1.4 机械设备的极限技术状态
1.4.1 确定机械设备极限技术状态的原则
机械设备的极限技术状态，一般指设备的使用极限状态。当设备到达极限技术状态时，应停止使用，进行修理。正确地确定设备的极限技术状态，对于修理是非常重要的。极限技术状态定得合适，不但使设备的潜在能力得到充分发挥，而且使修理的经济性也得到保证。
不同的设备有不同的功能，使用条件千差万别，极限技术状态的标准也会不同。对于同种设备，总成或整机的极限技术状态和配合副的也不同。根据不同的对象，判别其是否进入极限技术状态，主要应按照设备能不能继续工作的技术原则，应不应继续工作的运行安全原则，宜不宜继续工作的经济原则。根据这些原则，已提出了多种方法来判断设备极限技术状态到来的时刻，其中常用的有以下三种。
（1）以设备无故障工作的概率为标志判别其极限技术状态
无故障工作概率的允许值能充分表示故障及其后果的全部特点。
由于机械设备的种类繁多，用途各异，对可靠性的要求各不相同。如对飞机的可靠性要求较高，对一般民用设备要求则较低。因此，无故障工作概率降低到什么数值，表明已进入极限技术状态是不一样的。根据现在的技术水平和要求，认为汽车无故障工作概率下降到0.5时，即达至极限技术状态，相应的运行里程为汽车进入极限技术状态的运行里程。
也可根据设备的瞬时故障率曲线，找出故障率超过正常故障率并开始明显增加的时刻。此时，可以作为制定设备极限技术状态的依据。
（2）用技术经济分析的方法确定设备的极限技术状态
评定设备的极限技术状态，经济指标很重要。人们总是希望设备在使用过程中能以最少的消耗，获取尽可能大的效益。
例如，在汽车运输业常采用技术完好系数，结合工作日盈利和停运修理日的亏损来判别汽车的极限技术状态。
另一种方法是根据使用过程中，以购买设备与保持其正常工作状况的单位费用之和最小为准则。购买设备的单位费用为购买设备的价格除以设备的工作时间，随设备使用时间的增加逐渐下降。使用和修理的单位费用则随运行时间的增加而上升，其最小值对应的工作时间即是设备到达极限技术状态的时间。
（3）以设备的主要质量指标劣化的程度来判别其极限技术状态
任何设备都有一定的输出参数。输出参数指标是根据设备的用途和对设备提出的不同要求而制定的。这些输出参数确定了设备的状态。
输出参数可以是工作精度、运动参数、动力参数和经济指标。例如发动机的主要输出参数是功率和耗油率；工艺设备主要输出参数为产品的质量和生产率。设备使用过程中输出参数的变化是设备自身宏观变化的过程，是其零件损伤的结果。现代设备极限技术状态一般用设备输出参数极限标准或其主要零件、配合副的损伤程度指标来决定。输出参数较易检测，技术文件中又常规定输出参数的极限值，因此用输出参数极限技术值判断设备的极限技术状态是经常采用的。
输出参数随时间变化一般有三种类型。其一是设备在开始工作的一段时期，输出参数变化较小，设备工作正常，但到某一临界值时，输出参数突然变化，设备丧失工作能力，在生产中贮液或贮气罐由于腐蚀失去密封或泄漏、配合副因磨损而卡死、零件出现裂纹而脆断等都是典型的例子，这种情况，一般用限制零件腐蚀、磨损、裂纹等损伤的程度来决定设备的极限技术状态。其二是输出参数随时间变化为非线性的，随着工作时间的延长，有一个激增区，例如由于磨损使配合副的间隙逐渐增大，当达到一定值时，动载荷、振动、温度急剧增加，此时动载荷值、振动幅值、温度等输出参数值为极限值，相应的配合间隙为极限间隙。其三是输出参数与时间的关系为线性，输出参数的极限值一般由设备的功用、使用要求来决定。
