设备维护和修理的理论与技术

出处：按学科分类—工业技术 企业管理出版社《工程师手册》第559页（6654字）

1．设备磨损理论

(1)设备磨损的概念

设备的磨损一般分为两类：有形磨损(物理磨损)与无形磨损(精神磨损)。

①有形磨损(物理磨损)

设备投入生产中使用后，在使用过程中即使能做到合理使用，但由于磨擦、应力和化学反应等的作用，设备的部件或零件总会逐渐磨损和磨蚀，甚至断裂。我们一般把这种主要是由于在设备使用过程中机械磨损所致的磨损称为设备的有形磨损(物理磨损)。

设备的有形磨损又分为两种：

a．运行中的设备在力的作用下，零部件发生磨损、振动和疲劳等现象，致使机器的实体产生磨损，这种磨损称为第Ⅰ种有形磨损；

b．设备在闲置过程中，由于自然力的作用而锈蚀，或由于管理不善和缺乏必要的维护而自然丧失精度和工作能力，也都会使设备遭受有形磨损，这种有形磨损称为第Ⅱ种有形磨损。

第Ⅰ种有形磨损与使用时间和使用强度有关；而第Ⅱ种有形磨损在一定程度上与闲置时间和保管条件等有关。

设备的有形磨损有一部分是通过修理可以消除的，属于能消除性的有形磨损；另一部分是不能能过修理消除的，属于不能消除性的有形磨损。

本节所讨论的设备磨损理论主要是关于设备的有形磨损的理论。

②无形磨损(精神磨损)

由于经济或科学技术的原因而使原有设备贬值所致的磨损称为设备的无形磨损(精神磨损)。设备的无形磨损也可分为以下两种形式：

a．由于相同结构设备重置价值的降低而带来的原有设备价值的降低，叫做第Ⅰ种无形磨损，也称经济性无形磨损。

b．由于不断出现性能更完善、效率更高的设备而使原有设备在技术上显得陈旧和落后，因而产生的无形磨损叫做第Ⅱ种无形磨损，也称技术性无形磨损。

(2)设备磨损的机理

设备的物理磨损主要决定于在受力情况下相对运动表面所产生的磨擦，这种磨擦不仅与受力的大小有关，而且同表面工作状态(如润滑的作用)和相对运动的速度有关，有时，还会受某些化学作用所引起的腐蚀的影响。按照金属材料学的理论，钢材经淬火回火后，最表层是氧化脱碳层，厚度一般小于1mm，质地疏松，附着力很差。一般新设备刚使用时，都要空转一段时间，就是为了磨去材料的氧化脱碳层。这段磨损时间很短而磨损量却很大。磨去氧化脱碳层后即是材料的硬化层，由马氏体、半马氏体组成，厚度0．5至3mm，硬度很高(HRC60左右)。在使用润滑剂或冷水的条件下，硬化层是很难磨去的，而且常常通过零件表面的重新淬火获得新的硬化层。硬化层下那是材料的基体，由珠光体加铁素体或渗碳体组成，硬度很低(HRC小于20)。零件磨损达到基体，便是急剧磨损，它常常导致零件工作性能的迅速劣化或零件几何形状的迅速破坏。

(3)设备磨损的规律

从上述金属材料学的理论及实际测定经验中，我们很容易发现设备的物理磨损有它自己的规律性。一般说来，正常情况下设备零件的物理磨损可分为三个阶段。

第Ⅰ阶段称为初期磨损阶段，主要是由于相对运动的零件表面的微观几何形状(如粗糙不平度)在受力情况下的迅速磨损而发生的，也可能由于零件接触表面的形状不同，机器运转后产生的跑合作用而发生的。这一阶段磨损的速度很快，但时间较短。第Ⅱ阶段称为正常磨损阶段。在这一阶段，零件的磨损趋于缓慢，延续时间很长，这就是零件的真正使用寿命，第Ⅲ阶段称为剧烈磨损阶段。也就是当零件磨损到一定程度时，正常磨损关系被破坏，接触情况恶化，磨损速度加快，设备的精度和工作性能快速降低，如果不停止使用进行修理，则设备很快被破坏。

(3)若干启示

从对设备磨损规律的分析，我们可以得到一些有益的启示：

①如果设备使用合理，同时加强维护，进行正确的润滑就可以延长设备的正常使用阶段(第Ⅱ阶段)的期限，从而减少设备的故障，有利于保证加工质量和提高生产效率。

②应加强设备的日常检查和定期检查，掌握设备的磨损状态，在进入剧烈磨损阶段前就进行修理，防止过度磨损而造成的破坏。

③设备在正常磨损阶段的磨损是与时间或加工零件的数量成正比的，因此设备的磨损零件可以通过试验或统计分析方法，计算出在正常条件下的磨损率和使用期限，便于有计划地进行更换修理。

