第十一章機(jī)器設(shè)備壽命估算

1、第十一章第十一章 機(jī)器設(shè)備壽命估算機(jī)器設(shè)備壽命估算 第一節(jié) 概述 機(jī)器設(shè)備的壽命是指設(shè)備從開始使用到被淘汰的整個(gè)時(shí)間 過程。導(dǎo)致設(shè)備淘汰的原因，可能是由于自然磨損使得設(shè)備 不能正常工作，或技術(shù)進(jìn)步使得設(shè)備功能落后，或經(jīng)濟(jì)上不 合算等。因此，設(shè)備的壽命可分為自然壽命、技術(shù)壽命和經(jīng) 濟(jì)壽命。 一、自然壽命一、自然壽命 自然壽命也稱物理壽命，是指設(shè)備在規(guī)定的使用條件下， 從投入使用到因物質(zhì)損耗而報(bào)廢所經(jīng)歷的時(shí)間。自然壽命受 自然磨損（物質(zhì)磨損）的影響。引起設(shè)備物質(zhì)磨損的原因很 多，如摩擦損耗、疲勞損耗、腐蝕、蠕變、沖擊、溫度、日 照、霉變等。簡單的機(jī)器可能只受一種形式的損耗，其自然 壽命一般根據(jù)所受

2、損耗的形式來計(jì)算。如以摩擦損耗為主的 機(jī)器，自然壽命是根據(jù)其磨損壽命來確定；受疲勞載荷作用 的機(jī)器設(shè)備，自然壽命是根據(jù)疲勞壽命來確定。復(fù)雜的機(jī)器 往往同時(shí)承受多種損耗。 第十一章第十一章 機(jī)器設(shè)備壽命估算機(jī)器設(shè)備壽命估算 對設(shè)備的正確使用、維護(hù)和修理可以延長自然壽命。反之， 不正確的使用、不良的維護(hù)和修理會(huì)縮短設(shè)備的自然壽命。 二、技術(shù)壽命二、技術(shù)壽命 技術(shù)壽命是設(shè)備從投入使用到因技術(shù)落后而被淘汰所經(jīng)歷 的時(shí)間。對設(shè)備進(jìn)行技術(shù)改造可延長其技術(shù)壽命。 三、經(jīng)濟(jì)壽命三、經(jīng)濟(jì)壽命 經(jīng)濟(jì)壽命是指設(shè)備從投入使用到因繼續(xù)使用不經(jīng)濟(jì)而推出 使用所經(jīng)歷的時(shí)間。 設(shè)備到了自然壽命的后期，由于設(shè)備的不斷老化，必須

3、支 出的維修費(fèi)用和能源消耗費(fèi)用也越來越高。依據(jù)設(shè)備的維持 費(fèi)用來決定設(shè)備的更新周期即為設(shè)備的經(jīng)濟(jì)壽命。 本章僅介紹自然壽命的幾種估算方法。 第十一章第十一章 機(jī)器設(shè)備壽命估算機(jī)器設(shè)備壽命估算 第二節(jié) 磨損壽命 磨損主要發(fā)生在具有相對運(yùn)動(dòng)的零部件上，如軸承、齒輪、 機(jī)床軌道等，其后果是破壞零部件的配合尺寸和強(qiáng)度，當(dāng)磨 損量超過允許極限時(shí)，將導(dǎo)致設(shè)備的失效。它是機(jī)器設(shè)備實(shí) 體性損耗的主要形式之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界上1/3以上的能源消 耗在各種摩擦損耗上，80%的機(jī)器零部件是由于磨損而報(bào)廢 的。 一、磨損的基本概念一、磨損的基本概念 磨損是指固體相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，在摩擦的作用下，摩擦面上的 物質(zhì)不斷耗損的現(xiàn)象

4、。它是諸多因素相互影響的復(fù)雜過程， 是伴隨摩擦而產(chǎn)生的必然結(jié)果。其主要表現(xiàn)形式為物體尺寸 或幾何形狀的改變、表面質(zhì)量的變化。它使機(jī)器零件喪失精 度，并影響其使用壽命和可靠度。 第十一章第十一章 機(jī)器設(shè)備壽命估算機(jī)器設(shè)備壽命估算 二、典型的磨損過程二、典型的磨損過程 1. 典型的磨損過程 正常的磨損過程分為三個(gè)階段，如圖11-1所示，即為初期 磨損階段（第階段）、正常磨損階段（第階段）和急劇 磨損階段（第階段）。 圖11-1 典型磨損曲線 第十一章第十一章 機(jī)器設(shè)備壽命估算機(jī)器設(shè)備壽命估算 在初期磨損階段，設(shè)備各零部件表面的宏觀幾何形狀和微 觀幾何形狀都發(fā)生了明顯變化。原因是零件在加工制造過程

