设备故障分析与管理.docx
《设备故障分析与管理.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《设备故障分析与管理.docx（56页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
设备故障分析与管理
设备故障分析与管理
在故障管理工作中，不但要对每一项具体的设备故障进行分析，查明发生的原因和机理，采取预防措施，防止故障重复出现。
同时，还必须对本系统、企业全部设备的故障基本状况、主要问题、发展趋势等有全面的了解，找出管理中的薄弱环节，并从本企业设备着眼，采取针对性措施，预防或减少故障，改善技术状态。
因此，对故障的统计分析是故障管理中必不可少的内容，是制定管理目标的主要依据。
1.故障信息数据收集与统计
（1）故障信息的主要内容
①故障对象的有关数据有系统、设备的种类、编号、生产厂家、使用经历等；
②故障识别数据有故障类型、故障现场的形态表述、故障时间等；
③故障鉴定数据有故障现象、故障原因、测试数据等；
④有关故障设备的历史资料。
（2）故障信息的来源
①故障现场调查资料；
②故障专题分析报告；
③故障修理单；
④设备使用情况报告（运行日志）；
⑤定期检查记录；
⑥状态监测和故障诊断记录；
⑦产品说明书，出厂检验、试验数据；
⑧设备安装、调试记录；
⑨修理检验记录。
（3）收集故障数据资料的注意事项
①按规定的程序和方法收集数据；
②对故障要有具体的判断标准；
③各种时间要素的定义要准确，计算各种有关费用的方法和标准要统一；
④数据必须准确、真实、可靠、完整，要对记录人员进行教育、培训，健全责任制；
⑤收集信息要及时。
（4）做好设备故障的原始记录
①跟班维修人员做好检修记录，要详细记录设备故障的全过程，如故障部位、停机时间、处理情况、产生的原因等，对一些不能立即处理的设备隐患也要详细记载；
②操作工人要做好设备点检（日常的定期预防性检查）记录，每班按点检要求对设备做逐点检查、逐项记录，对点检中发现的设备隐患，除按规定要求进行处理外，对隐患处理情况也要按要求认真填写，以上检修记录和点检记录定期汇集整理后，上交企业设备管理部门；
③填好设备故障修理单，当有关技术人员会同维修人员对设备故障进行分析处理后，要把详细情况填入故障修理单，故障修理单是故障管理中的主要信息源。
2.故障分析内容
（l）故障原因分类
开展故障原因分析时，对故障原因种类的划分应有统一的原则。
因此，首先应将本企业的故障原因种类规范化，明确每种故障所包含的内容。
划分故障原因种类时，要结合本企业拥有的设备种类和故障管理的实际需要。
其准则应是根据划分的故障原因种类，容易看出每种故障的主要原因或存在的问题。
当设备发生故障后进行鉴定时，要按同一规定确定故障的原因（种类）。
当每种故障所包含的内容已有明确规定时，便不难根据故障原因的统计资料发现本企业产生设备故障的主要原因或问题。
表1-1为某厂故障原因的分类。
表1-1 故障原因分类
序号
原因类别
包含的主要内容
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
设计问题
制造问题
安装问题
操作保养不良
超负荷，使用不合理
润滑不良
修理质量问题
自然磨损劣化
自然灾害
操作者马虎大意
操作者技术不熟练
违章操作
原因不明
原设计结构、尺寸、配合、材料选择不合理等
原制造的机加工、铸锻、热处理、装配、标准元器件等存在问题
基础、垫铁、地脚螺栓、水平度、防振等问题
不清洁，调整不当，未及时清洗换油，操作不当等
加工件超规格，加工件不符合要求，超切削规范，加工件超重，设备超
负荷等
