设备工程与管理ch2设备的可靠性与维修性机自07

nullnull第二章 设备的可靠性和维修性null 强调设备的可靠性和维修性是基于现代化生产的需要，原因有二： 一是现代化设备性能高、构造复杂，确保可靠性的必要性显著增加：二是随着设备向自动化方向发展，新技术被不断地采用和推广，进行设备可靠性的研究有了可能。 设备可靠性、维修性三大影响因素： 1、固有因素 设备本身在设计、制造时已经决定了内在的、固有的可靠性和维修性null 2、人为因素 设备在使用、维修过程中，操作人员与维修人员对设备可靠性，维修性有所影响 3、环境因素 设备所处的环境条件对设备可靠性、维修性的影响。 §2.1 基本概念 一、设备可靠性 1、可靠性 设备在规定的时间内，规定的条件下，完成规定动能的性能（能力）。 规定的条件主要包括三种： 1）环境条件：温度、湿度、腐蚀性灰尘和气体、振动、冲击、地理等 2）使用条件：连续生产、间断生产和满载、轻载等 3）维护保养条件：操作者的技术熟练程度 规定的功能：明确的功能指标，明确地发生故障或不能正常工作的界限。§2.1 基本概念§2.1 基本概念 2、可靠度——表示可靠性的尺度 用来表示设备在规定的时间内，规定的条件下，毫无故障地执行其规定功能的概率。 简单说，就是研究对象在一定条件下不发生故障的概率。 可靠度一般以时间函数来表示，称为可靠度函数R(t)。Y=R(t)曲线称为可靠度曲线。 R(t)=P(T>t) 0R(t)1 T——设备的实际寿命 t——某一规定的时间（规定寿命） §2.1 基本概念null 二、设备的故障及相关概念 1、故障定义 故障：设备（系统）或零部件丧失其规定的功能的状态。 注意：设备故障状态只有在运转状态下才能显现。 异常、缺陷 异常、缺陷是尚未发生故障，但已超出了正常状态，往往不久就会发展成故障，也成为故障前状态。 §2.1 基本概念null 2、设备故障分类 1）按故障发生的速度分类 突发性故障 ——由于各种不利因素和偶然的外界影响的共同作用超出了设备所能承受的限度而突然发生的故障。 特点是无明显征兆，突然发生，依靠事前检查或监视不能预知。 渐发性故障 ——由于各种影响因素的作用使设备的初始参数逐渐劣化、衰减过程逐渐发展而引起的故障。 特点是一般有明显征兆，可早期发现。§2.1 基本概念null 2）按故障发生的后果分类 功能故障 ——设备不能继续完成自己规定功能的故障。 往往由于个别零件损坏造成。 参数故障 ——设备的工作参数不能保持在允许范围内的故障。 属渐发性的，一般不妨碍设备的运转，但影响产品的加工质量。§2.1 基本概念null 3）按故障的损伤程度分类 允许故障 ——损伤可以容忍，不会引起严重后果的故障。 不允许故障 ——由于设计时考虑不周，制造装配质量不合格，违反操作所造成的故障。 4）按故障的易见性分类 明显安全性故障 ——可能直接危及作业安全的故障。 明显使用性故障 ——对使用能力或完成作业任务有直接影响的故障。§2.1 基本概念null 明显非使用性故障 ——对使用能力或完成作业任务没有不利的直接影响的故障。 隐蔽安全性故障 ——同另一故障（明显功能故障）结合后会危及作业安全的隐蔽功能故障。 隐蔽经济性故障 ——同另一故障（明显功能故障）结合后不会产生安全性后果，但有经济性后果影响的故障。§2.1 基本概念null 3、设备故障的典型模式 1）故障模式含义 故障的主要特征即故障的表现形式。 2）常见的故障模式 异常振动、磨损、疲劳、裂纹、破裂、过度变形、腐蚀、剥离、渗漏、堵塞、松弛、熔融、蒸发、绝缘劣化、异常声响、油质劣化、材质劣化、粘合及其他。 回转机械的主要故障模式：异常振动、磨损、异常声响、裂纹、疲劳。 