5、中，其表面不可避免地具有一定的粗糙度。用放大鏡觀察可 發(fā)現(xiàn)在表面上有許多“凸峰”，當(dāng)相互配合作相互運(yùn)動(dòng)時(shí)， 表面上的凸峰由于摩擦很快被磨平，因而此階段磨損速度很 快，一般發(fā)生在設(shè)備調(diào)試和初期使用階段。 處于正常磨損階段的零部件表面上的高低不平及不耐磨的 表層組織已被磨去，故磨損速度較以前緩慢，磨損情況較穩(wěn) 定，磨損量基本隨著時(shí)間的推移均勻增加。 急劇磨損階段的出現(xiàn)往往是由于零部件已經(jīng)達(dá)到它的使用 壽命（自然壽命）而仍繼續(xù)使用，破壞了正常磨損關(guān)系，使 磨損加劇，磨損量急劇上升，造成機(jī)器設(shè)備的精度、技術(shù)性 能和生產(chǎn)效率明顯下降。 分析設(shè)備磨損規(guī)律可知： 第十一章第十一章 機(jī)器設(shè)備壽命估算機(jī)器設(shè)備壽

6、命估算 （1）如果設(shè)備使用合理，同時(shí)加強(qiáng)維護(hù)可以延長設(shè)備正常 使用階段的期限，從而可保證加工質(zhì)量和提高經(jīng)濟(jì)效益。 （2）對設(shè)備要定期檢查。在進(jìn)入急劇磨損階段之前就進(jìn)行 修理，以免使用設(shè)備遭受破壞。 （3）機(jī)器設(shè)備在正常磨損階段的磨損與時(shí)間或加工數(shù)量成 正比，因此設(shè)備的磨損可通過試驗(yàn)或統(tǒng)計(jì)分析方法計(jì)算出正 常條件下的磨損率和使用期限。 2. 磨損方程 （1）第階段磨損方程 從典型磨損曲線可以看出，第階段的磨損時(shí)間與整個(gè)磨 損壽命相比，所占時(shí)間較短，而磨損速度較快；當(dāng)磨損曲線 到達(dá)點(diǎn)以后，磨損速度趨緩。第階段的磨損量為。如果將 曲線簡化為直線處理，這一階段的磨損曲線方程可簡化為： 1min0min

7、 / )(tsstss （11-1） 第十一章第十一章 機(jī)器設(shè)備壽命估算機(jī)器設(shè)備壽命估算 式中： 配合間隙； 最小配合間隙； 第階段結(jié)束時(shí)的配合間隙； 第階段磨損時(shí)間。 （2）第階段磨損方程 第階段所對應(yīng)的磨損曲線段基本上為一直線，磨損強(qiáng)度 的數(shù)值決定了磨損速度：材料的耐磨性差，則 大，磨 損速度也快。這一階段的磨損曲線方程式為： 式中： 最大磨損極限； 第階段磨損時(shí)間。 s min s 0 s 1 t tgtg tg)( 10 ttss 20max10 / )()(tsstts（ ） 1 t 21 tt t（11-2） max s 2 t 第十一章第十一章 機(jī)器設(shè)備壽命估算機(jī)器設(shè)備壽命估算

8、零件進(jìn)入急劇磨損階段（第階段）后，必須進(jìn)行修復(fù)或 更換，當(dāng)?shù)竭_(dá)曲線點(diǎn)，則標(biāo)志著設(shè)備磨損壽命的終結(jié)。 （3）簡化的磨損方程 在實(shí)際的工程計(jì)算中，經(jīng)常采用簡化的磨損方程。如圖11- 1所示，在正常使用情況下，零件大部分時(shí)間工作在第階段。 如果將第階段忽略不計(jì)，即，則簡化后的磨損方程式為： 3. 磨損壽命 由圖11-1可見，設(shè)備的正常磨損壽命應(yīng)該為第階段和第 階段之和，即： 根據(jù)簡化的磨損方程式（11-3），磨損壽命可由下式計(jì)算： tg 0 tss 20max0 / )(tssts（11-3） 21 ttT （11-4） tg/tg/ )( max0max2 ssstT （11-5） 第十一章第十一

