故障是機械可靠性與維修研究的前提條件。在機械的設計與使用中，如何有效地預防、控制和排除各種故障，發揮機械的最大功效一直是人們研究的重要課題。本文根據機械系統的使用與維修特點，闡述了機械技術狀態的變化及其故障形成的一般過程，分析了機械故障的基本特性，指出了機械故障研究中應考慮的問題，對開展機械故障與可靠性的研究具有一定的指導意義。
1、機械使用與技術狀態的變化
機械在使用中受到各種能量的作用，這些能量的作用主要包括：（1）周圍介質能量的作用，包括執行任務的操作人員、修理人員和環境條件的作用；（2）與機械運轉以及各機構工作有關的內部能源，如各種載荷、振動、溫度等；（3）在制造和裝配中集聚在機械材料和零部件內的潛伏能量（鑄件的內應力和裝配內應力）。這些能量主要以機械能、熱能、化學能的形式存在，當能量達到一定數值時，將導致有害過程的出現，引起機械零部件初始性能和狀態的變化，如當配合副以一定的動力和速度運動時，相互將產生有害的摩擦過程，摩擦的結果將導致配合副出現磨損，使配合副的運動等發生變化。可見隨著有害過程的發展，首先將使零部件出現損傷，具體表現為磨損、變形、裂紋、疲勞、腐蝕等，損傷的出現使機械零部件的結構參數發生變化，如尺寸公差、形位公差、配合間隙等的改變。結構參數的變化又導致了機械功能輸出參數發生變化，如機械的輸出功率、速度等的改變。隨著損傷程度的進一步擴大，機械零部件的結構參數逐漸超出允許值。若機械零部件的結構參數超出允許值，而功能輸出參數并未超出允許極限范圍，則認為機械出現了潛在故障，對應狀態為失常狀態，此時應通過維護進行消除；若結構參數超限后，功能輸出參數也超出允許值，則認為機械發生了功能故障，對應狀態為故障狀態，此時應通過修理排除相應的故障。若機械經過長時間使用后，其主要零部件的結構參數都達到極限值，且系統功能輸出參數嚴重超限，使用的經濟性明顯下降，此時機械處于極限技術狀態，需要進行大修或更新。機械技術狀態的特征如表1所示，技術狀態的變化過程如圖1所示。
表1 技術狀態特征
| 機械技術狀態 |
結構參數 |
功能參數 |
技術措施 |
備注 |
| 完好狀態 |
正常范圍 |
正常范圍 |
正常運行 |
|
| 失常狀態 |
超出允許值 |
正常范圍 |
維護保養 |
潛在故障 |
| 故障狀態 |
超出允許值 |
超出允許值 |
修理 |
功能故障 |
| 極限狀態 |
超出極限值 |
超出允許值 |
大修或更新 |
經濟性變差 |
2、機械故障形成的一般過程
如上所述，機械在使用中受到各種有害作用后，將首先導致零部件出現損傷，損傷又影響機械的輸出參數，使其發生變化。若機械輸出參數隨時間變化的規律用X（t）表示，損傷程度隨時間的變化用U(t）表示，則X（t）與U（t）之間的變化既可能是一致的，也可能有很大區別。因為其間存在著反映機械產品結構、用途和作用原理的X＝f（U（t))的過渡關系。此外，損傷同產品材料中發生的物理現象有關，而輸出參數變化僅僅反映了產品自身的宏觀變化過程。
機械經過一個隨機的工作時間間隔后，其參數達到極限允許值 Xmax，發生了故障，圖 2表示了分布律f（t）形成的主要過程。
開始時，輸出參數f（a）相對其數學期望值a0有一離散程度，該離散程度與機械初始指標的離散度以及使用條件的變化程度有關。然后，在使用過程中，隨著使用時間的增長，機械輸出參數的劣化就表現為緩慢進行的過程，例如磨損等，這正是零件磨損導致機械性能改變的典型過程。在一般情況下，可能經過某段時間T間隔后，參數的變化就開始了，時間 T間隔是一個與損傷的積累（如疲勞）或外因作用有關的隨機量，它也具有一定的離散性。
參數X的變化過程同樣也是隨機的，它與機械各個零部件的損傷變化有關，機械輸出參數的劣化速度Vx為各零部件磨損速度 V1， V2，……， Vk的函數，即
Vx＝ dx/dt＝ f（V1， V2，……， Vk）
3、機械故障的特性分析
機械故障是與磨損、腐蝕、疲勞、老化等機理分不開的，根據機械故障形成的一般過程，機械故障主要有以下一些特性：
（l）潛在性。機械在使用中會出現各種損傷，損傷引起零部件結構參數發生變化，當損傷發展到使零部件結構參數超出允許值時，機械即出現潛在故障。由于機械設計存在一定的裕度（安全系數），因此即使某些零部件的結構參數超出允許值后，機械的功能輸出參數仍在允許的范圍內，也即機械并未發生功能故障。從潛在故障發展到功能故障一般具有較長的一段時間，因為通過潤滑、清潔、緊固、調整等手段，可以消除或減緩損傷的發展，使潛在故障得到一定程度的控制甚至消除。機械故障的潛在性可通過維護保養來減少功能故障的發生，從而大大延長了機械的使用壽命。
（2）漸發性。由于磨損、腐蝕、疲勞、老化等過程的發生與時間關系密切，因此機械故障的發生多半與時間有關。在使用中，機械的損傷是逐步產生的，零部件的結構參數也是緩慢變化的，機械的性gg＃數也是逐漸惡化的。絕大多數故障可能事先通過儀器進行測試和監控，故障發生的概率與機械運轉的時間有關，機械使用時間越長，發生故障的概率就越大。故障的漸發性使機械的多數故障可以預防，故障診斷、視情維修就是建立在這一基礎上的。
（3）耗損性。機械磨損、腐蝕、疲勞、老化等過程伴隨著能量與質量的變化，其過程是不可逆轉的。表現為機械老化程度逐步加劇，故障越來越多。隨著使用時間的增加，局部故障的排除雖然能恢復機械的性能，但機械的故障率仍不斷上升，新的故障將不斷出現。同時損傷的消除也是不完全性的，維修不可能使機械的性能恢復到使用前的狀態。機械故障的耗損性決定了機械維修級別與深度的差異，同時機械故障分布模型也不能簡單用指數分布來描述。
(4）模糊性。機械使用中，由于受到各種使用及環境條件的影響，其損傷與輸出參數的變化都具有一定的隨機性與分散性，同時，由于材料與制造等因素的影響，機械的各種極限值、初始值也具有不同的分布，同一機械，在不同的使用環境下，輸出參數隨時間也具有不同的分布，從而導致參數變化及故障判別標準都具有一定的分散性，使機械故障的發生與判別標準都具有一定的模糊性。機械故障的模糊性給機械故障的診斷與判別增加了一定的難度，也要求機械故障的研究必須宏觀與微觀相結合。
（5）多樣性。機械使用中，由于磨損、腐蝕、疲勞、老化過程的同時作用，同一零部件往往存在多種故障機理，產生多種故障模式，如軸的彎曲變形、磨損、疲勞斷裂等。這些故障不僅故障機理與表現形式不同，而且分布模型及在各級的影響程度也不同，使故障呈現出多樣性。機械故障的多樣性要求對故障按不同機理與模式單獨進行研究。
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