第2章 设备的故障诊断技术及计划维修

2.1　设备的可靠性及维修性

2.1.1　可靠性及特征量

1.可靠性

所谓可靠性，是系统、设备或零部件在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力。规定条件指设备所处的环境条件、使用条件和维护条件等，规定功能指该设备或系统不可超越此规定的功能。

一般讲，设备技术性能指标通过各种仪表检测，状态性能直观，但可靠性指标不能采用仪表直接测量，必须通过可靠性研究、试验和分析，才能作出正确估计和评定。

（1）可靠性与规定条件分不开

同样的设备在实验室、生产车间或恶劣环境中使用，可靠性不相同；即使同在生产车间使用，车间环境是否有冲击振动、电磁辐射等，可靠性也不相同。条件恶劣，可靠性下降。还要考虑设备的维护条件，维护条件好，可靠性高。设备的使用必须要符合规定条件。

（2）可靠性与规定时间有关

规定时间是根据实际工况使用的时间，设备工作时间越长，可靠性越差。设备可靠性强调了时间因素，在规定时间对设备评价，是与设备的其他技术性能指标的根本区别。

（3）可靠性与规定功能有关

规定功能即设备具备的主要性能指标。每种规格的设备规定了具体的性能指标，不能超越技术指标使用设备。规定功能是设备的预期功能。

2.可靠性的特征量

可靠性定义抽象，是一种定性概念，没有量化。能够对设备可靠性的相应能力作数量表示的量，称可靠性特征量，主要有可靠度、失效率、故障率、平均无故障时间和失效前平均时间等。

（1）可靠度与不可靠度

可靠度用R（t）表示，是时间的函数，系统设备或零件在规定条件下和规定时间t内完成规定功能的概率。与此相反，系统设备或零件在规定条件下和规定时间t内发生故障的概率是不可靠度。用F（t）表示。因此，函数R（t）与函数F（t）的和等于1。

可见可靠度的取值范围为：0≤R（t）≤1。故R（t=0）=1，R（t→∞）=0。

对设备而言，可靠度包括固有可靠度、制造可靠度、安装可靠度、使用可靠度和维修可靠度。

固有可靠度，也称设计可靠度，取决于设计方面的可靠度，通常称狭义可靠度。设备是按一定技术要求设计，达到相应功能，设计制造完成后，可靠度成为设备的固有可靠度。故障的发生表示设计本身有问题，如夹具与零件的形状不匹配、结构本身存在问题、零件选择存在问题、电器元件参数设计不符合要求、寿命短等。

制造可靠度，由零件加工和装配方面决定，如零件尺寸精度存在问题，零件形状、装配没有符合工艺要求等。

安装可靠度，取决于设备安装过程，包括安装不良造成振动，水平度不符合要求，安装过程中的管路、电器配线不规范等。

使用操作可靠度，取决于操作方面，故障发生因操作造成，如操作失误、工装模具更换调整失误、使用条件不符合要求、没有按规程操作、违章操作等。

维修可靠度，取决于设备维修质量方面，如零件更换不当、维修后精度不符合要求、电器系统维修不恰当等。

设备固有可靠度对其他可靠度均有影响，是最基本、最重要的，设计过程中应当研究“可靠性设计”，然后考虑制造、安装、使用操作、维修等整个周期的“可靠性管理”。各环节可靠度的乘积，就是设备或系统的可靠度。因此，发生故障时或在出现产品废品时，应当研究分析是何种原因，属于何种可靠度的问题。

（2）平均寿命

对可修复的系统、设备，平均无故障时间是设备的平均寿命；对不可修复系统、设备，失效前平均时间是平均寿命。

平均无故障时间，用MTBF表示，又称平均故障间隔期，指相邻两故障间正常工作的平均值。平均故障间隔期长，设备可靠性高。MTBF是直接利用时间表示可靠性的特征量，在可修复系统中被广泛作为可靠性的量化指标。

对不可修复系统、设备，可用失效前平均时间MTTF作为可靠性的量化指标。一般情况下，系统的MTTF通过试验得到。特殊情况下，如不可修复系统、设备的可靠度函数为指数分布时，系统的MTTF可用积分计算得到。

（3）失效率

失效率用λ（t）表示，是时间的函数，指工作到某时刻尚未失效的系统在该时刻以后时间内发生失效的概率。失效率描述了系统在某时刻发生失效（故障）可能性大小，是设备工程的重要指标，对可修复系统通常把失效率称为故障率。各种可靠性特征量示例见表2-1。