不及时润滑，油质不合格，油量不足或超量，油的牌号种类错误。
加
油点堵塞，自动润滑系统工作不正常等
修理、调整、装配不合格，备件、配件不合格，局部改进不合理等
正常磨损，老化等
由雷击、洪水、暴雨、塌方、地震等引起的故障
由于操作者工作时精神不集中引起的故障
一般指刚开始操作一种新设备，或工人的技术等级偏低
有意不按规章操作
图1-1是某制造车间一个季度的故障原因统计分析。
通过对企业实际故障的统计分析，可以了解企业发生故障的主要原因和内容，明确故障管理工作的重点。
图1-1 故障原因分析排列图
（2）典型故障分析
在原因分类分析时，由于各种原因造成的故障后果不同，所以，通过这种分析方法来改善管理与提高经济性的效果并不明显。
典型故障分析则从故障造成的后果出发，抓住影响经济效果的主要因素进行分析，并采取针对性的措施，有重点地改进管理，以求取得较好的经济效果。
这样不断循环，效果就更显著。
影响经济性的三个主要因素是：
故障频率、故障停机时间和修理费用。
故障频率是指某一系统或单台设备在统计期内（如一年）发生故障的次数；故障停机时间是指每次故障发生后系统或单机停止生产运行的时间（如小时）。
以上两个因素都直接影响产品输出，降低经济效益。
修理费用是指修复故障的直接费用损失，包括工时费和材料费。
典型故障分析就是将一个时期内（如一年）企业（或车间）所发生的故障情况，根据上述三个因素的记录数据进行排列，提出三组最高数据，每一组的数量可以根据企业的管理力量和发生故障的实际情况来定，如定10个数，则分别将三个因素中最高的10个数据的原始凭证提取出来，根据记录的情况进一步分析和提出改进措施。
（3）MTBF分析
设备的MTBF是一项在设备投入使用后较易测定的可靠性参数，它被广泛用于评价设备使用期的可靠性。
设备的MTBF可通过MTBF分析求得，同时还可以对设备故障是怎样发生的有所了解。
MTBF分析一般按下述步骤进行。
①选择分析对象。
为了分析同一型号、规格且使用条件相似的多台设备的故障规律及MTBF,所选分析对象（设备）应具有代表性，它在使用中的各种条件，如使用环境、操作人员、加工产品、切削负荷，台时利用、维修保养等条件，都应处于设备允许范围的中间值以上。
这样，测得的数据才能代表该设备群的特性。
如果分析对象（设备）在一台以上，其MTBF可以取平均值。
各分析对象的MTBF不应相差悬殊，否则，应认真检查原始记录有无问题。
对使用条件、故障内容等作详细研究分析，确定是否是由起支配作用的故障造成。
若查不出原因，就只能将MTBF分析结果作废。
②规定观测时间。
记录下观测时间内该设备的全部故障（故障修理）。
观测时间应不短于该设备中寿命较长的磨损件的修理（更换）期，一般连续观测记录2～3年，可充分发现影响MTBF的故障（失效）。
要全部记录下观测期内发生的全部故障（无论停机时间长短），包括突发故障（事后修复）和将要发生的故障（通过预防维修排除）的有关数据资料，故障部位（内容），处理方法，发生日期，停机时间，修理的工时，修理人员数等，并保证数据的准确性。
③数据分析。
将在观测期内，设备的故障间隔期和维修停机时间按发生时间先后依次排列形成如图1-2的图形。
图1-2 观测期内设备的故障间隔期和维修停机时间分布
将各故障间隔时间t1、t2、…、tn相加，除以故障次数n即可以得MTBF。
将各次修理的停机时间t01、t02、…、t0n相加，除以修理次数n0即为平均修理时间
如果MTBF的分析目的是为了了解故障的发生规律，则应把不管什么原因造成的故障，包括非设备本身原因造成的故障，都统计在内。
如果测定MTBF的目的是求得可靠性数据，则应在故障统计中剔除那些非正常情况造成的故障，如明显的超设备性能使用、人为的破坏，自然灾害等造成的设备故障。
