的,因此,设备进行大修理或改造后,早期故障期会再次出现。

图4.1　故障率浴盆曲线

2)随机故障期

随机故障期内故障率低而稳定,近似为常数。随机故障是由于偶然因素引起的,它不可预测,也不能通过延长磨合期来消除设计上的缺陷和零部件缺陷。 维护不良以及操作不当等都会造成随机故障。

3)耗损故障期

耗损故障期的特点是故障率随运转时间的增加而增高。 耗损故障是由于设备零部件的磨耗、疲劳、老化、腐蚀等造成的,这类故障是设备接近大修期或寿命末期的征兆。