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第一章 设备管理与维修的基础知识
第一节 机械设备的老化 第二节 机械设备的故障 第三节 维修的经济技术分析

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第一节 机械设备的老化
有形老化 无形老化 综合老化

一.有形老化:设备实体发生摩擦、磨损等现象。
主要表现在: 1、零件的原始尺寸,甚至形状发生改变 2、零部件之间的公差配合性质发生变化,精度降低 3、零件破坏
零件的磨损、加工精度的降低。

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可以利用下面的经济指标估价机械设备的有形老化:
a ? R/ K
a 一设备的有形老化程度(用占其再生产价值的百分
比表达) R 一修复全部老化零件所用的修理费用; K 一在确定设备老化程度时该种设备再生产的价值。
设备有形老化程度指标不能超过 a ? 1
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二. 无形老化(经济老化)

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由于非使用和非自然力作用引起的设备的价值损失。

1、技术进步生产同种产品的效率提高,成本降低,导 致原设备的贬值

2、由于新设备的出现导致原来设备价值的相对降低。

在技术进步影响下的无形老化程度,用设备价值降低系
数来表示,即
α 1=(K0-K1)/K0=1-K1/K0 式中 α 1—— 设备无形老化程度; K0 ——设备的原始价值; K1——考虑到第I、 II种无形老化内设备的
再生价值。

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三. 综合老化

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两种老化共同造成的设备的贬值。
残余价值是指机器设备、房屋建筑物或其他有形资产等在 不能继续使用前提下,拆除变现的价值估计数额 。用K表示

设备有形老化的残余价值(用原始价值的比率表示)
为1-α p;设备无形老化的残余价值(用原始价值的比率表示) 为1-α 1 ;两种老化同时发生后的设备残余价值为(1α p)(1-α 1 )
计算设备综合老化程度的公式:
α =1-(1-α p)(1-α 1)

式中α ——设备综合老化程度(用原始价值的比率表示)

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任何时刻设备在两种老化作用下的残余价值K,可 用下式表示:
K=(1- α)K0 K= (1- α)K0=[1-1+(1-αp)(1-α1 )] K0
= (1-R/K1 )[1- (K0 – K1)/ K0 ] K0 = K1 – R

K值等于设备再生产的价值减去修理费用

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例一:某设备的原始价值K0 =30000元,当前需要修理,
其修理费用R=10000元,若该种设备再生产时价值K1= 22000元,求综合老化程度及两种老化后的残余价值。
αp=10000/22000=0.455 α1=(30000-22000)/30000=0.267 α=1-(1-αp)(1-α1 )=1-(1-0.455)(1-0.267)=0.601 K=22000-10000=12000

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1.零件寿命的不平衡性和分散性 2.机械设备寿命的地区性和递减性 3.机械设备性能和效率的递减性

对于各种机械设备的老化规律,应积极研究, 制定出老化的极限,作为维修的依据。

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四、设备老化的处理

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有形老化严重的设备在修理之前常常不能正常工作: 无形老化严重的设备却不影响它的继续使用
有形老化期与无形老化期接近:更换新设备。 有形老化期早于无形老化期:大修理或更换相似设备: 无形老化期早于有形老化期:更新或继续使用,需经 济上全面考虑
局部处理:有形老化—修理;无形老化—现代化的改装 完全处理:更换

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第二节 机械设备的故障 机K 械设备维修
一. 故障的概念及其分类
(一)故障的概念
故障:是指整机或零部件在规定的时间和使用 条件下不能完成规定的功能,或各项技术经济指标 偏离了它的正常状况,但在某种情况下尚能维持一 段时间工作,若不能得到妥善处理将导致事故。

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机械故障——结构、机器或机械零件在尺寸、形状、 材料性质方面的改变,使结构、机器或机械零件不能达到原 设计要求的功能或者改变原有的各种参数。
例如:某些零部件损坏、磨损超限、焊缝开裂、螺栓松 动,使工作能力丧失;发动机的功率降低;传动系统失去平 衡和噪声增大;工作机构的工作能力下降;燃料和润滑油的 消耗增加等,当其超出了规定的指标时,即发生了故障。
故障的广义定义:故障是不合格的状态。

