機電設(shè)備故障及其零部件失效機理概述(ppt 60頁).ppt

1、第一章 機電設(shè)備故障及零部件失效機理,本章主要內(nèi)容 機電設(shè)備故障的概念 分類 規(guī)律 零部件失效主要模式:機械零件的磨損 金屬零件的腐蝕 機械零件的變形 機械零件的斷裂 不同失效模式下減少或消除其失效的方法 和途徑,1.1 概述,故障研究的目的是要查明故障模式,追尋故障機理,探求減少故障的方法,提高機電設(shè)備的可靠程度和有效利用率 故障定義:設(shè)備(系統(tǒng))或零部件(完全或局部)喪失了規(guī)定工能的狀態(tài). 故障含兩層含義:一是機械系統(tǒng)偏離正常功能;二是其功能失效,關(guān)于失效的基本概念,1 零件（構(gòu)件）的功能 （1）在一定的壓力、溫度、介質(zhì)下，保持規(guī)定的形狀和尺寸； （2）實現(xiàn)規(guī)定的機械運動； （3）傳遞力和

2、能。 2 失效的定義和形式 定義: 零件失去設(shè)計所要求的效能（功能）稱為失效。 常見的失效形式：磨損、腐蝕、過量變形、斷裂,故障分類,1.按故障性質(zhì)分 間歇性故障 設(shè)備只是在短期內(nèi)喪失某些功能,在對設(shè)備稍加修理調(diào)試或在外部干擾消失后,功能即可恢復.多半由機電設(shè)備外部原因如工人誤操作、氣候變化、環(huán)境設(shè)施不良等因素引起 永久性故障 此類故障必須經(jīng)人工修理才能恢復功能.該故障一般是因為某些零部件損壞引起的,故障分類,2.按故障程度分 局部性故障 設(shè)備只是某一部功能喪失,不影響設(shè)備其它功能的實現(xiàn)(如冷卻電機) 整體性故障 雖然設(shè)備只是某一部功能喪失,但卻使設(shè)備整體功能不能實現(xiàn)(如主電動機故障),故障分

3、類,3.按故障形成速度分 突發(fā)性故障 故障發(fā)生具有偶然性和突發(fā)性,一般與設(shè)備使用時間無關(guān),故障發(fā)生前無明顯征兆,通過早期試驗或測試很難預測,一般是由工藝系統(tǒng)本身不利因素與偶然的外界影響因素共同作用的結(jié)果 緩變性故障 故障發(fā)展緩慢,一般在設(shè)備有效壽命的后期出現(xiàn),其發(fā)生概率與使用時間有關(guān),能夠通過早期試驗或測試進行預測,通常是因零部件的腐蝕磨損疲勞以及老化等發(fā)展形成的,故障分類,4.按故障形成原因分 操作或管理失誤形成的故障 設(shè)備未按原設(shè)計規(guī)定的條件使用,形成設(shè)備錯用、精機粗用 設(shè)備內(nèi)在原因形成的故障 一般是設(shè)備由于設(shè)計、制造遺留下的缺陷(如加工殘余應(yīng)力、局部薄弱環(huán)節(jié)等)或材料內(nèi)部潛在的缺陷造成的

4、.該故障無法預測,是突發(fā)性故障的重要原因 自然故障設(shè)備在有效期內(nèi),因受到外部或內(nèi)部多種自然因素影響而引起的故障,如正常情況下零部件的磨損、斷裂、腐蝕、變形、蠕變、疲勞以及老化等,故障分類,5.按故障造成的后果分 致命故障 危及或?qū)е聜觥⒁鹪O(shè)備報廢或造成重大經(jīng)濟損失的故障.如機架或機體斷裂、車輪脫落、發(fā)動機總成報廢等 嚴重故障 是指嚴重影響設(shè)備正常使用,在短期內(nèi)無法排除的故障.如發(fā)動機燒瓦、曲軸斷裂、箱體開裂、齒輪損壞等 一般故障 指影響設(shè)備正常使用,但在短期內(nèi)能排除的故障.如V型帶斷裂、操縱手輪手柄損壞、電器開關(guān)損壞、輕微滲漏和一般緊固件松動等,故障分類,6.按故障表現(xiàn)形式分功能故障和潛在