如果把记录故障的工作一直延续进行下去，当设备进人使用的后期（损耗故障期），将会出现故障密集观象，不但易损件，就连一些基础件也连续发生故障而形成故障流，且故障流的间隔时间也显著缩短。
通过多台相同设备的故障记录分析，就可以科学地估计该设备进入损耗故障期的时间，为合理地确定进行预防修理的时间创造条件。
[例1-1]某企业有同型号设备20台，当使用到1000h后，有15台发生故障，其故障记录如下表，如其可靠度按指数函数分布，求该型号设备的平均故障间隔期。
组别
时间区间
区间中值
发生故障设备数
1
2
3
4
5
0～200
200～400
400～600
600～800
800～1000
100
300
500
700
900
3
2
4
3
3
解 由式（1-2）得
（4）故障分析法
故障树分析（FaultTreeAnalysis，简称FTA）是一种演绎推理法，这种方法把系统可能发生的某种故障与导致故障发生的各种原因之间的逻辑关系用一种称为故障树的树形图表示，通过对故障树的定性与定量分析，找出故障发生的主要原因，为确定安全对策提供可靠依据，以达到预测与预防故障发生的目的，FTA法具有以下特点。
①故障树分析是一种图形演绎方法，是故障事件在一定条件下的逻辑推理方法。
它可以围绕某特定的故障作层层深人的分析，因而在清晰的故障树图形下，表达了系统内各事件间的内在联系，并指出单元故障与系统故障之间的逻辑关系，便于找出系统的薄弱环节。
②FTA具有很大的灵活性，故障树分析法可以分析由单一构件故障所诱发的系统故障，还可以分析两个以上构件同时发生故障时所导致的系统故障。
可以用于分析设备、系统中零部件故障的影响，也可以考虑维修、环境因素、人为操作或决策失误的影响，即不仅可反映系统内部单元与系统的故障关系，也能反映出系统外部因素所可能造成的后果。
③进行FTA的过程，是一个对系统更深入认识的过程，它要求分析人员把握系统内各要素间的内在联系，弄清各种潜在因素对故障发生影响的途径和程度，因而许多问题在分析的过程中就被发现和解决了，从而提高了系统的可靠性。
④利用故障树模型可以定量计算复杂系统发生故障的概率，为改善和评价系统安全性提供了定量依据。
故障树分析的不足之处主要是：
FTA需要花费大量的人力、物力和时间；FTA的难度较大，建树过程复杂，需要经验丰富的技术人员参加，即使这样也难免发生遗漏和错误；FTA只考虑（0,1）状态的事件，而大部分系统存在局部正常、局部故障的状态，因而建立数学模型时，会产生较大误差；FTA虽然可以考虑人的因素，但人的失误很难量化。
故障树分析是根据系统可能发生的故障或已经发生的故障所提供的信息，去寻找同故障发生有关的原因，从而采取有效的防范措施，防止故障发生。
这种分析方法一般可按下述步骤进行。
准备阶段
i．确定所要分析的系统。
在分析过程中，合理地处理好所要分析系统与外界环境及其边界条件，确定所要分析系统的范围，明确影响系统安全的主要因素。
ii．熟悉系统。
这是故障树分析的基础和依据。
对于已经确定的系统进行深入的调查研究，收集系统的有关资料与数据，包括系统的结构、性能、工艺流程、运行条件、故障类型、维修情况、环境因素等。
ii．调查系统发生的故障。
收集、调查所分析系统曾经发生过的故障和将来有可能发生的故障，同时还要收集、调查本单位与外单位、国内与国外同类系统曾发生的所有故障。
故障树的编制
i．确定故障树的顶事件。
确定顶事件是指确定所要分析的对象事件。
根据故障调查报告分析其损失大小和故障频率，选择易于发生且后果严重的故障作为故障的顶事件。
ii．调查与顶事件有关的所有原因事件。