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(二) 故障分类

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目的:揭示、分析故障实质,选择适当诊断手段。 1. 按故障对机械工作能力的影响分类: 完全性故障----机器丧失主要功能,工作完全中断; 局部性故障----机器丧失部分功能,工作还能继续进行。 2.按故障发生性质分类:
间断性故障----只是短期内丧失某些功能,相加修理调 试就能恢复;
永久性故障----某些零部件己损坏,需要更换或修理才 能恢复。

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3.按故障发生的快慢分类: 突发性故障----不能靠早期试验或测试来预测的
故障; 渐进性故障----能够通过早期试验或测试来预测
的故障。
4. 按故障程度分类:
破坏性故障----既是突发性又是完全性的故障; 渐衰失效性故障----既是部分性又是渐进性故障。

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5. 按故障原因分类: 磨损性故障----在设计设备时就预料到的正常磨损 所造成的故障; 错用性故障----由于使用的应力超过设计规定值所 造成的故障。 固有的薄弱性故障----使用时的应力虽未超过规定 值,但此值已不适用而导致的故障。

6. 按故障发生、发展现律分类: 随机故障----故障发生的时间是随机的; 有规则故障----故障的发生比较有规则。

可以从设备故障分布情况进行分析,寻找对策。

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第二节 机械设备的故障 机械设备维修

产品原因

运行原因 外界原因

故障原因

设计 安装 材料 工艺 制造 调试 使用 维护 异物 其它

故障率% 20.4 16.5 9.1 7.5 12.5 3.8 10.7 8.4 6.3 4.8

表 2-2 船舶柴油机动力装置及主要零件故障统计表

装置及零 件

轴承

汽缸 活塞

燃烧 室

燃油 系统

涡轮 机

齿轮

锅炉

辅助 装置

凸轮 机构

故障数目 283 206 130 66 56 41 39 28 24

百分比% 25.3 18.4 11.6 5.9 5.0 3.7 3.5 2.5 2.2

装置及零 件

热交 润滑 换器 系统

机座



压缩 机

冷却 系统

推进 器

曲轨

增压 器

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(三)故障模式

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故障模式是指设备故障的表现现象。

1. 故障表现形式:
弹性变形、塑性变形、断裂、材料变化(金相变化、化学变化、 核变化)

2.诱发故障的因素:
力----稳定力、不稳定力、周期力、随机力。 时间----很短、短、长。 温度----低温、室温、升温、稳定温度、不稳定温度、周期变化温 度、随机变化温度。 作用环境----化学环境、核变环境。

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? 由作用力或温度诱发的弹性变形

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? 屈服、韧性断裂、脆性断裂、凹痕疲劳

? 疲劳----高频、低频、热、表面、冲击、腐蚀、微动等疲 劳。

? 腐蚀----直接化学腐蚀、电化学腐蚀、裂隙腐蚀、点蚀、 晶间腐蚀、侵蚀、穴蚀、氢损伤、生物腐蚀、应力腐蚀。

? 磨损----粘着、磨料、腐蚀、表面疲劳、形变、冲击、微 动磨损等。

? 冲击----冲击断裂、变形、磨损、微动、疲劳等。

? 微动----微动疲劳、微动磨损、微动腐蚀等。

? 蠕变、热松弛、应力破坏、热冲击、咬死、剥落、放射性 破坏、翘曲、蠕变翘曲、蠕变--疲劳等。

故障 模式
%

腐蚀 变形 10.88 7.85

侵蚀 摩擦 0.26 3.01
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绝缘 击穿
7.46

裂纹 0.04

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磨损 32.3

其它 20.66

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二. 设备的可靠性

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(一)可靠性的概念
产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。 规定条件——包括工作环境温度,负载情况,维护方式等多方面的条件
(二)可靠性的度量

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可靠性指标

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? 用数学方法(概率统计)来定量评价可靠性。

? 1. 可靠度 R(t)

? 指产品在规定的条件下,在规 定时间内,无故障地完成其规

定功能的概率。

? R(t) 表示:在一批同型机器中,
工作到规定时间时,无故障的

机器数量。

t↑,R(t)↓

0≤R(t)≤1

? 例:t =1000h,R(t) =0.95

? 表示工作到1000小时,有95%

的机器不出现故障。

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? 不同产品对可靠度R(t) 的要求不同。 ? R(t) 的允许值根据故障危险程度(故障后果)来选取。

