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故障是機(jī)械可靠性與維修研究的前提條件。在機(jī)械的設(shè)計與使用中，如何有效地預(yù)防、控制和排除各種故障，發(fā)揮機(jī)械的最大功效一直是人們研究的重要課題。本文根據(jù)機(jī)械系統(tǒng)的使用與維修特點，闡述了機(jī)械技術(shù)狀態(tài)的變化及其故障形成的一般過程，分析了機(jī)械故障的基本特性，指出了機(jī)械故障研究中應(yīng)考慮的問題，對開展機(jī)械故障與可靠性的研究具有一定的指導(dǎo)意義。

　　1、機(jī)械使用與技術(shù)狀態(tài)的變化

　　機(jī)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(zhì)能量的作用，包括執(zhí)行任務(wù)的操作人員、修理人員和環(huán)境條件的作用；（2）與機(jī)械運轉(zhuǎn)以及各機(jī)構(gòu)工作有關(guān)的內(nèi)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(jī)械材料和零部件內(nèi)的潛伏能量（鑄件的內(nèi)應(yīng)力和裝配內(nèi)應(yīng)力）。這些能量主要以機(jī)械能、熱能、化學(xué)能的形式存在，當(dāng)能量達(dá)到一定數(shù)值時，將導(dǎo)致有害過程的出現(xiàn)，引起機(jī)械零部件初始性能和狀態(tài)的變化，如當(dāng)配合副以一定的動力和速度運動時，相互將產(chǎn)生有害的摩擦過程，摩擦的結(jié)果將導(dǎo)致配合副出現(xiàn)磨損，使配合副的運動等發(fā)生變化。可見隨著有害過程的發(fā)展，首先將使零部件出現(xiàn)損傷，具體表現(xiàn)為磨損、變形、裂紋、疲勞、腐蝕等，損傷的出現(xiàn)使機(jī)械零部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)發(fā)生變化，如尺寸公差、形位公差、配合間隙等的改變。結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化又導(dǎo)致了機(jī)械功能輸出參數(shù)發(fā)生變化，如機(jī)械的輸出功率、速度等的改變。隨著損傷程度的進(jìn)一步擴(kuò)大，機(jī)械零部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)逐漸超出允許值。若機(jī)械零部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)超出允許值，而功能輸出參數(shù)并未超出允許極限范圍，則認(rèn)為機(jī)械出現(xiàn)了潛在故障，對應(yīng)狀態(tài)為失常狀態(tài)，此時應(yīng)通過維護(hù)進(jìn)行消除；若結(jié)構(gòu)參數(shù)超限后，功能輸出參數(shù)也超出允許值，則認(rèn)為機(jī)械發(fā)生了功能故障，對應(yīng)狀態(tài)為故障狀態(tài)，此時應(yīng)通過修理排除相應(yīng)的故障。若機(jī)械經(jīng)過長時間使用后，其主要零部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)都達(dá)到極限值，且系統(tǒng)功能輸出參數(shù)嚴(yán)重超限，使用的經(jīng)濟(jì)性明顯下降，此時機(jī)械處于極限技術(shù)狀態(tài)，需要進(jìn)行大修或更新。機(jī)械技術(shù)狀態(tài)的特征如表1所示，技術(shù)狀態(tài)的變化過程如圖1所示。

表1  技術(shù)狀態(tài)特征

　　2、機(jī)械故障形成的一般過程

　　如上所述，機(jī)械在使用中受到各種有害作用后，將首先導(dǎo)致零部件出現(xiàn)損傷，損傷又影響機(jī)械的輸出參數(shù)，使其發(fā)生變化。若機(jī)械輸出參數(shù)隨時間變化的規(guī)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(qū)別。因為其間存在著反映機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、用途和作用原理的X＝f（U（t))的過渡關(guān)系。此外，損傷同產(chǎn)品材料中發(fā)生的物理現(xiàn)象有關(guān)，而輸出參數(shù)變化僅僅反映了產(chǎn)品自身的宏觀變化過程。

　　機(jī)械經(jīng)過一個隨機(jī)的工作時間間隔后，其參數(shù)達(dá)到極限允許值 X_max，發(fā)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(shù)f（a）相對其數(shù)學(xué)期望值a₀有一離散程度，該離散程度與機(jī)械初始指標(biāo)的離散度以及使用條件的變化程度有關(guān)。然后，在使用過程中，隨著使用時間的增長，機(jī)械輸出參數(shù)的劣化就表現(xiàn)為緩慢進(jìn)行的過程，例如磨損等，這正是零件磨損導(dǎo)致機(jī)械性能改變的典型過程。在一般情況下，可能經(jīng)過某段時間T_間隔后，參數(shù)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(guān)的隨機(jī)量，它也具有一定的離散性。