2．设备的故障及其发生规律

(1)故障及劣化

①故障

所谓设备的故障是指设备或其零件在运行过程中发生的丧失其规定功能的不正常现象。由于种种原因，设备在使用过程中均会发生这样或那样的故障，从而影响生产的顺利进行。因此，如何正确分析和掌握设备故障发生的规律，从而减少故障的发生，就成了设备管理中的一个重要问题。

一般而言，按故障发生的速度可把故障分为两类：突发故障和渐发故障。突发故障也称损坏故障，一般是由偶然性、意外性的原因(如设备事故)造成的。这种故障一旦发生，对设备所造成的损坏一般很大，可能使设备完全丧失其功能，必须停机修理，甚至报废处理。渐发性故障也称劣化故障，它是由于设备性能逐渐劣化，机能慢慢降低而引起的故障。设备的性能劣化是造成渐发性故障的主要原因。设备无论是处于运转或闲置状态均会出现性能劣化。

②劣化

所谓设备的劣化是指磨损和腐蚀造成的耗损、冲击和疲劳等造成的损坏和变形、原材料的附着和尘埃等造成的污染，从而使设备的精度、效率和功能下降的现象。

设备劣化按其产生的原因一般可分为三类：

a．使用劣化。设备在使用过程中，由于温度、压力、相对运动等造成的磨损、疲劳、变形以及由原材料造成的腐蚀、磨损，从而使设备性能下降；

b．自然劣化。无论设备使用与否，随着时间的推移，其受到大气或其它自然因素的影响亦会使材料老化、变形；

c．灾害性劣化。由于意外灾害(如水火灾、雷击、爆炸等)造成的设备损伤，从而导致性能下降。

此外，也有人认为，由于社会劳动生产率的提高和技术的进步，从而使原有设备相对落后而造成的产量或质量下降、价值降低的现象亦应视为设备的劣化。

无论如何，设备的劣化是造成设备故障的一个重要原因。在设备管理中，应针对不同形式的劣化分析原因，采取不同的技术对策。

(2)故障发生的规律

一台设备，从生产到大修或报废，其故障的发生是有一定的统计规律的。根据试验研究得知，设备的故障率在整个设备使用期间是按一条所谓的“浴盆曲线”分布的，如图4．7．3－1所示。

图4．7．3－1 浴盆曲线

所谓故障率是指工作到某一时间的设备，在接着到来的单位时间内发生故障的比率。从浴盆曲线可以看出，设备故障率的变化显现三个不同的阶段：

①初期故障期

在这一阶段，设备刚投入使用，由于设计、制造中的缺陷或操作上的不熟悉，往往会出现较多的故障，但这样的故障随着使用的继续而逐渐减少，因此，故障率也就随着时间的增加而减少，经过一段时间之后，故障率就变化不大了。

②偶发故障期

在这一阶段，故障较少，所出现的故障主要是由于维护不好和操作失误等偶然性因素引起的，发生故障的时间不能预测，并且是随机性的，所以称为偶发故障期。这一阶段故障率稳定、时间较长，是设备的正常运转阶段。

③磨损故障期

这一阶段可与设备物理磨损的相应阶段相对应，主要是由于设备某些零部件的磨损已达到了剧烈磨损阶段，从而使设备老化。在这一阶段，设备的故障率急剧上升。

(3)若干启示

从设备故障发生的规律，我们可以得到一些有益的启示，从而针对设备不同故障期的特点，在设备管理中采取不同的对策。

①在初期故障期，主要是由设计、制造中的缺陷所引起的故障。减少故障的主要对策是严格认真做好设备的前期管理，在设备出厂前应进行严格试验运转，按规定调试验收，对有些产品要有严格的筛选检查；

②在偶发故障期，故障主要是运转操作中的不当所致，因此主要对策是执行正确的操作，进行预防维护，提高操作工人与维修工人的技术水平；

③在磨损故障期，由于设备的某些零部件已达到使用寿命，因此主要对策除实行设备预防维修外，还应在适当时期进行设备的技术改造。

3．设备状态监测与诊断技术

为了掌握设备的劣化、故障状态及造成劣化的原因，过去常常是采用停机解体检查的方法，或者用感官诊断办法。停机解体不仅增加了停机的生产损失，而且设备的多次解体也必然造成设备的过度维修和精度下降，从而影响生产和产品的质量。而且，由于现代的设备日益向大型化、高速化、连续化和精密化发展，这种停机解体检查和感官诊断的方法也造成财力、人力和时间上的巨大浪费，以及诊断结果的不准确，因而影响设备的维护和修理工作。于是，人们进行了探索，把人类医学的原理引入了设备管理之中，把研究故障机理的故障物理学同现代信号处理技术结合起来，创造了设备状态监测和故障诊断技术。