表2-1　各种可靠性特征量描述

（4）可靠性模型

当设备与系统由多个子零件或子系统构成时，根据零部件的连接方式，设备或系统的可靠性模型常用的有串联模型、并联模型、串并联模型和备用模型。

3.故障分布函数

设备可靠性各种特征量与该设备的故障分布有关，如已知设备的故障分布函数，可通过数学方法求出设备可靠度、故障率等，即使不知道故障分布函数，也可通过分布估算得到可靠度估计值。可靠度是设备使用到某个时间无故障的概率，可用时间t为变量的分布函数R（t）表示，即

式中，F（t）为不可靠度函数或故障分布函数；f（t）为故障密度函数；R（t）为可靠度函数。

可知，F（t）与R（t）之间的关系是对立的。F（t）、R（t）与f（t）的相互关系如图2-1所示。典型故障分布函数有指数分布、正态分布和威布尔分布等。

故障函数Z（t）就是正常运行的设备在t时间尚未发生故障，而在随后的dt时间内可能发生故障的条件概率函数。故障函数Z（t）和设备平均寿命θ服从下列公式

图2-1　F（t）、R（t）与f（t）的相互关系图

（1）指数分布

指数分布是设备可靠性中最广泛的分布，是连续分布函数，可靠度函数为

R（t）=e^-λt

式中，λ为失效率，是指数分布的分布参数。

指数分布故障分布函数F（t）、失效率函数λ（t）和平均无故障时间MTBF服从下列各公式

F（t）=λe^-λt

λ（t）=λ（常数）

注意，当故障发生遵从指数分布时，失效率λ（t）对时间是一个常数。此时的平均寿命就是其分布函数的倒数，且与平均无故障时间MTBF相等。如图2-2所示是指数函数分布图形，当时间t=平均寿命θ时，可靠度为

R（θ）=R（t）=1/e=0.368

编制预防维修计划时，可参考在可靠度下降0.368之前修理，将平均寿命定为修理周期，则大约还有63%的设备在达到修理周期之前可能发生故障。

指数函数分布中，如果设t=θ/2，则R（θ/2）=0.606，可见，将修理周期规定为θ/2，则可靠度大大提高，但因为修理周期太短，修理成本会增加，因此，必须进行可靠性费用分析而实施具体的设备维修综合评定。

（2）正态分布函数

正态分布是数理统计中的典型分布，是双参数连续分布。以下是正态分布函数表示的故障分布密度的可靠度函数。函数的曲线如图2-3所示。

图2-2　指数函数

图2-3　正态分布曲线和正态分布型可靠度函数

显然，如某批设备故障发生服从正态分布函数，当时间t=（t₁+t₂+t₃+……..t_n）/n时，相应可靠度为50%，如将此时设为设备的修理周期，大约还有50%的设备在达到修理周期之前可能发生故障。

4.设备的典型故障曲线

任何一台设备磨损失效随使用时间而变化，设备的典型故障曲线如图2-4所示，定性地表示出设备故障率与时间对应的关系。该曲线像盆浴断面轮廓线，也称为“盆浴曲线”。研究设备典型故障曲线，可将设备故障发生形态大致分为三个阶段。

图2-4　设备的典型故障曲线

（1）早期故障期

早期故障期也称跑合阶段。该阶段属试运行期或使用初期，故障较多，相当于常说的跑合阶段，通过跑合阶段运行并不断排除故障，故障率将不断下降，并趋向稳定。此阶段故障易查找，造成故障的原因是元器件未经筛选、制造工艺或包装运输损伤、误操作，设计质量有问题等。此阶段的时间长短与产品、系统的设计制造质量密切相关。

早期故障是影响设备可靠性的重要因素，使设备平均无故障时间减少，从设备使用总龄看，此阶段时间不长，但必须认真对待。对定型产品、批量产品，早期故障时间较短。对新设备，此阶段故障形态主要由初期故障率、持续时间和末期故障率决定。此阶段可靠度的分布密度函数，基本服从指数分布。

（2）偶发故障期

偶发故障期也称稳定阶段。此阶段是设备正常运行工作期，故障率较低，大致处于一个定值。此时间内，故障发生与时间无关，随机突发，如机械零件、电子电器元件的损坏等。设备故障是偶然因素造成，故障发生随机，与设计、制造质量等因素有关，但与操作、保养有更直接的关系。