从人、机、环境和信息等方面调查与故障树顶事件有关的所有故障原因，确定故障原因并进行影响分析。
iii．编制故障树。
把故障树顶事件与引起顶事件的原因事件，采用一些规定的符号，按照一定的逻辑关系，绘制反映因果关系的树形图。
故障树定性分析
故障树定性分析主要是按故障树结构，求取故障树的最小割集或最小径集，以及基本事件的结构重要度，根据定性分析的结果，确定预防故障的安全保障措施。
故障树定量分析
故障树定量分析主要是根据引起故障发生的各基本事件的发生概率，计算故障树顶事件发生的概率；计算各基本事件的概率重要度和关键重要度。
根据定量分析的结果以及故障发生以后可能造成的危害，对系统进行分析，以确定故障管理的重点。
故障树分析的结果总结与应用
必须及时对故障树分析的结果进行评价、总结，提出改进建议，整理、储存故障树定性和定量分析的全部资料与数据，并注重综合利用各种故障分析的资料，提出预防故障与消除故障的对策。
目前已经开发了多种功能的软件包（如美国的SETS和德国的RISA）进行FTA的定性与定量分析，有些FTA软件已经通用和商品化。
正确建造故障树是故障树分析法的关键，因为故障树的完善与否将直接影响到故障树定性分析和定量计算结果的准确性。
绘制故障树的逻辑符号如表1-2所示。
图1-3是以卧式镗床拖板夹紧机构故障为例所建故障树。
表1-2 故障树的逻辑符号
图1-3 卧式镗床拖板夹紧机构故障树
设备故障的发生发展规律
设备故障的发生发展过程都有其客观规律，研究故障规律对制定维修对策，以至建立更加科学的维修体制都是十分有利的。
设备在使用过程中，其性能或状态随着使用时间的推移而逐步下降，呈现如图1-1所示之曲线。
很多故障发生前会有一些预兆，这就是所谓潜在故障，其可识别的物理参数表明一种功能性故障即将发生，功能性故障表明设备丧失了规定的性能标准。
图1-1中“P”点表示性能已经变化，并发展到可识别潜在故障的程度：
这可能是表明金属疲劳的一个裂纹；可能是振动，说明即将会发生轴承故障；可能是一个过热点，表明炉体耐火材料的损坏；可能是一个轮胎的轮面过多的磨损等。
“F”表示潜在故障已变成功能故障，即它已质变到损坏的程度。
P-F间隔，就是从潜在故障的显露到转变为功能性故障的时间间隔，各种故障的P-F间隔差别很大，可由几秒到好几年，突发故障的P-F间隔就很短。
较长的间隔意味着有更多的时间来预防功能性故障的发生，因而要不断地花费很大的精力去寻找潜在故障的物理参数，为采取新的预防技术，避免功能性故障，争得较长的时间。
图1-1设备性能或状态变化图
设备故障率随时间推移的变化规律称为设备的典型故障率曲线，如图1-2浴盆曲线所示。
该曲线表明设备的故障率随时间的变化大致分三个阶段：
早期故障期、偶发故障期和耗损故障期。
故障的三种基本类型如图1-3所示。
（l）早期故障期
是指设备安装调试过程至移交生产试用阶段。
造成早期故障的原因主要是由设计、制造上的缺陷，包装、运输中的损伤，安装不到位、使用工人操作不习惯或尚未全部熟练掌握其性能等原因所造成的。
设备处于早期故障期，故障率开始很高，通过跑合运行和故障排除，故障率逐渐降低并趋于稳定。
此段时间的长短，随产品、系统的设计与制造质量而异。
图1-2 设备的典型故障率曲线
图1-3 故障的三种基本类型
早期故障率是影响设备可靠性的一个重要因素，会使设备的平均无故障工作时间减少。
从设备的总役龄来看，这段时间不长，但必须认真对待，否则影响新设备效能的正常发挥，对资金回收不利。
对于已定型的成批生产的设备和熟练的操作人员来说，早期故障期较短。
对新设备来说，此阶段的故障形态主要由三个参数所决定，即期初故障率，持续时间和期末故障率。