机床的输出参数之一是机床精度。当机床精度指标下降到一定值时，生产的产品就会不合格，经过调整仍不能恢复精度时，机床即进入极限技术状态。一些工厂常把机床精度劣化的程度作为确定其极限技术状态的依据，判断是否要停机修理。
能力指数Cp是衡量设备综合精度主要指标之一，它反映了设备适应技术要求的程度。当Cp＜1时，说明设备的技术状态不好，进行检查、调整后若能力指数仍小于1，则应安排修理。
应当指出，由于设备工作过程中性能恶化过程等的复杂性，实际中常会出现无根据地制定极限技术条件或者遗漏某些应该制定的极限技术条件，这就要求人们对其应不断认真研究、修改和补充。
1.4.2 动力装置极限技术状态的判别
动力装置的技术状况和工作能力主要取决于零件及配合关系。零件失效、配合关系被破坏，动力装置自然不能正常工作。如前所述，机械零件的主要失效形式是磨损、腐蚀、断裂和变形。长期使用证明，配合副的自然磨损是动力装置技术状况恶化的主要原因。
由于各个零件功能、工作条件以及材质不一，使用过程中磨损速度也不同，磨损以后对输出参数和工作能力的影响程度各异。究竟哪些配合副的失效决定了动力装置的极限技术状况？实践表明，它既不是各个配合副技术状况的平均，也不是由使用期限最长或最短的零件或配合副来确定，而是取决于对装置性能影响最大且修理更换比较困难的配合副的工作能力，例如发动机气缸活塞组和曲轴轴承组的技术状况就决定了发动机的极限技术状态。
诚然，动力装置的任何一个配合副或子系统进入极限技术状态或发生故障都会影响动力装置的正常工作，甚至使其失去工作能力，但不一定使其进入极限技术状态。例如汽油发动机的分电器触点烧损，柴油发动机的喷油泵和喷油器达到极限技术状态、配气机构调整不当、气门密封不良等都会使发动机难以正常工作，丧失工作能力，但经过相应的修理、更换和调整后，发动机很快就可恢复工作能力。因此，这类零件、总成的极限技术状态不能代表整台发动机的极限技术状态，尽管它们在发动机运行中起着重要作用。
动力装置的输出参数很多，这些参数的变化可以说都与磨损有关，但都难以用此来判断动力装置是否进入极限技术状态。实践证明，润滑油中含铁量、机油消耗量、主油道压力的变化最能反映配合副的磨损情况，因此常用它们的变化来判别动力装置的极限技术状态。
1.4.3 零件和配合副磨损极限的确定原则
（1）确定零件和配合副磨损极限应考虑的因素
机器的磨损是使其逐渐走向极限技术状态的主要原因之一。在修理机器时，总要遇到这样的问题，已经磨损的零件是继续使用，还是更换？这就涉及磨损极限值和磨损允许值的确定。
对于修理来说。确定磨损极限值是很重要的。若不知道零件或配合副的磨损极限值，盲目地进行修理和更换，会引起停机时间加长和修理费用增加，有时甚至造成严重的后果。磨损极限值定得过小，零件的潜在能力不能充分发挥；定得太大时，在修理间隔期内，事故性修理将会增加。
一般来说，零件和配合副磨损极限值的确定应当从设备的极限技术状态总原则出发，考虑以下几个因素：机械设备的合理使用程度；继续使用的危险性；对周围环境的有害影响；修复的工作量。
（2）确定零件和配合副磨损极限应遵循的原则
概括起来，确定零件或配合副磨损极限值应遵循以下四项原则。图1-5所示为确定磨损极限值的几个实例。
图1-5 确定磨损极限值的实例
①磨损极限值由机构动作的可靠条件决定。以图1-5（a）所示的凸轮机构为例，当导向杆与套筒配合处磨损量U1、U2磨损不均匀性达到一定值时，将引起导向杆歪斜，使压力角和支反力增加，从而使导向杆卡住而停止动作，因此导向杆动作的可靠性成为确定其配合间隙极限值的依据。