静止设备的主要故障模式：腐蚀、裂纹、渗漏。§2.1 基本概念null 4、故障的发生机理 形成故障源的原因； 诱发零部件、设备系统发生故障的物理、化学、电学与机械学过程； 设备的某种故障在达到表面化之前，其内部的演变过程及其因果原理。 1）设计错误 应力过高，应力集中，材料、配合、润滑方式选用不当，对使用条件、环境影响考虑不周。§2.1 基本概念null 2）原材料缺陷 材料不符合技术条件，铸锻件缺陷，热处理变形，热处理缺陷等。 3）制造缺陷 切削、压力加工和装配缺陷，热处理、焊接和电镀缺陷，混料，热应力，管理混乱等。 4）运转缺陷 过载，过热，腐蚀，润滑不良，漏电，操作失误，维护和修理不当等。§2.1 基本概念null 三、有关设备可靠性的几个函数★ 1、可靠度函数 R(t)=P(T>t) 2、累积故障密度函数F(t) 表示在一段时间内，设备发生故障的概率。 F(t)=P(Tt) 0F(t)1 与可靠度之间为互补关系，也称为不可靠度函数。 F(t)+R(t)=1 F(t)=1-R(t) §2.1 基本概念null 理解：可靠度和不可靠度的估计值 设t＝0时刻有N个完好设备（零部件）在工作，到达t时刻，有n(t)个设备（零部件）出现故障而失效，那么尚有N-n(t)个设备（零部件）在继续工作，则§2.1 基本概念null 3、故障密度函数f(t) 累积故障密度F(t)的导数 §2.1 基本概念null 4、设备的故障率（失效率、危险率、故障强度） 工作到某一时间的系统、设备、零部件等，在接着到来的单位时间内发生故障的概率。 1）平均故障率 2）瞬时故障率(t) 一批设备（或零部件），在已正常工作到t时刻的条件下，在下一段时间（t＋t）内将要发生故障的条件概率。 §2.1 基本概念null a.估计值 假定t＝0时刻，有N个完好设备（零部件）在工作，到t时刻有n(t)个设备（零部件）失效，尚有N-n(t)个设备（零部件）在继续工作，再让这些设备（零部件）工作一小段时间t，则在tt＋t时间内又有n(t)=n(t＋t)-n(t)个设备（零部件）失效，则在t的时间内，设备（零部件）失效的概率为 那么在t时刻之后，每一单位时间内所发生的失效概率即为失效率。§2.1 基本概念null b.连续值 §2.1 基本概念null 通常定义危险性 ▲如果设备的故障发生遵从指数分布，即每单位时间故障发生次数相等， (t)＝＝常数，则 §2.1 基本概念null表3-1 可靠性函数之间的关系§2.1 基本概念null 四、设备故障分布的基本类型 1、故障率减小型（DFR型） 故障率(t)随时间单调降低，也就是说，设备或零部件在开始使用时故障率高，随后逐渐降低。 故障发生的原因：设备的结构、制造工艺、装配质量和材料上的某些缺陷。§2.1 基本概念null 2、故障率恒定型（CFR型） 故障率(t)＝＝常数，可靠度函数R(t)呈简单的指数分布。 故障发生的原因：随机性，使用不当、操作上的疏忽或润滑密封、散热通风及类似维护条件不良等偶然原因。§2.1 基本概念null 3、故障率增加型（IFR型） 故障率(t)随时间的增加而升高，说明设备经过一段比较稳定的运行之后到达磨损老化阶段，若不采取维修措施，故障率随时间的延长，不断升高，最后导致全部损坏。 故障密度函数多数f(t)多半近似正态分布。§2.1 基本概念null 五、设备故障发生的规律及其描述★ 1、设备故障发生的规律 ——浴盆曲线（设备寿命特性曲线） §2.1 基本概念null 2、设备的寿命周期 1）早期故障期 ——设备安装调试过程至移交生产使用阶段（故障率趋于减少的时间） 在构成设备的众多零部件中有少数在设计和制造阶段就有缺陷的零部件，它们在开始使用后的早期内，就往往承受不了应力而发生故障。 