此阶段即为设备的有效寿命，一般持续相当长的时间，可能占设备使用期的一半以上。如持续时间达不到要求，说明设备将不能达到预期经济效果。

对偶发故障的故障特点、类型统计分析，可基本掌握故障特点与位置。必须健全设备运行、故障动态和维修保养记录，连续运行的设备，做好交接班状态台账，精度检查记录，建立设备检查和生产日志等。此阶段故障少，但诊断困难。为提高设备运行效率，提高生产效益，应建立完善有效的设备管理制度。

（3）损耗故障期

损耗故障期也称磨损阶段。经过相当长的偶发故障期后，设备元件老化、部件磨损、结构强度疲劳等，故障率迅速上升，设备进入损耗故障期。对定期报废的设备或机构，此时故障率上升很快，设备使用率迅速下降，影响企业效益。

设备有形磨损和无形磨损是自然规律，要延长设备的寿命，阻止故障率上升，必须通过大修、改造、更换，才能降低故障率。

此阶段故障形态的主要参数为故障上升速度，属故障率上升型。实际上，设备使用周期中包含多个盆浴曲线，多个盆浴曲线就是多个大修理周期，直到设备寿命结束。

设备、系统故障率曲线的变化，像人的生命过程。历次大修理后设备的质量和可靠性，难以恢复到新设备出厂水平，主要是大修没有改变设备的原有设计结构，设备固有可靠度没有提高；大修只是将磨损精度下降的部分更新，没有将磨损零件全部更新；某些设备，使用单位大修技术远不如制造厂的水平，还可能缺少专业或专用装备，因此大修后可靠度有所下降。

2.1.2　维修性及特征量

1.维修性

所谓维修性，是在规定条件下使用的设备，在规定时间内，按规定程序和方法维修时，保持或恢复到能完成规定功能的能力。

维修性是设备设计与装配的特性。此特性使设备进行计划维修或事后维修，以最少的人力、技术、测试装置、工具、备件和材料等消耗，在最短时间内完成维修任务。因此，维修性与设计、装配密切有关，还与时间、成本、维修方式、操作技术、维修手段及环境等有关。

从维修性含义中可看出可靠性与维修性的关系，可靠性与系统的维修效果有关。从系统效能出发，可靠性与维修性结合，能保证系统的有效度，提高可靠性，直接有助于延长系统的使用时间，提高维修性，有助于减少停机时间；从经济性出发，采用有效的设计方法，保证可靠性与维修性，能减少维修费用。在规定条件下，设备的可靠性与维修性都应相当稳定。

2.维修性的特征量

（1）维修度

维修度用M（t）表示，使用的设备在规定条件、规定时间内按规定程序和方法维修时，保持和恢复到能完成规定功能状态的概率。

根据设备管理工作经验，所谓规定程序和方法包括：根据设备在单位的重要性，确定采用设备预防维修还是事后维修方式；故障检测方式及装置的选定；维修方案、标准的确定及技术资料的准备；维修零部件、工具、材料的准备；维修环境准备，包括场所、起重转运设备、维修用场所的电源、工作安全及措施等；维修操作规则的规定；维修工艺的制定；维修人员技术等级要求及配置、部门配合协调；维修资金落实与维修资金计划；外协外购件的订货与验收标准，维修结束的验收大纲。

（2）修复率

修复率用_μ（t）表示，修理时间已达到某个时刻但尚未修复设备，在该时刻后的单位时间内完成修理的概率，即发生故障后修复的概率。

（3）平均修复时间

平均修复时间（MTTR）包括故障诊断时间、修理准备时间和修理实施时间。故障诊断时间，包括故障发生的系统、部位，诊断、查找、拆卸、清洗等，确定故障发生原因所需的时间；修理准备时间，包括备件、材料准备、场所准备、工具和实验装置准备、技术资料准备，修理人员的配备、协作部门协调等需要的时间；修理实施时间，包括解体、修理、拆卸、更换零件、换油、清洗、调整、校正、验收和清理需要的时间。

实际维修中，为减少总修理时间，故障诊断时间和修理准备时间根据具体情况交叉进行。这不仅是预防维修的过程，更适合于设备发生故障后的维修。

课堂练习

（1）可靠性的概念是什么？可靠性与哪些因素有关？

（2）“盆浴曲线”能够反映设备一生的故障特点，其中三个阶段的特点是什么？在设备管理中，三个阶段应当采取哪些相应的措施？

（3）设备的维修度是什么？结合设备维修过程，规定程序和方法包括哪些内容？