? 重要产品,在规定的时间内,不允许有故障。

? 要求: R(t) > 0.9999,即 R(t) →1,即使在最恶劣
的使用条件下,也不出现故障。

? 如果故障所造成的安全及经济损失不大,则R(t) 值允许
低些。

? 允许:0< R(t) <1,在规定的时间内,可能有或没
有故障。

? 当 R(t) →0 时,在规定的时间内,一般都有故障。
故障特点:容易排除,不会引起严重后果,经修理排

除故障后,仍能正常继续工作。

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2.不可靠度F(t)
又称故障概率 。
t↑,F(t)↑ 0≤F(t)≤1 可靠度 R(t) 与不可靠 度F(t) 互补: R(t) +F(t) =1 R(t) =1-F(t)
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例:现有10000个相同的零件,工作达200h有9500个零 件末失效;工作达500h有9000个零件未失效,求零件在 200h和500h的可靠度和失效概率。

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机K 械设备维修 零件可靠度可进行分级,并运用于不同的场合。

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? 3. 故障概率密度 f(t)

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? 指故障的分布规律,是故障概率的导数:

f ?t? ? dF?t? ? F??t?
dt

已知 f(t) 的分布规律,可
求出时间区段内的故障概率
F(t):

F?t? ?

t
?0

f

?t ?dt

故障概率 F(t) 与故障概率密度 f(t) 的关系。

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4、平均故障率 ?(x) 产品在某一段时间内单位时间发生故障的概率
?(x) ? ?n(t)
N存?t
式中: △n(t)—在△t时间内发生故障的数量
N存—在△t时间内产品的平均残存数,它 等于这段时间开始时的残存数加上结尾时 的残存数被2除。
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例:
有800个元件在400h的使用时间内有32个出故障, 求平均故障率。
N存=[800+(800-32)]/2=784
?(400) ? 32 ? 1.02?10?4 h?1
784? 400

瞬时故障率:

?(x) ? f (t)
R(t)

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5、平均故障间隔期(MTBF)和平均寿命时间(MTTF) 对不可修复产品,从开始使用到失效前的平均工作
时间,叫作平均寿命时间MTTF(Meam Time to Failure)。 对可修复产品,在相邻两次故障间的平均时间,称
为平均故障间隔期MTBF(MeanTime Between Failure)。
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(三) 故障规律
机械设备使用全过程分为: ? 磨合期(早期故障期) ? 正常使用期(随机故障期) ? 耗损期(磨耗故障期)
故 障 率 %

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磨合 期

正常使用期
浴盆曲线 液压传动

耗损 期

时间

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1.早期故障期特点:

故障率高,但随时间增长,故障率很快下降,并趋于稳 定。产生原因:由设计、制造、安装等因素造成。

2.随机故障期特点:

①故障率低而稳定,近似常数,与时间t关系不大。

②偶然因素引起故障,由于设计制造中潜在缺陷、 操作差 错、不良维护、环境等因素所致。通过调试不能消除,更换 零件不能预防。

③ 时间长,约等于机器的使用期限。

3.磨耗故障期特点:

故障率随时间增长而大大增加,是由机器本身物理、 化学等变化导致磨损、疲劳、腐蚀等故障发生。

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4. 其它故障规律特点

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故 障 浴盆曲线 率

故 障 磨合期不明显 率

故 障 耗损期不明显 率

A 时间

B 时间

C 时间

故 随机期约为常数 故





障 随 机 期 约 为 常 障 随机期约为常数



率数



D 时间

E 时间

F





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设备设计原则

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1、三化

标准化、系列化、通用化

标准化是指将产品(特别是零部件)的质量,规格,性能,结构等 方面的技术指标加以统一规定并作为标准来执行。我国的标准已经 形成一个庞大的体系,主要有国家标准,行业标准等。为了与国际接 轨,我国的某些标准正在迅速向国际标准靠拢。常见的标准代号有 GB,JB, ISO等等,他们分别代表中华人民共和国国家标准,机械工业 标准,国际标准化组织标准。