缩短这一段时间，应在设备投入运行以前进行试车、试运转，以便及时发现，修正和排除缺陷，尽可能设法来加速失效率下降过程。§2.1 基本概念null 2）偶发故障期 ——故障率基本为一常数的延续时间 故障的发生是随机的，不可预测，对应设备的实际使用期，称正常工作期、有效寿命、使用寿命。 延长这一段时间，就是希望在容许的费用内延长使用寿命。 §2.1 基本概念null 3）耗损故障期 ——故障率上升的时间 设备中的某些零部件已经老化磨损，寿命衰竭。 推迟这一阶段的到来，应通过可靠性预测，事先估计，及时修复或更换，使趋向上升的故障率又降下来，延长设备的有效寿命。§2.1 基本概念null 3、设备故障发生的规律的描述——韦布尔分布。 韦布尔分布可以将正态分布、指数分布、超指数分布统一地加以表现，其形状参数值能够反映出各种设备在其寿命周期内的故障机理。 韦布尔分布表达式如下： §2.1 基本概念null m—形状参数，决定故障分布密度曲线的基本形状； m＝1，构成恒定型，即指数分布型 m>1，构成上升型，即正态分布型 m<1，构成下降型，即超指数分布型 —位置参数，表示故障密度加大的位置，韦布尔分布函数用作可靠度函数时，一般从开始使用就存在着故障率，所以，多数取＝0； t0—尺度参数，起缩小或放大时间标尺的作用，不影响分布的形状。 §2.1 基本概念null 讨论： 1） ＝0，双参数的韦布尔分布 2）m＝1，双参数的指数分布 3）m=1且＝0，最简单的指数分布 §2.1 基本概念null 六、设备的各项寿命及其指标★ 1、平均寿命 一批零件（设备）从它们开始使用到发生故障时的平均工作时间，是用来标志设备平均能工作多长时间的特征量。 不可修复（失效后无法修复或不修复而进行替换）的设备，平均寿命是指设备发生故障前的平均工作时间MTTF（mean time to failure）； 可修复设备，其平均寿命是指设备故障间平均工作时间MTBF（mean time between failure）。§2.1 基本概念null 1）离散情况 若设备的寿命T是一个离散型的随机变量，则常用统计方法，通过寿命试验，获得一系列寿命数据，再经过整理以求得平均寿命。 假定从一批设备（零件）中随机抽取N个进行试验，从t＝0开始，在t1，t2，t3，，tn时刻，分别有r1，r2，r3，，rn个失效，则这批设备（零件）的平均寿命为 §2.1 基本概念null 有时为了统计的方便，一般取一个时间区间进行统计 N—总的设备台数； tj—j区间的时间中间值 Nfj——在j区间发生故障的设备数 fj—相应的故障频率§2.1 基本概念null 例2-1 对一批设备（90台）进行故障统计，其具体数据如表所示，试求这批设备的平均寿命。 §2.1 基本概念null §2.1 基本概念null 2）连续情况 如果设备的寿命T是一个连续型的随机变量，则对整批设备而言，用前面的式子计算平均寿命就有一定的偏差，为了消除这种偏差，需要将式子中的频率转化为概率。 §2.1 基本概念null 若设备故障发生服从指数分布，则 讨论： 如果 ，则 §2.1 基本概念null 例2-2 某设备经过20000h的运转，发生了10次故障，若故障分布服从指数分布，求：1）该设备的平均寿命2）设备从开机到工作到5000h的可靠度。 思考题1： 某设备故障率为10－3/ h（即每运转1000h出现一次故障），求：1）当可靠度为0.9和0.368时的设备的寿命；2）设备运转50h的可靠度§2.1 基本概念null 3）故障前平均工作时间与平均故障间隔时间 故障前平均工作时间MTTF 不可修复的设备（零部件），由开始工作直到发生故障的连续的正常工作时间，也可理解为在时间从0内连续正常工作时间的数学期望。 