②使机构的输出参数出现急剧增长的磨损临界值。输出参数的急剧增加破坏了机构的正常工作，如图1-5（b）所示的齿轮齿条机构，齿轮和齿条的齿面磨损后使啮合间隙变大，齿条运动方向每改变一次，就产生一次冲击，并且磨损量增加到某临界值时，这种冲击急剧上升，显然此时的动负荷剧增区就决定了齿轮齿条副的磨损极限值。
③引起输出参数超出允许范围的磨损量。随着磨损的积累，输出参数并未出现剧增区，但超过了规定的数值，如图1-5（c）所示的柴油发动机高压油泵柱塞副，当套筒和柱塞配合处磨损时，使燃油的泄漏量增大，燃油的泄漏对供油过程有很大影响，它使燃油喷入汽缸的持续时间缩短，使发动机性能变坏，因此燃油的泄漏量是决定磨损极限值的标准。
④根据对其他机构或配合副工作能力的影响程度作为磨损极限值的标准。例如发动机活塞上的第一道活塞环都是表面镀铬处理，工作中镀铬层磨去后，该环与环槽、缸筒的配合间隙并未进入丧失工作能力的极限值，但若继续使用，不仅该环迅速磨损，与其配合的汽缸磨损速度也增大，所以在确定环与环槽配合间隙的极限值时，不是从充分利用环的工作能力出发，而是考虑它对汽缸磨损的影响，按此规定的极限值是经济极限值。所以当某配合副的磨损可能引起主要配合副性能恶化时，前一配合副的磨损极限值应当从保证后一配合副的正常工作和寿命来规定。
总之，每台机器都有许多配合副，由于它们的工作条件、材料和表面处理等不同，磨损速度也不同，极限磨损到来的时刻也有先有后，重要的是应找出那些易损件和最先进入极限磨损的配合副。
在同一配合副中，两个零件的磨损速度一般是不相同的，不应将配合副的磨损极限值平均分配给两个零件，作为它们的磨损极限值，也就是说虽然配合副的间隙已到极限值，但不等于相配合的两个零件都到了磨损极限值。
对主要的、贵重的配合副，磨损极限值的确定多从充分发挥其工作能力出发；而对次要的、便宜的配合副，则主要考虑经济因素以及对其他配合副工作能力的影响。有些配合副对设备的安全工作影响很大，如制动机构、起重机钢丝绳等，则应从安全生产的要求来决定磨损极限值。
1.4.4 机械设备极限技术状态的确定方法
在确定极限技术状态时，首先应明确研究的对象。对象可以是设备系统、机器、总成，也可以是配合副、零件。对象的复杂程度不同，研究的方法、测量的指标参数也不同。其次还应拟定判别极限技术状态的原则和标准，它直接影响收集资料的内容和试验的安排。
由上述可知，机器的极限技术状态与零件的损伤过程和特性以及机器、总成或配合副输出参数的变化特性有关，因此要研究这两类特性。零件的损伤形式很多，如磨损、腐蚀、变形、疲劳等。应特别注意观察和监测影响机器、总成、配合副、零件工作能力的主要损伤形式以及损伤的程度（如变形量、磨损量、麻点和凹坑的深度、尺寸等），在研究输出参数时，则把机器、配合副主要输出参数的劣化程度以及与此有直接关系的原因放在重要地位。
时间是重要因素，其含义要明确，区分是实际工作时间，还是包括运输、储存等时间。一般时间主要指机器的运行时间。
在通常情况下，确定机器、总成、配合副或零件的极限技术状态的方法有四种：总结经验、统计分析法，生产试验法，实验室研究法和计算法。
（1）总结经验、统计分析法
对机器在使用、修理过程中所获得的信息加以汇集和正确处理，可得到关于机器的典型故障、故障率及其随时间变化的规律、零部件的使用期限、维修工作的内容、维修劳动量和维修费用等。从中找出零件损坏规律、机器技术状态变化规律和机器、零件的使用期限。
应用这种方法，多以机器的工作日记、故障报告、维修记录以及对现场有关人员的调查访问为基础。在工作中，合适的表格、真实的填写以及正确的数据处理是至关重要的。有些国家已制定了这方面的标准，如机器使用记录本标准、信息收集和计算程序标准、信息的统计处理方法标准等。