9、章 機(jī)器設(shè)備壽命估算機(jī)器設(shè)備壽命估算 式中： 最大允許磨損量。 由公式（11-5）可見，材料得抗磨強(qiáng)度越大， 越小，零 件的工作時(shí)間就越長。 4. 磨損率 磨損率是指零件實(shí)際磨損量與極限磨損量之比，若第階 段忽略不計(jì)，按簡化的磨損方程式計(jì)算，則磨損率的計(jì)算公 式為： 式中： 磨損量； 實(shí)際磨損量。 三、剩余磨損壽命得計(jì)算三、剩余磨損壽命得計(jì)算 對以磨損為主的機(jī)器或零部件，可以根據(jù)磨損曲線計(jì)算其 剩余磨損壽命或磨損率。 max s tg max0max0m /)/()(ssssss m s （11-6） 第十一章第十一章 機(jī)器設(shè)備壽命估算機(jī)器設(shè)備壽命估算 對新機(jī)器或零部件磨損壽命的估算，首先要確

10、定材料得磨 損強(qiáng)度 和最大磨損極限 ，由公式（11-5）可得設(shè)備 總的磨損壽命為 對在用機(jī)器設(shè)備的磨損強(qiáng)度可以根據(jù)歷史數(shù)據(jù)估算。首先 應(yīng)確定實(shí)際磨損量 和已運(yùn)行時(shí)間 ，根據(jù)上述參數(shù)估算磨 損強(qiáng)度 然后根據(jù)磨損方程計(jì)算剩余磨損壽命 例例1 已知磨損強(qiáng)度為0.5mm/年，且設(shè)備運(yùn)行3年后，磨損率 為1/4，求該設(shè)備的剩余壽命及極限磨損量。 解：總壽命為： （年） tan max s tg/tg/ )( max0max sssT st tg ts /tg tg/ )( maxs ssT 12 4/1 3 第十一章第十一章 機(jī)器設(shè)備壽命估算機(jī)器設(shè)備壽命估算 剩余壽命為：12-3=9（年） 極限磨損量為

11、：120.5=6（mm） 第三節(jié) 疲勞壽命及疲勞強(qiáng)度 一、基本概念一、基本概念 1. 載荷 在理想的平穩(wěn)工作條件下作用在機(jī)器零件或構(gòu)件上的載荷 稱為名義載荷。然而在機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，零件還會(huì)受到各種附加 載荷，通常用引入載荷系數(shù)K（有時(shí)只考慮工作情況的影響， 則用工作情況系數(shù)KA）的辦法來估計(jì)這些因素的影響。載荷 系數(shù)與名義載荷的乘積，稱為計(jì)算載荷。按照計(jì)算載荷求得 的應(yīng)力，稱為計(jì)算應(yīng)力。 第十一章第十一章 機(jī)器設(shè)備壽命估算機(jī)器設(shè)備壽命估算 2. 應(yīng)力 零件或構(gòu)件在載荷（外力）的作用下，其內(nèi)部必然產(chǎn)生與 外力相平衡的內(nèi)力。應(yīng)力是指作用在零件或構(gòu)件某一截面上 的單位面積上的內(nèi)力。垂直于截面方向的應(yīng)力分

12、量稱為正應(yīng) 力（或方應(yīng)力），用表示；平行于截面方向的應(yīng)力分量稱為 切應(yīng)力（或剪應(yīng)力），用表示。正應(yīng)力表示零件內(nèi)部相鄰兩 截面間拉伸或壓縮的作用；切應(yīng)力表示相互錯(cuò)動(dòng)的作用。正 應(yīng)力和切應(yīng)力是度量零件強(qiáng)度的兩個(gè)物理量，常用單位是兆 帕（MPa）。 按照時(shí)間變化的情況不同，應(yīng)力可分為靜應(yīng)力和變應(yīng)力。 不隨時(shí)間變化的應(yīng)力稱為靜應(yīng)力（圖11-2a）。純粹的靜 應(yīng)力是不存在的，只要變化緩慢的應(yīng)力就可看作靜應(yīng)力。 a） b） c） d） 圖11-2 應(yīng)力的種類 第十一章第十一章 機(jī)器設(shè)備壽命估算機(jī)器設(shè)備壽命估算 隨時(shí)間變化的應(yīng)力稱為變應(yīng)力。具有周期性的變應(yīng)力稱為 循環(huán)應(yīng)力，圖11-2b所示為一般的循環(huán)變應(yīng)力