对于指数分布而言，故障前平均工作时间§2.1 基本概念null 平均故障间隔时间MTBF 可修复的设备（零部件），前次故障和下次故障之间的时间的平均值。 对于指数分布而言，平均故障间隔时间§2.1 基本概念null 2、寿命均方差 对统计一批数量为N的设备（零部件）所求得的平均寿命，只能反映出这批设备（零部件）集中的中心位置，也就是只能说明这批设备（零部件）寿命的平均水平，而要看各观测值与此中心值的离散程度，需用寿命均方差t来衡量。 对于指数分布 §2.1 基本概念null 3、中位寿命t0 f(t)曲线所包络面积的一半，或者说是可靠度为0.5时设备的寿命。 注意：中位寿命并不等于平均寿命。 4、特征寿命tT 当设备或零部件的可靠度为e-1=0.368时的寿命。 若为指数分布，§2.1 基本概念null 5、额定寿命L10 对于各种设备及零件，通常以其10％的故障率，即可靠度R(t)=90%时的寿命作为其额定寿命。 结论：如果设备的故障分布服从指数分布，则 平均寿命=特征寿命=寿命均方差=MTTF（MTBF）。 思考题2： 若已知某设备的故障率为常数，＝0.25X10－4h－1，试求其可靠度为99％时的寿命，并求其中位寿命和特征寿命。§2.1 基本概念null 七、设备的维修性 设备的维修性是指可修复设备是否易于维修的一种性质。这包含两层意思： 1）可修性：设备发生故障后进行修理而恢复其性能的程度，以及与修理有关的技术经济可行性 2）易修性：设备发生故障后容易修复的程度和性质 §2.1 基本概念null 1、维修性 在规定条件下使用的可维修设备，在规定的时间内，按规定的程序和方法进行维修时，保持和恢复到能完成规定功能的能力。 规定的条件：即维修三要素 设备维修的难易程度； 维修人员的技术水平； 维修设施和组织管理水平。 规定的时间：一般是任意确定时间 §2.1 基本概念null 2、维修度——描述维修性的尺度 在规定的条件下使用的设备发生故障后，在规定的时间内按规定的程序和方法进行维修，保持或恢复到能完成规定功能状态的概率。 维修度也是时间的函数，记为M(t)。 可理解为当t＝0时，处于失效或完全故障状态的全部设备在t时刻有百分之多少恢复到正常功能的累积概率。 M(t)=P(t) t—规定的维修时间； —实际修复时间 §2.1 基本概念null ★维修度的估计值 M(t)=n(t)/n n(t)—t时间内设备被修复的次数； n—设备发生故障的总次数 不可维修度 G(t)=1-M(t)＝P(>t)=n-n(t)/n 显然，t=0，M(0)=0，G(0)=1； t=∞，M(∞)=1，G(∞)=0§2.1 基本概念null 3、维修密度函数m(t) 单位时间内设备被修复的概率。 §2.1 基本概念null 4、修复率（维修率）(t) 修理时间到达t时刻，尚未修复的设备在下一单位时间内完成修复的概率。 1）离散值 2）连续值 §2.1 基本概念null 维修密度函数的分布形状，可以是正态分布、对数正态分布、指数分布或韦布尔分布，但是在通常情况下，对于可能工作时间远远大于维修时间的生产设备，可以认为维修密度函数符合指数分布规律，即 §2.1 基本概念null 5、平均修复时间MTTR（Mean Time To Repair） 与平均寿命类似，设备也有平均修复时间，是指设备维修所需时间的平均值。 离散状态下， ti—第i次故障的修复时间 连续分布状态下， 对于指数分布， §2.1 基本概念null 6、中值维修时间 当维修度函数M(t)=0.5时所对应的维修时间。 