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(jiǎn)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)所受損耗的形式來計(jì)算。如

2、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(duì)設(shè)備的正確使用、維護(hù)和修理可以延長(zhǎng)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(duì)設(shè)備進(jìn)行技術(shù)改造可延長(zhǎng)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，必須支出的維修費(fèi)用和能源消耗費(fèi)用也越來

3、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(duì)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(duì)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。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

4、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

5、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(zhǎng)設(shè)備正常使用階段的期限，從而可保證加工質(zhì)

6、量和提高經(jīng)濟(jì)效益。 （2）對(duì)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(jiǎn)化為直線處理，這一階段的磨損曲線方程可簡(jiǎn)化為： 1min0min/ )(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

7、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(duì)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。smins0s1ttgtgtg)(10ttss20max10/ )()(tsstts（ ） 1t21ttt（11-2） maxs2t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 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(jiǎn)化的磨損方程 在實(shí)際的工程計(jì)算中，經(jīng)常采用簡(jiǎn)化的磨損方

8、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(jiǎn)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(jiǎn)化的磨損方程式（11-3），磨損壽命可由下式計(jì)算：tg0tss20max0/ )(tssts（11-3） 21ttT（11-4） tg/tg/ )(max0max2ssstT（11-5） 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： 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(zhǎng)。 4. 磨損率 磨損率是指零件實(shí)際磨損量與極限磨損量

9、之比，若第階段忽略不計(jì)，按簡(jiǎn)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(duì)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。maxstgmax0max0m/)/()(ssssssms（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(duì)新機(jī)器或零部件磨損壽命的估算，首先要確定材料得磨損強(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(duì)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

10、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）tanmaxstg/tg/ )(max0maxsssTsttgts /tgtg/ )(maxsssT124/13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：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

11、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

12、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。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(duì)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 。2minmax

13、m2minmaxa（11-7）maxmin/rminmax1rminmaxa0m0max0min0rmaxa21m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)件有兩種失效形式：塑性變形或斷裂。對(duì)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(duì)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 Ss（11-8） Sb（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

14、，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

15、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，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(duì)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(duì)于鋼通常取 。對(duì)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(duì)

16、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?yōu)镃NNm（11-10） N0N0N7010N0Nr1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. 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(duì)尺寸的影響 當(dāng)其他條件相同時(shí)，零

17、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(duì)較薄，疲勞裂紋容易形成。CNNN0m1m（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(duì)尺寸對(duì)疲勞極限的影響，可用結(jié)對(duì)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(duì)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(duì)

18、尺寸和表面狀態(tài)等的影響。 當(dāng)應(yīng)力是對(duì)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Sk11（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

19、計(jì)算在對(duì)稱循環(huán)交變應(yīng)力 和 作用下的疲勞壽命。Sk00（11-13） 0N0N0NNMPa30017010N9mMPa5001MPa2602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(duì)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MPa5001M

20、Pa300125790m1m101963810300NNCMPa50015925m111001.NMPa2602MPa3001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)載荷形成的損傷與已發(fā)生的載荷大小及次數(shù)有

21、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(jí)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(duì)應(yīng)于各級(jí)應(yīng)力的到達(dá)疲勞破壞的循環(huán)次數(shù) 12i1n2nin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)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

22、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(duì)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(jiǎn)單，比較接近實(shí)際，故得到廣泛應(yīng)用。1N2NiNii/ Nni1iiNn（11-14） )1(1iiNnNN（11-15） Nn /iiiNiii/ 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(duì)應(yīng)的應(yīng)力幅分別

23、為 、 、 ，其出現(xiàn)的頻度分比為10%、50%、30%，如果已查到對(duì)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123310410610NnNNii11364310238. 6%30101%60101%1

24、01011310238. 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(qǐng)整車報(bào)廢。在機(jī)器設(shè)備評(píng)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(píng)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

25、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(duì)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(duì)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(duì)于重要設(shè)備的安全評(píng)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(duì)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(duì)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(duì)應(yīng)得應(yīng)力水平 下，達(dá)到疲勞破壞的循

26、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 。iiniiNiii/ Nnii/ 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(duì)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，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11-17010NiiN序號(hào)應(yīng)力 （MPa）每天出現(xiàn)的次數(shù)（次/天）對(duì)應(yīng)的疲勞循環(huán)次數(shù)123651.0104219894.151043135289.31054101559.910658089107解：（1）根據(jù)每天各種載荷出

27、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；in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=380/0.285=1333(天)； 剩余疲勞壽命=1333380=953（天）。iii/ Nnii/ NniiNinii/ Nn285. 0/iiNn（序號(hào)應(yīng)力 （MPa）每天出現(xiàn)的次數(shù)（次/天）對(duì)應(yīng)的疲勞破壞循環(huán)次數(shù)對(duì)應(yīng)載荷的總作用次數(shù)對(duì)應(yīng)應(yīng)力水平下的損傷率123651.01041.91030.19219894.151043.421030.0

28、823135289.31051.061040.0114101559.91062.091040.002580891.91073.38104不產(chǎn)生疲勞損傷 （ i= 1,2,3,4,5）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. 對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)應(yīng)的應(yīng)力值。 （3）計(jì)算應(yīng)

29、力循環(huán)次數(shù)。統(tǒng)計(jì)每一載荷所對(duì)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)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(duì)應(yīng)的 ，并計(jì)算疲勞損傷或疲勞壽命。kiiN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(píng)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(píng)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(píng)估人員能夠科學(xué)地估算其剩余自然壽命。 估算存在