13、。從圖11-2b可 知 平均應(yīng)力 應(yīng)力幅 應(yīng)力循環(huán)中的最小應(yīng)力與最大應(yīng)力之比，可用來表示變應(yīng)力 中應(yīng)力的變化情況，通常稱為變應(yīng)力的循環(huán)特征，用表示， 即 。 當(dāng) 時(shí)，循環(huán)特征 ，稱為對稱循環(huán)變應(yīng)力 （圖11-2c），其 ， ；當(dāng) ， 時(shí)， 循環(huán)特征 ，稱為脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力（圖11-2d），其 。 2 minmax m 2 minmax a （11-7） maxmin /r minmax 1r minmaxa 0 m 0 max 0 min 0r maxa 2 1 m 第十一章第十一章 機(jī)器設(shè)備壽命估算機(jī)器設(shè)備壽命估算 3. 許用應(yīng)力 （1）靜應(yīng)力下的許用應(yīng)力 在靜應(yīng)力作用下，零件或構(gòu)件有兩種失效

14、形式：塑性變形 或斷裂。對于由塑性材料制成的零件或構(gòu)件，可按不發(fā)生塑 性變形的條件計(jì)算。這時(shí)應(yīng)取材料得屈服強(qiáng)度作為極限應(yīng)力， 故許用應(yīng)力為 式中：S安全系數(shù)。 對于脆性材料制成的零件或構(gòu)件，應(yīng)取材料的強(qiáng)度極限作 為極限應(yīng)力，故許用應(yīng)力為 （2）變應(yīng)力下的許用應(yīng)力 S s （11-8） S b （11-9） 第十一章第十一章 機(jī)器設(shè)備壽命估算機(jī)器設(shè)備壽命估算 在變應(yīng)力作用下，零件或構(gòu)件的失效形式為疲勞斷裂。在 變應(yīng)力作用下，如何確定零件或構(gòu)件的許用應(yīng)力，將在下述 的疲勞斷裂及疲勞壽命內(nèi)容中介紹。 二、疲勞斷裂及疲勞壽命二、疲勞斷裂及疲勞壽命 疲勞損傷發(fā)生在受變應(yīng)力作用的零件和構(gòu)件上，如起重機(jī) 的

15、橋架和其它結(jié)構(gòu)件、壓力容器、機(jī)器的軸和齒輪等。零件 或構(gòu)件在低于材料靜強(qiáng)度（屈服極限）的變應(yīng)力的反復(fù)作用 下，經(jīng)過一定時(shí)間的循環(huán)次數(shù)后，在應(yīng)力集中處產(chǎn)生裂紋， 裂紋在一定條件下擴(kuò)展，最終突然斷裂，這一失效過程稱為 疲勞破壞。 疲勞斷裂不同于一般靜力斷裂，它是材料損傷到一定程度 后，即裂紋擴(kuò)展到一定程度后，才發(fā)生的無明顯塑性變形的 突然斷裂。所以疲勞斷裂與應(yīng)力的循環(huán)次數(shù)密切有關(guān)。 第十一章第十一章 機(jī)器設(shè)備壽命估算機(jī)器設(shè)備壽命估算 1. 疲勞曲線 在給定循環(huán)特征的條件下，表示應(yīng)力與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)之間 關(guān)系的曲線稱為疲勞曲線或-曲線。如圖11-3所示，橫坐標(biāo)表 示循環(huán)次數(shù)，縱坐標(biāo)表示斷裂時(shí)的循環(huán)應(yīng)力