7、最大维修时间Mmax 维修度函数为给定值1－时的维修时间。一般取 5％－10％。 例2-3 某厂有一批设备，在相当长的一段时间内的统计表明，维修工作时间服从指数分布，共维修了48次，花去维修时间300h。问：1）若规定每次维修时间为5h、10h，则能够修好的设备可占发生故障设备总数中的多少？2）需要规定多长的维修时间，才能使99%发生了故障的设备修好？ §2.1 基本概念null 8、可靠性与维修性的对应关系 §2.1 基本概念null 八、设备的时间 一般情况下，设备有两种状态：要么处于完好状态，想使用任何时候都可以使用；要么处于故障状态，想使用时由于某种原因不能使用。 这样就将设备的时间划分为两类时间： 1、使用时间（可工作时间） 包括待机时间、起动时间、实际工作时间 2、停歇时间（停机时间） 包括改善修理时间、维修时间和拖延时间。其中维修时间又可分为预防维修时间和事后维修时间。§2.1 基本概念null 九、设备的有效度 1、定义 可修复的系统、设备、零部件等在某特定时间内具有或者维持其规定功能的概率。用来设备在某个特定时间内可以有效工作的程度。 有效度也是时间的函数，它是可靠度和维修度的综合表征，记为A(t)。 注意：可维修设备，当发生故障时，只要能在允许的时间内修复后又能正常工作，则其有效度与单一可靠度相比，增加了正常工作的概率；不可修复设备，有效度仅决定于且等于可靠度。§2.1 基本概念null 2、两种形式 1）瞬时有效度 在某一特定瞬时，可维修设备保持正常工作使用状态和功能的概率，又称瞬时利用率，反映了t时刻设备的有效度，而与t时刻之前设备是否失效无关。§2.1 基本概念null 2）稳态有效度A（∞） MUT—设备平均能正常工作时间（使用时间平均值） MDT—设备平均不能正常工作时间（停歇时间平均值） 若故障密度与维修密度函数均为指数分布，则 §2.1 基本概念null 设备的可靠性是建立在该设备各个零部件之间的作用关系和这些零部件所具有的可靠性基础之上的。所以设备的可靠度Rs取决于两个方面： 1）设备零部件之间的结构组成形式（串联、并联和串并联） 2）设备各零部件的固有可靠度Rj §2.2 设备的可靠性分析null 一、零部件串联组合设备的可靠度 在构成设备的若干个零部件中，只要有一个零部件发生故障，整台设备就发生故障。 假设设备中各个零部件的可靠性相互独立，即其中一个零部件发生故障，不致影响其他零部件是否发生故障 该设备的可靠度为 例2-4 某设备由四个零部件串联而成，可靠度分别为0.8、0.7、0.9、0.7，求整个设备的可靠度。(0.3528)§2.2 设备的可靠性分析null 结论： 串联组合设备的可靠度总是 设备中任何一个零部件的可靠度。 为提高整台设备的可靠度，对串联组合的设备，应尽量采用数目较少的零部件构成，并尽量做到各零部件等可靠度，避免出现特别薄弱的环节。§2.2 设备的可靠性分析null 二、零部件并联组合设备的可靠度 在构成设备的若干个零部件中，只要其中还有一个在起作用，就能维持整台设备继续正常工作。 假设设备中各个零部件的可靠性相互独立，即其中一个零部件发生故障，不致影响其他零部件是否发生故障 该设备的不可靠度为 可靠度为 特例：设备由n个等可靠度的零部件并联组合而成 §2.2 设备的可靠性分析null 例2-5 某设备由四个零部件并联而成，可靠度分别为0.8、0.7、0.9、0.7，求整个设备的可靠度。(0.9982) 结论： 并联组合设备的可靠度总是 设备中任何一个零部件的可靠度。 并联的零部件越多，整台设备的可靠度就越大。