　　參數(shù)X的變化過程同樣也是隨機(jī)的，它與機(jī)械各個零部件的損傷變化有關(guān)，機(jī)械輸出參數(shù)的劣化速度Vx為各零部件磨損速度 V₁， V₂，……， V_k的函數(shù)，即

　　3、機(jī)械故障的特性分析

　　機(jī)械故障是與磨損、腐蝕、疲勞、老化等機(jī)理分不開的，根據(jù)機(jī)械故障形成的一般過程，機(jī)械故障主要有以下一些特性：

　　（l）潛在性。機(jī)械在使用中會出現(xiàn)各種損傷，損傷引起零部件結(jié)構(gòu)參數(shù)發(fā)生變化，當(dāng)損傷發(fā)展到使零部件結(jié)構(gòu)參數(shù)超出允許值時，機(jī)械即出現(xiàn)潛在故障。由于機(jī)械設(shè)計存在一定的裕度（安全系數(shù)），因此即使某些零部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)超出允許值后，機(jī)械的功能輸出參數(shù)仍在允許的范圍內(nèi)，也即機(jī)械并未發(fā)生功能故障。從潛在故障發(fā)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(diào)整等手段，可以消除或減緩損傷的發(fā)展，使?jié)撛诠收系玫揭欢ǔ潭鹊目刂粕踔料C(jī)械故障的潛在性可通過維護(hù)保養(yǎng)來減少功能故障的發(fā)生，從而大大延長了機(jī)械的使用壽命。

　　（2）漸發(fā)性。由于磨損、腐蝕、疲勞、老化等過程的發(fā)生與時間關(guān)系密切，因此機(jī)械故障的發(fā)生多半與時間有關(guān)。在使用中，機(jī)械的損傷是逐步產(chǎn)生的，零部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)也是緩慢變化的，機(jī)械的性gg＃數(shù)也是逐漸惡化的。絕大多數(shù)故障可能事先通過儀器進(jìn)行測試和監(jiān)控，故障發(fā)生的概率與機(jī)械運轉(zhuǎn)的時間有關(guān)，機(jī)械使用時間越長，發(fā)生故障的概率就越大。故障的漸發(fā)性使機(jī)械的多數(shù)故障可以預(yù)防，故障診斷、視情維修就是建立在這一基礎(chǔ)上的。

　　（3）耗損性。機(jī)械磨損、腐蝕、疲勞、老化等過程伴隨著能量與質(zhì)量的變化，其過程是不可逆轉(zhuǎn)的。表現(xiàn)為機(jī)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(fù)機(jī)械的性能，但機(jī)械的故障率仍不斷上升，新的故障將不斷出現(xiàn)。同時損傷的消除也是不完全性的，維修不可能使機(jī)械的性能恢復(fù)到使用前的狀態(tài)。機(jī)械故障的耗損性決定了機(jī)械維修級別與深度的差異，同時機(jī)械故障分布模型也不能簡單用指數(shù)分布來描述。

　　(4）模糊性。機(jī)械使用中，由于受到各種使用及環(huán)境條件的影響，其損傷與輸出參數(shù)的變化都具有一定的隨機(jī)性與分散性，同時，由于材料與制造等因素的影響，機(jī)械的各種極限值、初始值也具有不同的分布，同一機(jī)械，在不同的使用環(huán)境下，輸出參數(shù)隨時間也具有不同的分布，從而導(dǎo)致參數(shù)變化及故障判別標(biāo)準(zhǔn)都具有一定的分散性，使機(jī)械故障的發(fā)生與判別標(biāo)準(zhǔn)都具有一定的模糊性。機(jī)械故障的模糊性給機(jī)械故障的診斷與判別增加了一定的難度，也要求機(jī)械故障的研究必須宏觀與微觀相結(jié)合。

　　（5）多樣性。機(jī)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(jī)理，產(chǎn)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(jī)理與表現(xiàn)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(xiàn)出多樣性。機(jī)械故障的多樣性要求對故障按不同機(jī)理與模式單獨進(jìn)行研究。