16、，從圖中可以看 出，應(yīng)力越小，試件在疲勞破壞前能經(jīng)受的循環(huán)次數(shù)就越多。 如將圖11-3所示的疲勞曲線用方程式表示，則為 式中， 為對應(yīng)于循環(huán)次數(shù)N的疲勞極限，m和C均為材料常 數(shù)。從大多數(shù)黑色金屬材料的疲勞試驗(yàn)可知，當(dāng)循次數(shù)超過 某一數(shù)值 后，曲線趨向水平（圖11-3）。 稱為循環(huán)基數(shù)， 對于鋼通常取 。對應(yīng)于 的應(yīng)力就稱為材料的疲勞極 限。各種材料的疲勞極限在不同的循環(huán)特征值時(shí)是不同的， 故統(tǒng)一用 表示。對稱循環(huán)應(yīng)力條件下的疲勞極限用 表示， 這個(gè)值比材料的靜強(qiáng)度極限低的多。此時(shí)，方程（11-10）變 為 CN N m （11-10） N 0 N 0 N 7 0 10N0 N r 1 第十一

17、章第十一章 機(jī)器設(shè)備壽命估算機(jī)器設(shè)備壽命估算 2. 影響機(jī)器零件疲勞強(qiáng)度的主要因素 在變應(yīng)力條件下，影響機(jī)器零件疲勞強(qiáng)度 的因素很多，有集中應(yīng)力、零件尺寸、表面 狀況、環(huán)境介質(zhì)、加載順序和頻率等，其中 以前三項(xiàng)最為重要。 （1）應(yīng)力集中的影響 由于結(jié)構(gòu)要求，實(shí)際零件一般都有截面形狀的突然變化 （如孔、倒角、鍵槽、缺口等），零件受載時(shí)，它們都會(huì)引 起應(yīng)力集中。常用有效應(yīng)力集中系數(shù) 來表示疲勞強(qiáng)度的真 正降低程度。 （2）絕對尺寸的影響 當(dāng)其他條件相同時(shí)，零件尺寸越大，則其疲勞強(qiáng)度越低。 其原因是由于尺寸大時(shí)，材料晶粒粗，出現(xiàn)缺陷的概率大， 機(jī)械加工后表面冷作硬化層相對較薄，疲勞裂紋容易形成。 C

18、NN N 0 m 1 m （11-11） 圖11-3 疲勞曲線 k 第十一章第十一章 機(jī)器設(shè)備壽命估算機(jī)器設(shè)備壽命估算 截面絕對尺寸對疲勞極限的影響，可用結(jié)對尺寸系數(shù) 表 示。 （3）表面狀態(tài)的影響 零件的表面狀態(tài)包括表面粗糙度和表面處理的情況。零件 表面光滑或經(jīng)過各種強(qiáng)化處理（噴丸、碾壓或表面熱處理 等），可以提高零件的疲勞強(qiáng)度。表面狀態(tài)對疲勞極限的影 響可用表面狀態(tài)系數(shù)表示。 3. 許用應(yīng)力 在變應(yīng)力下確定許用應(yīng)力，應(yīng)取材料得疲勞極限作為極限 應(yīng)力，同時(shí)還應(yīng)考慮零件的應(yīng)力集中、絕對尺寸和表面狀態(tài) 等的影響。 當(dāng)應(yīng)力是對稱循環(huán)變化時(shí)，許用應(yīng)力為 當(dāng)應(yīng)力是脈動(dòng)循環(huán)變化時(shí)，許用應(yīng)力為 Sk 1

19、1 （11-12） 第十一章第十一章 機(jī)器設(shè)備壽命估算機(jī)器設(shè)備壽命估算 式中，S安全系數(shù)； 材料的脈動(dòng)循環(huán)疲勞極限。 4. 疲勞壽命 材料在疲勞破壞前所經(jīng)歷的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)稱為疲勞壽命。 從圖11-3可以看出，疲勞曲線分為兩個(gè)區(qū)域：無限壽命區(qū)和 有限壽命區(qū)。 ，為無限壽命區(qū)，意指只要作用在零件上 的變應(yīng)力的最大值小于疲勞極限，則可獲得無限壽命； 為有限壽命區(qū)，意指已知作用在零件上的變應(yīng)力的最大值， 且其值小于靜強(qiáng)度，則可獲得有限壽命。下面通過舉例來說 明疲勞壽命的計(jì)算。 例例2 某標(biāo)準(zhǔn)試件，已知 ， ， 。試計(jì)算 在對稱循環(huán)交變應(yīng)力 和 作用下的疲勞壽命。 Sk 0 0 （11-13） 0 N0