这一阶段的故障率是下降型，即随着时间的推移故障率是逐渐下降的，可靠度的分布函数大体服从超指数分布或a<1时的威布尔分布，如图1-3中I所示。
（2）偶发故障期
经过第一阶段的调试、试用后，设备的各部分机件进人正常磨损阶段，操作人员逐步掌握了设备的性能、原理和机构调整的特点。
设备进入偶发故障期。
在此期间故障率大致处于稳定状态，趋于定值。
在此期间，故障的发生是随机的。
在偶发故障期内，设备的故障率最低，而且稳定。
因而可以说，这是设备的最佳状态期或称正常工作期。
这个区段称为有效寿命。
偶发故障期的故障，一般是由于设备使用不当与维修不力，工作条件（负荷、环境等）变化，或者由于材料缺陷、控制失灵、结构不合理等设计、制造上存在的问题所致。
故通过提高设计质量、改进使用管理、加强监视诊断与维护保养等工作，可使故障率降低到最低。
对于偶发期故障，一般需要进行统计分析。
为此，必须健全设备运行、故障动态和维修保养的记录，建立设备检查与生产日志等制度，对故障进行登记与分析。
此阶段的故障形态的重要参数是故障率和持续时间，这一阶段是故障率恒定型，可靠度分布密度函数大体上服从负指数分布或a=1的威布尔分布，如图1-3中II所示。
（3）耗损故障期
由于设备随着使用时间的延长，各零部件因磨损、疲劳、老化、腐蚀逐步加剧而丧失机能，使设备故障率逐渐上升。
这说明设备的一些零部件已到了使用寿命期，应采用不同的维修方式来阻止故障率的上升，延长设备的使用寿命，如在拐点P即耗损故障期开始处进行大修，可经济而有效地降低故障率。
如果继续使用，就可能造成设备事故。
通常，根据设备的耗损故障情况和维修能力，制定一条允许故障率的界限线，以控制实际故障率不超过此范围。
此阶段的故障形态的主要参数为故障上升速度，这一阶段属于故障率上升型，如图1-3中Ⅲ所示。
这一阶段可靠度分布密度函数，大体上遵从正态分布或a＞1时的威布尔分布。
根据正态分布的特征，在某一时间上会出现极大值，故障的分散程度由方差来表示，其值愈小，故障愈集中，维修时间预测愈准确。
设备故障率曲线变化的三个阶段，真实地反映出设备从磨合、调试、正常工作到大修或报废故障率变化的规律，加强设备的日常管理与维护保养，可以延长偶发故障期。
准确地找出拐点，可避免过剩修理或修理范围扩大，以获得最佳的投资效益。
随着科学技术的不断发展，数控设备、加工中心等现代化设备不断出现，其故障规律与传统的浴盆曲线有所改变，人们开始对这些设备的故障规律进行研究。
美国民航进行了30年的研究发现，除典型的浴盆曲线外，还有五种故障率曲线，如图1-4所示。
曲线A显示了恒定的或者略增的故障率，接着就是耗损期。
曲线B显示了缓慢增长的故障率，但没有明显的耗损期。
曲线C显示了新设备从刚出厂的低故障率，急剧地增长到一个恒定的故障率。
曲线D显示了设备整个寿命周期内的一个恒定的故障率。
曲线E显示，开始有高的初期故障率，然后急剧地降低到一个恒定的或者是增长极为缓慢的故障率。
综上所述，传统的修理周期结构必须随科技的发展、不同的设备结构特点进行改革。
为此，提倡状态维修，特别是结构复杂的现代化设备，充分利用潜在故障已经发生并在其转变成为功能性故障之前的这段时间做好状态监测，针对故障前兆，实施状态维修，可使维修工作量和维修费用大幅度地降低，实现少投人多产出的理想效果。
图1-4 五种故障率曲线图
设备故障的概念及分类
1.设备故障的概念
在《设备管理维修术语》一书中，将故障定义为“设备丧失规定的功能”。
这一概念可包括如下内容。
①引起系统立即丧失其功能的破坏性故障。
②与设备性能降低有关的性能上的故障。
③即使设备当时正在生产规定的产品，而当操作者无意或蓄意使设备脱离正常的运转时。
显然，这里故障不仅仅是一个状态的问题，而且直接与我们的认识方法有关。