总结经验、统计分析法的数据大都来自实际使用着的机器，它反映了机器的真实信息。但由于各台机器工作条件不同，使用、维修水平各异，同批生产的机器所得数据可能有很大差异，只有通过认真调查研究，掌握丰富的资料，正确地处理，才能得出可靠的、合乎实际的结论。
（2）生产试验法
生产试验法又称现场试验法。它是在属于同一总体中随机抽取一定数量的试验样机，在正常使用条件或给定使用条件下试验。试验之前，应根据目的要求，编制试验计划方案，并确定试验内容、测试方法、处理分析手段和评价标准，以及试验实施中的组织和管理方法。
为了达到试验目的，重要的是要掌握评价机器技术状态的方法和手段，以便确定机器距离极限状态的程度，查明机器、总成工作能力下降的原因，确认故障发生的部位和形式等。过去常常采用定期拆卸、观察和测量实际的机器损伤来获取上述信息，近些年来由于机器的检测诊断和仪表的发展，已有可能不拆卸或少拆卸，即可决定机器的技术状态。
这种方法属于研究性的，所获得的结果比较可靠。其缺点是试验时间长、费用高，需要相应的检测诊断设备。
（3）实验室研究法
实验室研究法是在实验室条件下，研究整台机器、总成、配合副的极限技术状态。有时还要对材料性能，如磨损性能、腐蚀性能等进行试验，因为有时它们是评定机器极限技术状态的基础。
一般来说，在实验室试验时，试验条件和试验规范应尽可能和使用条件相同，但由于现代机器零部件的寿命比较长，从节约试验费和时间的角度出发，缩短试验时间是非常重要的，因此出现了加速试验。加速试验通常采用以下办法。
①试验规范的强化 试验时，采用比使用中还要高的载荷、速度、温度或其他工作规范，激化损坏过程，加速极限状态的到来。
②劣化环境因素 尽量创造最恶劣的使用条件来考验机器、部件和零件的工作能力。如拖拉机发动机试验时在润滑油或空气中加入磨料，以加快磨料磨损的进程。
值得注意的是任何加速试验方法都应保持故障物理本质与正常使用条件下相同，破坏的种类和特征不变，同时明确加速试验时间与正常使用条件下的关系。
实验室研究法的主要优点是：可以把影响机器技术状态的许多因素分离开来单独研究，并便于观察、测量技术状态变化的过程和查明各因素影响的程度；能够模拟损坏条件并可以反复进行试验条件一定的试验；可以缩短试验周期，节省人力和物质消耗；能够使用较精密的测量仪器，因而测量精度较高。
实验室研究时的条件毕竟与实际使用中的条件不同，因此试验结果的正确性还应经过生产实际验证。
（4）计算法
计算法是用数学模型来描述机器极限技术状态与各因素的关系，并通过数学运算，预测机器的状态。一台现代化的机器，实际上是由具有不同故障模式的、千百个零件构成的集合体，因而建立机器极限技术状态的计算公式比较困难和复杂，而组成机器的基本单元零件和配合副比较简单，其工作能力损耗过程的数学关系式容易得出，特别是有关学科如可靠性、摩擦学、断裂力学、疲劳理论的发展和电子计算机的应用，有关机械零件强度、润滑、疲劳等的计算技术不断完善，给配合副和零件的极限技术状态的计算创造了条件。
例如在动压润滑条件下工作的径向滑动轴承失去工作能力的判断标准主要是液体润滑条件的破坏，则可通过计算获得使承压油膜难于形成或破裂的条件；对于零件的断裂破坏，则可根据断裂力学理论，估计零件上裂纹的扩展速度，并判断裂纹处于允许使用的期限，预测零件的寿命。
上述几种方法，各有优缺点和局限性。应根据实际情况，相互配合、取长补短。现在我国确定机械设备、配合副极限技术状态的方法多以参考相似设备的有关数值或进行生产试验和统计分析使用数据来确定。