20、 N 0 N N MPa300 1 7 0 10N9m MPa500 1 MPa260 2 第十一章第十一章 機(jī)器設(shè)備壽命估算機(jī)器設(shè)備壽命估算 解：（1）由于 ，屬疲勞曲線的有 限壽命區(qū)。 由公式（11-11），首先可計(jì)算出材料的常數(shù)C 則在應(yīng)力 作用下的疲勞循環(huán)次數(shù)為 （2）由于 ，屬于疲勞曲線的無限壽 命區(qū)，不產(chǎn)生疲勞破壞，零件為無限壽命。 三、疲勞損傷積累理論三、疲勞損傷積累理論 疲勞損傷累計(jì)理論認(rèn)為：當(dāng)零件所受應(yīng)力高于疲勞極限時(shí)， 每一次的循環(huán)載荷都將對零件造成一定程度的損傷，并且這 種損傷是可以積累的；當(dāng)損傷積累到臨界值時(shí)，零件將 MPa500 1 MPa300 1 2579 0 m

21、 1 m 101963810300 NNC MPa500 1 5 9 25 m 1 1 1001. 1 500 1019683 C N MPa260 2 MPa300 1 第十一章第十一章 機(jī)器設(shè)備壽命估算機(jī)器設(shè)備壽命估算 將發(fā)生疲勞破壞，屬于不穩(wěn)定變應(yīng)力引起的疲勞破壞。疲勞 損傷積累理論和計(jì)算方法種類很多，較重要的有線性和非線 性疲勞損傷積累理論。線性疲勞積累理論認(rèn)為，每一次循環(huán) 載荷所產(chǎn)生的疲勞損傷是相互獨(dú)立的，總損傷是每一次疲勞 損傷的線性累加，最具有代表性的理論是帕姆格倫-邁因納 （Palmgren-Miner）定理。非線性疲勞損傷積累理論認(rèn)為， 每一次損傷是非獨(dú)立的，每一次循環(huán)載荷形

22、成的損傷與已發(fā) 生的載荷大小及次數(shù)有關(guān)，其代表性的理論有柯爾頓 （Corton）理論、多蘭（Dolan）理論。另外還有其他損傷積 累理論，但大多數(shù)是通過實(shí)驗(yàn)推導(dǎo)的經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)公式。目 前，應(yīng)用最多的是線性疲勞損傷積累理論。 帕姆格倫帕姆格倫-邁因納（邁因納（Palmgren-Miner）定理。）定理。設(shè)在載荷譜 中，有應(yīng)力幅為 ， ， 等各級應(yīng)力，其循環(huán)次數(shù)分別 為 ， ， ， 。根據(jù)材料的-曲線，根據(jù)材料的S-N曲線， 可以查到對應(yīng)于各級應(yīng)力的到達(dá)疲勞破壞的循環(huán)次數(shù) 1 2 i 1 n 2 n i n 第十一章第十一章 機(jī)器設(shè)備壽命估算機(jī)器設(shè)備壽命估算 ， ， ， 。根據(jù)疲勞損傷積累為線性關(guān)

23、系的理論，比 值 為材料受到應(yīng)力 的損傷率。發(fā)生疲勞破壞，即損傷 率到達(dá)100%的條件為： 這就是線性損傷積累理論（帕姆格倫-邁因納定理）的表 達(dá)式。令N為以循環(huán)次數(shù)表示的疲勞壽命，則上式可改寫為： 式中： 代表應(yīng)力為 的循環(huán)次數(shù)在載荷譜的總循環(huán)數(shù)中 所占的比例，可以在載荷譜中求得； 是對應(yīng)于 的循環(huán)次 數(shù)，可以從S-N曲線求得。線性損傷積累理論與實(shí)際情況并 不完全相符，當(dāng)發(fā)生疲勞破壞時(shí)， 并不恰好等于1。但 該理論簡單，比較接近實(shí)際，故得到廣泛應(yīng)用。 1 N 2 N i N ii / Nn i 1 i i N n （11-14） ) 1 ( 1 i i N n N N （11-15） Nn