(1)设备状态监测与诊断技术的基本概念

所谓的设备状态监测，是指用人工或专用的仪器工具，按照规定的监测点进行间断或连结的监测，掌握设备异常的征兆和劣化程度。所谓的设备诊断技术，是指在设备运行中或基本不拆卸的情况下，根据设备的运行技术状态，判断故障的部位和原因，并预测设备今后的技术状态变化。设备技术状态是指：①设备的强度和性能等；②设备所受的应力；③设备的故障和劣化。

设备状态监测和诊断技术是两项既有区别又密切联系的设备管理技术。设备状态监测和诊断技术是实施状态维修、预知维修的重要基础。可以这么认为，设备状态监测是状态维修的初级阶段，而设备诊断技术是状态监测后的识别和判断阶段。

设备状态监测的对象一般以重点设备为主。目前，设备状态监测方法主要有两种：

①由维修人员凭感官和普通量仪，对设备的技术状态进行检查、判断，这是目前在机械设备监测中最普遍采用的一种简易监测方法。

②利用各种监测仪器，对整体设备或其关键部位进行定期、间断或连续监测，以获得技术状态的图象、参数等确切信息，这是一种能精确测定劣化和故障信息的方法。

状态监测技术不同于一般的测试技术，其运用是有条件的。比如对于突发性故障使用状态监测技术就没有意义，而且从经济上看，当采用系统监测时，由于要使用监测仪器，需要增加费用，所以只有当状态监测所需费用低于故障维修的总费用或者安全因素应予以特别考虑时，采用状态监测才有必要。一般说来，在确定采用状态监测技术时，以下几种设备是应予以优先考虑的：①价值昂贵的高、精、大及稀有设备；②发生故障对整个生产影响大的设备，如自动线、生产线上的关键设备；③必须确保安全性能的设备；④故障停机修理费用及停机损失大的设备。

设备诊断技术一般包括两部分：一是对设备的技术状态简便而迅速地作出概括评价，主要由现场作业人员实施的简易诊断技术；二是当简易诊断难以作出正确判断时由专门人员实施的精密诊断技术，它是对经过简易诊断判定为异常的设备作进一步的详细诊断，以确定应采取的措施。它不仅需要简单的测定和分析，还需运用一系列复杂的定量检测和分析技术。如果打个比喻，简易诊断相当于护士对人体进行的健康检查，而精密诊断则相当于专门医生对病人的诊断。

(2)设备状态监测与诊断技术的应用

设备状态监测及诊断技术于60年代首先在航空、航天和核能工业领域开始发展，由于其实现了设备的不解体诊断，节省了维修的人力和物力，有显着的技术经济效益，所以，一出现就显示了巨大的生命力，使设备维修方式发生了根本变革，产生了预知维修的新概念。从此，世界各工业国家都投入了大量的人力、物力和财力进行开发研究。到70年代，设备诊断技术逐步引进到了一般的工业部门。目前，以美国、日本、德国等国家在研究和应用方面水平较高，普及程度也较广。

经过多年不懈的努力，目前已有许多设备监测与诊断的方法和手段投入了实际应用，取得了很好的效果。比如振动监测、声响监测、温度监测、腐蚀监测、泄漏检测、裂纹探测、无损探伤、厚度测量、抽样分析、应力应变分析、声辐射技术等等。由于这些方法都涉及到一门或多门专业知识，本书就不作专门介绍了。

我国目前在设备状态监测和诊断技术的研究和应用推广方面也取得了很大进步，许多企业都建立了自己的设备状态监测和诊断的技术队伍，并把它们与设备的维护和修理有机结合起来，创造了许多富有特色的设备状态监测和诊断的方法与手段，取得了很大的直接和间接经济效益。但也应该客观地看到，我们在设备状态监测和诊断技术的研究与应用方面和先进国家相比仍有差距。国务院在《全民所有制工业交通企业设备管理条例》中指出：“企业应当积极采用先进的设备管理方法和维修技术，采用以设备状态监测为基础的设备维修方法，不断提高设备管理和维修技术现代化水平。”可以预见，随着改革开放的进一步深化，我国的设备状态监测和诊断技术的开发、研究和应用必将得到进一步的发展，从而为实现设备的综合管理打下良好的基础。