系列化是指对同一产品,在同一基本结构或基本条件下规定出若 干不同的尺寸系列。

通用化是指在不同种类的产品或不同规格的同类产品中尽量采 用同一结构和尺寸的零部件。

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2、四好 好造、好用、好卖、好修
维修性好的产品,能在最短的时间、以最低限度的资源 (人力与技术水平、备件、维修设备和工具等)和最省的费 用,经过维修使产品恢复到良好状态。可维修性既是产品可 靠 性的必要补充,又是产品维修保障决策的重要依据。维修 工作的核心是保证产品的可靠性。产品结构的简单性 、可互 换性(系列化、通用化、标准化)、安全性、识别标记(防 差错)等,对可维修性的重要设计准则,又是判断产品可维 修性好坏的重要标准。

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(四) 维修性及其度量

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1.维修性的概念
维修性是系统在规定的条件下进行维修时,在规定的时 间内完成维修的可能性,也是产品进行维修的难易程度。
维修性往往在设计制造之初就已经被赋予了,是一种 设计特性。反映维修所需:工作量大小、人员多少、费用 高低、设备仪器先进程度。

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2. 维修性与可靠性的关系

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可靠性反映:

产品是否经久耐用。

提高可靠性就是延长产品的正常工作时间。

维修性反映:

发生故障后是否容易诊断和修复。

提高维修性就是缩短停机修理(非工作)时间。

良好的维修性不仅涉及机器本身,还涉及维修条件。

不同产品对可靠性有不同的要求。

对于高可靠性产品,在规定时间t 内,R(t) >0.9999, 即R(t)→1,造价昂贵。

对一般产品,考虑经济性,允许降低可靠性,提高维
修性,R(t) <0.9。

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可靠性设计——在产品设计中,从经济观点在可靠性和 维修性之间求平衡,获得最佳可靠度。

制造费用与维修 费用之和的最小
值所对应的 R(t) 即为最佳 R(t)。
在设计中,既 考虑降低制造成 本,又考虑易于 发现故障和维修。

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3. 维修性的要求

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维修应简便、迅速、经济。 具有良好的维修可操作性 高标准化和互换化程度 具有防差错措施和识别标记 保证维修安全 贵重零件也可修复 故障容易检测、诊断 符合人机工程要求,降低维修人员的工作难度

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第三节 维修的经济技术分析

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一、设备寿命周期费用的经济性

寿命周期费用LCC(Life Cycle Cost)是设备从规划设计到报 废的整个寿命周期内所消耗费用的总和。

随着科学技术的不断发展,高精度、高效能、高自动化的设备 逐渐增多,设备的投资费用也越来越昂贵,与设备有关的费用在产 品成本中所占的比重也不断增加。

因此,加强设备管理,降低设备的寿命周期费用在提高企业经 济效益中占有十分重要的地位。传统设备管理的主要目标是保持设 备的正常生产能力,延长设备的寿命,其工作内容绝大部分是设备 的技术管理。

现代设备管理强调获得较高的综合效率和降低设备的寿命周期费

用,追求的目标是经济效益,必须把技术管理与经济管理结合起来,

获得最佳经济效益。

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设备的寿命周期费用指设 备的全过程中消耗的总费用, 由原始费和使用费组成。
原始费(设置费)是一次 支出或集中在短期内支出的 费用。自制的设备包括研究、 设计和制造费用;外购设备 包括价格、运输和安装调试 等费用。
使用费(运转维持费)是 为了保证设备正常运行而定 期支付的费用,包括能源费、 固定资产税、保险费、维修 费和操作工人工资等。
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二、设备的寿命

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指设备从投入生产开始,经过有形磨损和无形磨损,直至在 技术上或经济上不宜继续使用,需要进行更新所经历的时间。
1.物质寿命。设备以全新状态投入生产开始,经过有形磨 损,直到在技术性能上不能按原有用途继续使用为止的时间。 它与设备维修保养的状态有关,并可通过恢复性修理延长设备 的寿命。
2.技术寿命。设备以全新技术状态投入生产后,由于新技 术的出现,使原来设备丧失其使用价值所经历的时间。技术进 步越快,技术寿命也越短。
3.经济寿命。设备以全新状态投入生产开始到使年平均总 费用最低的使用年数。超过这个年限,设备在技术上虽可继续 使用,但年平均总费用上升,在经济上不宜继续使用。

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