24、/ i i i N i ii / Nn 第十一章第十一章 機(jī)器設(shè)備壽命估算機(jī)器設(shè)備壽命估算 例例3某零件的載荷譜中，有三種交變載荷，對應(yīng)的應(yīng)力幅 分別為 、 、 ，其出現(xiàn)的頻度分比為10%、50%、30%， 如果已查到對應(yīng)于三個(gè)應(yīng)力達(dá)到疲勞破壞的循環(huán)次數(shù)分別 為 、 、 ，試計(jì)算該零件在上述載荷譜作用下達(dá)到疲勞 破壞的循環(huán)次數(shù)。 解：根據(jù)帕姆格倫-邁因納定理： 該零件在給定載荷譜的作用下，可以承受 次循環(huán)。 四、疲勞壽命理論的應(yīng)用四、疲勞壽命理論的應(yīng)用 在機(jī)器設(shè)備中，幾乎所有機(jī)器設(shè)備的結(jié)構(gòu)部分都承受交變 載荷，它們的主要失效形式是疲勞破壞，如起重機(jī)的主梁、 飛機(jī)的機(jī)體等的失效。一般來說，設(shè)備的

25、結(jié)構(gòu)壽命是決定整 個(gè)設(shè)備自然使用壽命的基礎(chǔ)。如起重機(jī)報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定：主 1 2 3 3 10 4 10 6 10 N n N N i i 1 1 3 643 10238. 6 %30 10 1 %60 10 1 %10 10 1 1 3 10238. 6 第十一章第十一章 機(jī)器設(shè)備壽命估算機(jī)器設(shè)備壽命估算 梁報(bào)廢即標(biāo)志著安全使用壽命的終結(jié)，可申請整車報(bào)廢。在 機(jī)器設(shè)備評估中，疲勞壽命理論主要用于估算疲勞壽命和疲 勞損傷。 20世紀(jì)90年代以后生產(chǎn)的新設(shè)備，其主要結(jié)構(gòu)件一般都已 進(jìn)行過疲勞壽命設(shè)計(jì)。這些設(shè)備在設(shè)計(jì)時(shí)就確定了設(shè)備的設(shè) 計(jì)使用壽命。這個(gè)設(shè)計(jì)使用壽命是根據(jù)可能承受的實(shí)際載荷 的強(qiáng)度和頻

26、度來確定的。但在實(shí)際使用中，機(jī)器設(shè)備所承受 的實(shí)際載荷可能與設(shè)計(jì)時(shí)考慮的情況有很大的不同。因此， 在評估中，重要設(shè)備的實(shí)際疲勞損傷程度和剩余壽命，需要 根據(jù)設(shè)備所承受的實(shí)際載荷，使用疲勞壽命理論進(jìn)行計(jì)算確 定。 早期生產(chǎn)的機(jī)器設(shè)備，設(shè)計(jì)時(shí)一般只進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，未進(jìn) 行壽命計(jì)算。這些設(shè)備的安全系數(shù)取值較大，很多已經(jīng)超過 服役年齡但仍在使用。疲勞壽命理論可以用來估算這些設(shè)備 的剩余物理壽命。這無疑對于企業(yè)的安全生產(chǎn)起著非常重要 的作用。 第十一章第十一章 機(jī)器設(shè)備壽命估算機(jī)器設(shè)備壽命估算 1. 對于已經(jīng)進(jìn)行疲勞壽命設(shè)計(jì)的機(jī)器設(shè)備，考慮到使用時(shí) 的機(jī)器設(shè)備所承受的實(shí)際載荷可能與設(shè)計(jì)情況有差異，對于 重

27、要設(shè)備的安全評估，我們必須根據(jù)設(shè)備所承受的實(shí)際載荷， 使用疲勞壽命理論對設(shè)備的實(shí)際損傷程度和剩余壽命進(jìn)行計(jì) 算。其基本步驟如下： （1）統(tǒng)計(jì)計(jì)算危險(xiǎn)截面各種載荷所對應(yīng)的計(jì)算應(yīng)力 及 作用次數(shù) ； （2）根據(jù)疲勞壽命曲線確定每一載荷所對應(yīng)得應(yīng)力水平 下，達(dá)到疲勞破壞的循環(huán)次數(shù) ； （3）根據(jù)疲勞損傷積累理論計(jì)算每一應(yīng)力水平 下的損 傷率 ； （4）計(jì)算總損傷率 。 i i n i i N i ii / Nn ii / Nn 第十一章第十一章 機(jī)器設(shè)備壽命估算機(jī)器設(shè)備壽命估算 例例4 某起重機(jī)部件，每天各種載荷所對應(yīng)的危險(xiǎn)截面應(yīng) 力及出現(xiàn)次數(shù)如表11-1所示，循環(huán)基數(shù) 次。該部件已 運(yùn)行了380天