一个确实处于故障状态的设备，但如果它不是处于工作状态或未经检测，故障就仍然可以潜伏下来，从而，也就不可能被人们发现。
故障这一术语，在实际使用时常常与异常、事故等词语混淆。
所谓异常，意思是指设备处于不正常状态，那么，正常状态又是一种什么状态呢？
如果连判断正常的标准都没有，那么就不能给异常下定义。
对故障来说，必须明确对象设备应该保持的规定性能是什么，以及规定的性能现在达到什么程度，否则，同样不能明确故障的具体内容。
假如某对象设备的状态和所规定的性能范围不相同，则要认为该设备的异常即为故障。
反之，假如对象设备的状态，在规定性能的许可水平以内，此时，即使出现异常现象，也还不能算作是故障。
总之，设备管理人员必须把设备的正常状态、规定性能范围，明确地制订出来。
只有这样，才能明确异常和故障现象之间的相互关系，从而，明确什么是异常，什么是故障。
如果不这样做就不能免除混乱。
事故也是一种故障，是侧重安全与费用上的考虑而建立的术语，通常是指设备失去了安全的状态或设备受到非正常损坏等。
2.设备故障的分类
设备故障按技术性原因，可分为四大类：
即磨损性故障、腐蚀性故障、断裂性故障及老化性故障。
（1）磨损性故障
由于运动部件磨损，在某一时刻超过极限值所引起的故障。
所谓磨损是指机械在工作过程中，互相接触做相互运动的对偶表面，在摩擦作用下发生尺寸、形状和表面质量变化的现象。
按其形成机理又分为粘附磨损、表面疲劳磨损、腐蚀磨损、微振磨损等4种类型。
（2）腐蚀性故障
按腐蚀机理不同又可分化学腐蚀、电化学腐蚀和物理腐蚀3类。
化学腐蚀：
金属和周围介质直接发生化学反应所造成的腐蚀。
反应过程中没有电流产生。
电化学腐蚀：
金属与电介质溶液发生电化学反应所造成的腐蚀。
反应过程中有电流产生。
物理腐蚀：
金属与熔融盐、熔碱、液态金属相接触，使金属某一区域不断熔解，另一区域不断形成的物质转移现象，即物理腐蚀。
在实际生产中，常以金属腐蚀不同形式来分类。
常见的有8种腐蚀形式，即均匀腐蚀、电偶腐蚀、缝隙腐蚀、小孔腐蚀、晶间腐蚀、选择性腐蚀、磨损性腐蚀、应力腐蚀。
（3）断裂性故障
可分脆性断裂、疲劳断裂、应力腐蚀断裂、塑性断裂等。
脆性断裂：
可由于材料性质不均匀引起；或由于加工工艺处理不当所引起（如在锻、铸、焊、磨、热处理等工艺过程中处理不当，就容易产生脆性断裂）；也可由于恶劣环境所引起；如温度过低，使材料的机械性能降低，主要是指冲击韧性降低，因此低温容器（-20℃以下）必须选用冲击值大于一定值的材料。
再如放射线辐射也能引起材料脆化，从而引起脆性断裂。
疲劳断裂：
由于热疲劳（如高温疲劳等）、机械疲劳（又分为弯曲疲劳、扭转疲劳、接触疲劳、复合载荷疲劳等）以及复杂环境下的疲劳等各种综合因素共同作用所引起的断裂。
应力腐蚀断裂：
一个有热应力、焊接应力、残余应力或其他外加拉应力的设备，如果同时存在与金属材料相匹配的腐蚀介质，则将使材料产生裂纹，并以显著速度发展的一种开裂。
如不锈钢在氯化物介质中的开裂，黄铜在含氨介质中的开裂，都是应力腐蚀断裂。
又如所谓氢脆和碱脆现象造成的破坏，也是应力腐蚀断裂。
塑性断裂：
塑性断裂是由过载断裂和撞击断裂所引起。
（4）老化性故障
上述综合因素作用于设备，使其性能老化所引起的故障。
设备故障分析方法
设备故障分析方法之一：
统计分析法
通过统计某一设备或同类设备的零部件（如活塞、填料等）因某方面技术问题（如腐蚀、强度等）所发生的故障，占该设备或该类设备各种故障的百分比，然后分析设备故障发生的主要问题所在，为修理和经营决策提供依据的一种故障分析法，称为统计分析法。
以腐蚀为例，工业发达国家都很重视腐蚀故障的经济损失。
经统计每年由于腐蚀损失达国民经济总产值的5％左
升级会员 