§2.2 设备的可靠性分析null 三、零部件串、并联组合设备的可靠度 在设备中，构成设备的零部件既有串联组合，又有并联组合。 对于这样的设备，应该把比较复杂的串、并联系统化成等效的串联或并联系统，再进行计算。 例2-6 为提高设备可靠度，将B和C两个零件并联，再与零件A串联，若RA=0.9、RB=0.8、RC=0.8，试计算设备的可靠度。（0.864）§2.2 设备的可靠性分析null 思考题3：求图示系统的可靠度。已知R1=0.9、R2=0.8、R3=0.9、R4=0.9、R5=0.8、R6=0.9、R7=0.7。§2.2 设备的可靠性分析null 四、有储备系统的设备可靠度 为了提高设备的可靠性，保证其完成规定的功能，对于设备中的关键零部件，往往采取两种以上的组合形式，这样即使其中之一发生了故障，也有另外未发生故障的零部件来顶替，以维持设备的功能，采取这种组合形式的设备称为有储备系统的设备。 1、工作储备系统 ——将两个以上的零部件并联起来且同时工作的系统。只要不是所有的零部件都发生故障，设备就不会发生故障。§2.2 设备的可靠性分析null 最简单的结构就是采用n个等可靠度的零部件并联组合而成，若系统中一个零部件发生故障，可以通过其余并联的零部件，使系统保持正常工作，故其可靠度为 上式可以按二项式展开， 例如： n＝2，RS＝2R－R2； n＝3， RS＝3R－3R2＋R3§2.2 设备的可靠性分析null 2、表决储备系统 又称“n中取k储备系统”，就是在n个同时工作的相同的零部件组成的设备中，只要有k个以上的零部件不发生故障，设备就不会发生故障。其可靠度的计算为 特例： 1）n中取1——由n个零部件所组成的并联系统 2）n中取n——由n个零部件所组成的串联系统 3）3中取2——RS＝3R2－2R3§2.2 设备的可靠性分析null 3、非工作储备系统 当设备的一个零部件发生故障时，另一个未工作的零部件就能够接上来工作。这一转接过程可以是手动，也可以是自动。 （可靠度的计算不要求）§2.2 设备的可靠性分析null 大多数可修设备在正常使用阶段，其故障密度函数均服从指数分布。 一、串联系统 1、系统可靠度 若各零部件等可靠度，则 2、系统平均寿命 串联系统的工作寿命总是等于系统中寿命最短的一个零部件的寿命。§2.3 设备的可靠度及平均寿命的计算null 其平均寿命为 例2-7 某设备由四大部件组成，其故障的发生遵从指数分布，各部件的平均寿命分别为400、82、238、375h，问整个设备的平均寿命是多少？ §2.3 设备的可靠度及平均寿命的计算null 二、并联系统及工作储备系统 1、系统可靠度 n＝2，且1＝2＝ n＝3，且1＝2＝3 ＝ 2、系统平均寿命 并联系统的工作寿命总是等于其系统中寿命最长的一个零部件的寿命，即 §2.3 设备的可靠度及平均寿命的计算null 其平均寿命为 n＝2，且1＝2＝ n＝3，且1＝2＝3 ＝ §2.3 设备的可靠度及平均寿命的计算null 三、表决储备系统 1、系统可靠度 因为是n个相同的零部件中至少要有k个零部件保持正常工作，所以其可靠度为 三中取二 四中取二§2.3 设备的可靠度及平均寿命的计算null 2、系统平均寿命 其平均寿命为 三中取二 §2.3 设备的可靠度及平均寿命的计算null 例2-8 某厂有一套由三台空气压缩机组成“空压站”，负责供应全厂的压缩空气。在这三台空压机中至少要有两台正常工作，才能保证足够的压力和流量。假设已知这些空压机的故障率为0.0001/h，求该空压站工作到500h的可靠度及其平均寿命。 四、非工作储备系统（不要求） §2.4 设备的有效度分析（自学内容二）§2.3 设备的可靠度及平均寿命的计算