一、故障的概念

故障一般是指元件、子系统、系统在规定的运行时间、条件内，达不到设计规定的功能的一种状态。系统或产品发生故障有多方面原因，以机电产品为例，从其制造、产出和发挥作用，一般都要经历规划、设计、选材、加工制造、装配、检验、包装、储存、运输、安装、调试、使用、维修等多个环节，每一个环节都有可能出现缺陷、失误、偏差与损伤，这就有可能使产品存在隐患，即处于一种可能发生故障的状态，特别是在动态负载、高速、高温、高压、低温、摩擦和辐射等苛刻条件下使用，发生故障的可能性更大。

一般机电产品、设备常见故障类型见表5.1

对产品、设备、元件的故障类型、产生原因及其影响应及时了解和掌握，才能正确地采取相应措施。若忽略了某些故障类型，这些类型故障有可能因为没有采取防止措施而发生事故。例如，美国在研制NASA卫星系统时，仅考虑了旋转天线汇流环开路故障而忽略了短路故障，结果由于天线汇流环短路故障使发射失败，造成1亿多美元的损失。掌握产品、设备、元件的故障类型需要积累大量的实际工作经验，特别是通过故障类型和影响分析来积累经验。

从安全角度来说，事故、灾害是指“故障引起的人身伤亡和物质财产的损失”。也就是说，故障是事故、灾害的原因。一个系统或产品从正常发展成事故有一个过程，即正常→异常→征兆状态→故障→事故。征兆状态是指，即使判断为异常，但还未达到故障以至事故与灾害的状态。通过观测、检测、监视这种征兆状态可收集到征兆信息，利用征兆信息，可以诊断、预测故障与事故的发展动态。讨论故障时不能离开功能、条件、时间和故障概率四个因素。

（1）功能。系统或产品发生故障，可能部分或全部丧失功能。其原因就是下级发生故障或不正常（其症状或现象称为故障模式）。上级和下级的层次概念，除考虑原对象的物理意义、空间关系外，应主要考虑功能联系及其重要性方面的问题。

故障模式若从可靠性定义来说，一般可从五个方面来考虑：运行过程中的故障、提前动作、在规定的时间不动作、在规定的时间不停止、运行能力降低与超量或受阻。

（2）条件。在研究系统或产品的故障时，首先应了解其具有的功能及内部状态如何，是否有内部缺陷和劣化的因素，是否由于环境条件或所受应力的作用正在劣化或损伤扩展。故障原因分为诱发故障的内因——内部原因、缺陷等和直接造成故障的外因——外部应力、人员差错、环境条件、使用条件变化等两种。

（3）时间。考虑到故障对功能的影响时，必然要提出系统或产品的保证期是多少？故障大概在什么时间发生？在t=0时，功能当然正常，但在某个时间以后就可能出现问题。而且，故障发生的难易程度也是随时间变化的。故障模式及影响分析不是按时间序列进行分析的，这是它的不足之处。

（4）故障概率。在故障模式及影响分析中，一般要评定相对发生频率等级。如果有过去的各种数据，在故障模式、影响及致命度分析中利用故障概率数据，可以对故障后果作出客观的评价。

三、故障模式

故障模式是从不同表现形态来描述故障的，是故障现象的一种表征。因产品的不同，故障模式也不相同，如机床、汽车、启动设备等机械产品的故障模式表现为磨损、疲劳、折断、冲击、变形、破裂等。

某些机电产品的故障模式举例如下：

（1）水泵、涡轮机、发电机的故障模式有：误启动、误停机、速度过快、反转、异常的负荷振动、发热、线圈漏电、运转部分破损等。

（2）容器的故障模式有：泄漏、不能降温、加热、断热、冷却过分等。

（3）热交换器、配管类的故障模式有：堵塞、流路过大、泄漏、变形、振动等。

（4）阀门、流量调节装置的故障模式有：不能开启或不能闭合、开关错误、泄漏、堵塞、破损等。

（5）电力设备的故障模式有：电阻变化、放电、接地不良、短路、漏电、断开等。

（6）计测装置的故障模式有：信号异常、劣化、示值不准、损坏等。

（7）支承结构的故障模式有：变形、松动、缺损、脱落等。

（8）齿轮的故障模式有：断裂、压坏、熔触、烧结、磨耗（磨损等）。

（9）滚动抽承的故障模式有：滚动体轧碎、磨损、压坏、腐蚀、烧结、裂纹、保持架损坏等。

（10）滑动轴承的故障模式有：腐蚀、变形、疲劳、磨损、胶合、破裂等。

（11）电动机的故障模式有：磨损、变形、发热、腐蚀、绝缘破坏等。

环境因素影响的故障模式见表5.2。

表5.2 环境因素影响的故障模式

四、故障原因

系统、产品的故障原因，主要来自两个方面。

（1）内在因素。从固有可靠性方面看，有以下原因：

①系统、产品的硬件设计不合理或存在潜在的缺陷，如设计水平低，未采取防震、防湿、减荷、安全装置、冗余等设计对策；

②系统、产品中零、部件有缺陷；

③制造质量低，材质选用有错或不佳等；

④运输、保管、安装不善。

根据经验数据表明，在各类机电产品故障比率中，由固有可靠性引起的约占总数的80%。

（2）外在因素。从使用可靠性方面看，引起故障的主要原因是环境条件和使用条件。系统、产品的环境条件与使用条件越苛刻，越容易发生故障。湿度和温度过高或过低、振动、噪声、冲击、灰尘、有害气体等不仅是产品可靠性的有害因素，也是对操作人员有害的因素，这些都是促发故障的原因。

根据机电产品寿命的统计表明，以室温（20～25℃）为基数，每升高10℃，使用寿命就缩短1/15～1/2。

只要存在着上述原因，就意味着系统、产品存在潜在的故障，在一定条件下，就会产生一定模式的故障。

五、故障机理

故障机理是指诱发零件、产品、系统发生故障的物理与化学过程、电学与机械学过程，也可以说是形成故障源的原因，就是要考虑某个故障模式是如何发生的，以及它发生的可能性有多大。因此，在研究故障机理时，需要考虑下面三个原因。

（1）对象——指发生故障的实体（系统或产品本身），以及其内部状态与潜在缺陷。对象的内部状态与结构，对故障的发生有抑制或促进作用。

（2）外部原因——指能引起系统或产品发生故障的外界破坏因素，如外部环境应力、时间因素、人为差错等故障诱因，即人、环境与机器（设备）的关系。

（3）结果——指在外部原因作用于对象后，对象内部状态发生变化，当此变化量超过某一阈值，便形成故障。

六、故障模式、故障机理与故障原因的关系

故障原因孕育着故障机理，而故障模式反映着故障机理的差别。但是，故障模式相同，其故障机理并不一定相同。例如，机械零件变形这一故障模式，其机理可能有冲击、温度、破坏等多种。同一故障机理，也可能出现不同的故障模式。例如，疲劳的故障机理，就可以出现表面破裂、耗损、折断等故障模式。因此，考察一个部件，故障模式就可能不止一种，如阀门故障至少有内部泄漏、外部泄漏、打不开、关不紧四种模式。

图5.1是交流接触器的故障过程示意图，从图中可以清楚地看出故障模式、故障机理与故障原因之间的关系。

图5.1 交流接触器的故障过程示意图

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