飞机检测与维修实用手册 3(47)

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有关机械、电气机械零部件故障的机理通常归为以下六大类：
（(）蠕变或应力断裂（*）；
（+）腐蚀（,）；
（）磨损（-）；
（&）冲击断裂（.）；
（）疲劳（/）；
（)）热（0）。
上述分类方法简称 “ *,-./0”分类。
•1()•
 
二、故障过程模型
故障发生的过程，既是原子、分子的微观变化过程，又是整体的宏观变化过程。为了研究这一过程，通常抽象出一些典型故障过程模型。我们这里介绍其中几种重要模型。
（一）应力—强度模型当施加在元件、材料上的应力超过其耐受能力（即强度）时，故障便发生。这种模型称作应力—强度模型。应力—强度模型是一种材料力学模型。如果我们把“应力”理解为由环境、工作条件等退化的诱因所引起的系统内部能量积蓄，把“强度”理解为材料、元件或系统的抗故障能力，则应力—强度模型将有更广泛的含义。如果我们不注重研究故障发生的时间，只研究“应力”与耐受能力（强度）刚好相等的状态，也就是临界状态，关心的是临界状态的应力界限，这种情况下应力—强度模型就退化成临界模型。假如机件最初的应力与其耐受能力之间留有充分的安全余量，经过一定时间后，随着抗故障能力的下降，应力分布与强度分布出现了交叠，就有故障发生。这种情况可以说是耐久模型的典型例子。在应力—强度模型中，故障是因应力超过了强度界限而发生的，所以，若掌握了应力和强度的概率分布规律，则根据应力与强度分布密度曲线交叠部分面积可求出产品故障概率。利用应力—强度模型可以分析故障机理并可提出提高产品可靠性的方法。对于飞机结构而言，其载荷是多种多样的，并且具有随机性，它们服从某种统计分布。结构的几何尺寸由于制造加工中受随机因素影响，它们也是服从统计分布的。通常，材料强度、静载荷和结构几何尺寸均服从正态分布，即使某些不完全服从正态分布，做了正态分布假设也是偏于保守的。应力作为载荷和结构几何参数的函数，也可以做正态分布的假设。设 为强度分布的均值， 为标准差， （ ）为分布密度； 为应力分布均值，
""为标准差， 为分布密度。当应力与强度两者的分布没有重叠区域时，
（ ）故障不发生。当密度曲线下出现重叠部分，则表示会发生故障，且重叠部分的面积代表了发生故障的概率的大小。
引入安全余量和应力偏差度来估算产品可靠度。定义 %为安全余量， &为应力偏差度，则
(
% ’

) * )
 
•-,+•
 
" 
% &  （’ () ()）
 
令 为应力随机变量， %为强度随机变量，引入随机变量 *，即
*%—
由于假定应力与强度均服从正态分布，正态随机变量之差也必为正态分布，即 *的密度函数为
（*—*） ,
+（ *）
) ",-(（’ () (）
,
式中：*———随机变量 *的均值，*%(； , ———随机变量 *的标准差， *
& %。结构发生强度不足故障的条件是 *.。故结构发生静强度破坏的概率（即故障概率）为 /0｛*.｝ % .1 +（*）2,
,
引入新的变量 3，3（*(*）4 ,，则 3服从标准正态分布，得到
/0｛*.｝0｛*(*  (* ｝  (
%(
* *{ % &  }
 
由（’ () ()）式可知 %5 （%(）4
%& ，代人上式求得 / （ ( %5） 6 ) (/  （%5）（’ () (7）我们可以用图 ’ () ()来说明如何利用应力—强度模型分析故障机理并提出提高可靠度的方法。
图 ’ () ()（8）所示为高可靠度状态：应力和强度分布的标准差很小（密度曲线狭窄），且强度均值比应力均值高得多，安全余量 %5很大，所以可靠度只很高。现代飞机上许多部位，特别是危及安全的重要结构部位，可按这个原理设计。实际上，在使用过程中，由于结构受腐蚀环境和交变载荷作用，材料出现疲劳和腐蚀往往会使 %下降，而 %增大。如果设计、制造中严格控制材料质量和加工尺寸，使用中注意使用条件和环境影响，严格控制腐蚀，采用良好防腐蚀措施，可以适当控制强度的变化。若对应力变量也能进行良好的人工控制，使其有如图 ’ () ()（ 8）所示的密度分布特性，是能保证使用中有较高可靠度的。
图 ’ () ()（9）所示为强度分布的标准差较大，应力分布标准差较小的情况。虽然两者均值与图 ’ () ()（ 8）是相同的，但因强度分布密度曲线扁平，使得应力分布密度与强度分布密度曲线出现了较大的重叠部分，而使可靠度降低。对于这种情况，我们可在生产中采用质量控制方法，降低强度分布的标准差。若此种办法仍不能明
•;):•
 

图  " "应力、强度分布对可靠性的影响
显降低 %，则可采用高应力筛选法，有意在产品装机前的试验中，适当加大应力，让质量差的产品出现故障，以使母体强度分布截去低强度范围的一段，使强度与应力密度曲线下重叠区域大大减小，余下的装机件可靠度提高。
 " "（&）所示为强度分布标准差较小，但应力分布标准差较大的情况。从产品使用可靠性的观点来看，这是一种极不利的情况。因为这种情况，产品质量控制是较好的，采用高应力筛选法或提高平均强度的方法可能费用昂贵而收效又不大。解决的办法最好是减小应力分布的标准差，限制使用条件和环境影响。
（二）反应论模型产品的故障或性能退化，从微观上看起源于原子、分子的变化。支配故障过程的是氧化、析出、电解、扩散、蒸发、磨损和疲劳等故障机理。氧化、腐蚀使金属生锈的过程中，氧原子、金属离子或电子的扩散支配着锈蚀的速度，影响着金属的寿命。如果产品的故障是由于产品内部某种物理、化学反应的持续进行，直到它的某些参数变化超过了一定的临界值，产品丧失规定功能或性能，这种故障就可以用反应论模型（或称反应速度论模型）来描述。反应论模型的特点是能够估计参与反应的应力对反应的影响程度，而应力—强度模型中没有触及到强度怎样降低的理论。 •’’•
　
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