28、，使計(jì)算其疲勞損傷率。在負(fù)荷強(qiáng)度相同的情 況下，該起重機(jī)的剩余壽命為多少？ 表11-1 7 0 10N i i N 序號(hào) 應(yīng)力 （MPa） 每天出現(xiàn)的次數(shù)（次/天）對應(yīng)的疲勞循環(huán)次數(shù) 123651.0104 219894.15104 3135289.3105 4101559.9106 58089107 解：（1）根據(jù)每天各種載荷出現(xiàn)的次數(shù)和已運(yùn)行的天數(shù)， 計(jì)算各種載荷的作用次數(shù) ，填入表12-2中； i n 第十一章第十一章 機(jī)器設(shè)備壽命估算機(jī)器設(shè)備壽命估算 （2）計(jì)算每一應(yīng)力水平 下的損傷率 ，填入表11-4中； （3）計(jì)算總損傷率 。 表11-2 （4）計(jì)算剩余疲勞壽命 總使用壽命=380

29、/0.285=1333(天)； 剩余疲勞壽命=1333380=953（天）。 i ii / Nn ii / Nn i i N i nii / Nn 285. 0/ ii Nn （ 序 號(hào) 應(yīng)力 （MPa） 每天出現(xiàn)的 次數(shù)（次/天） 對應(yīng)的疲勞破 壞循環(huán)次數(shù) 對應(yīng)載荷的總 作用次數(shù) 對應(yīng)應(yīng)力水平下 的損傷率 123651.01041.91030.19 219894.151043.421030.082 3135289.31051.061040.011 4101559.91062.091040.002 580891.91073.38104不產(chǎn)生疲勞損傷 （ i= 1,2,3,4,5） 第十一章第十

30、一章 機(jī)器設(shè)備壽命估算機(jī)器設(shè)備壽命估算 2. 對于未進(jìn)行疲勞壽命計(jì)算的機(jī)器設(shè)備，疲勞壽命理論可 以用來估算這些設(shè)備的剩余壽命，其基本步驟如下： （1）確定危險(xiǎn)截面。有限壽命計(jì)算需要先知道應(yīng)力值。計(jì) 算時(shí)，首先分析承受載荷的情況，確定危險(xiǎn)截面及其所承受 應(yīng)力的變化規(guī)律，并對這個(gè)截面進(jìn)行疲勞壽命計(jì)算。如危險(xiǎn) 截面無法完全確定，則應(yīng)對幾個(gè)可能截面進(jìn)行計(jì)算分析。 （2）確定應(yīng)力。計(jì)算每一載荷對應(yīng)的應(yīng)力值。 （3）計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。統(tǒng)計(jì)每一載荷所對應(yīng)的應(yīng)力循環(huán) 次數(shù)。 （4）確定各系數(shù)?？紤]實(shí)際零件的形狀、尺寸及表面狀態(tài)， 確定應(yīng)力集中系數(shù) 、尺寸系數(shù) 、表面系數(shù) 。 （5）計(jì)算修正后的疲勞極限。根據(jù)應(yīng)

31、力集中系數(shù)、尺寸系 數(shù)和表面系數(shù)計(jì)算修正后零件的疲勞極限。 （6）計(jì)算疲勞損傷或疲勞壽命，查與 對應(yīng)的 ，并計(jì) 算疲勞損傷或疲勞壽命。 k i i N 第十一章第十一章 機(jī)器設(shè)備壽命估算機(jī)器設(shè)備壽命估算 第四節(jié) 損傷零件壽命估算 常規(guī)的疲勞壽命計(jì)算都是在假定材料沒有任何缺 陷的條件下進(jìn)行的。但是，在評估中所遇到的設(shè)備， 特別是在役設(shè)備通常帶有某些缺陷，如使用過程中 形成的裂紋或制造中形成的裂紋、夾渣等。這些缺 陷的存在，并不意味著設(shè)備已經(jīng)喪失其使用價(jià)值。 一般來講，它還有一定的安全使用壽命。故在評估 一些造假很高的大型結(jié)構(gòu)件及大型壓力容器等設(shè)備 的價(jià)值和安全性時(shí)，要求評估人員能夠科學(xué)地估算 其剩余自然壽命。 估算存在缺陷之設(shè)備的剩余自然壽命，一般以斷 裂力學(xué)理論為基礎(chǔ)，采用斷裂韌性試驗(yàn)