5、故障 7.按故障形成的時間分 早期故障和隨時間變化的故障及隨機故障 8.按故障程度和形成快慢分 破壞性故障和漸衰失效性故障,故障的規(guī)律,T1早期故障期 T2隨機故障期 T3耗損故障期 (設(shè)計、制造) (設(shè)計、零部件缺陷 (耗損) 維護不良、操作不當),1.2 機械零件的磨損,機械零件的磨損是零件失效的主要模式,設(shè)備零件失效報廢80是由磨損引起的,1.跑合（磨合）磨損階段 磨合的初期摩擦副表面具有微觀波峰,使得零件間實際接觸面積較小,接觸應(yīng)力很大,因此零件表面的塑性變形大、磨損速度快 選擇合理的載荷速度和潤滑等參數(shù)是縮短磨合期的關(guān)鍵因素,零件磨損的一般規(guī)律,零件磨損的一般規(guī)律,2.穩(wěn)定磨損(正常

6、工作)階段 隨著磨合的進行表面粗糙峰逐漸磨平,實際接觸面逐漸增大,另一方面由于塑性變形導致冷作硬化,因此磨損速率下降至穩(wěn)定狀態(tài),正常磨損條件已建立,該階段的持續(xù)時間較長 合理地使用保養(yǎng)與維護設(shè)備是延長該階段的關(guān)鍵,零件磨損的一般規(guī)律,3.急劇(崩潰)磨損階段 隨著磨合的長期進行,實際接觸面間隙逐漸增大,造成潤滑條件改變,配合間隙增大,幾何變形,易產(chǎn)生沖擊等因素使磨損速率加快乃至急劇增加.此時,機械效率明顯下降,精度降低,若不采取相應(yīng)措施有可能導致設(shè)備故障或意外事故 及時發(fā)現(xiàn)和修復將進入該階段工作的零部件是關(guān)鍵,磨損的類型,根據(jù)磨損結(jié)果,點蝕磨損 膠合磨損 擦傷磨損,磨料磨損 疲勞磨損 粘著磨損

7、 腐蝕磨損 微動磨損,根據(jù)磨損機理,第一節(jié) 零件在常溫靜載下的過量變形,材料的靜載性能指標有哪些? 什么是過量彈性變形失效?發(fā)生過量彈性變形的原因是什么?設(shè)計時應(yīng)選擇什么性能指標? 發(fā)生過量塑性變形的原因是什么?抗力指標有哪些?,問 題,一、材料的靜載性能指標,剛度和強度指標 彈性和塑性指標 硬度指標 韌性指標（放在斷裂中講）,1、剛度,剛度：零構(gòu)件在受力時抵抗彈性變形的能力。等于材料彈性模量與零構(gòu)件截面積的乘積。 剛度越大，零構(gòu)件發(fā)生的彈性變形越小。（在同樣的載荷下）,2、強度、彈性塑性指標,試樣的靜拉伸過程,彈性變形、塑性變形,彈性變形,非線性彈性變形,（1）強度：材料抵抗變形或者斷裂的能

8、力,比例極限sp 彈性極限se 屈服強度ss 抗拉強度sb 斷裂強度sk,強度指標單位：MPa,（2）彈性和塑性指標彈性：材料發(fā)生彈性變形的大小。塑性：材料斷裂前發(fā)生塑性變形的能力。,彈性指標：彈性能（彈性比功）m 塑性指標：斷后伸長率d 斷面收縮,硬度硬度：表征材料軟硬程度的一種性能。硬度指標：物理意義與試驗方法有關(guān),滑痕法硬度值（莫氏硬度） 彈性回跳法硬度值（肖氏硬度） 壓入法硬度值（工業(yè)中應(yīng)用廣泛） 布氏硬度（HBS)淬火鋼球 洛氏硬度(HRC)（錐角為120的金剛石圓錐體） 維氏硬度(HV)（錐面角為136 的金剛石四棱錐體為壓頭,二、過量變形失效,過量彈性變形及抗力指標 （1）零構(gòu)件

9、發(fā)生過量彈性變形失效： DlDl (拉壓或者彎曲條件下） 或者 q q （扭轉(zhuǎn)條件下） （2）過量彈性變形的原因：零構(gòu)件的剛度不夠 （3）抗力指標：彈性模量E或者切變模量G,過量塑性變形及抗力指標 （1）發(fā)生條件：塑性變形量超過允許變形量 （2）原因：偶而過載或者零構(gòu)件本身抵抗塑性變形的能力不夠 （3）抗力指標：比例極限、彈性極限和屈服極限,總 結(jié),零構(gòu)件發(fā)生過彈性變形的原因：剛度不足 抗力指標：彈性模量E或者切變模量G,強 調(diào)！ 金屬和合金的彈性模量不能通過合金化和熱處理、冷變形等方法改變。,本節(jié)中所講的材料的力學性能指標及應(yīng)用,剛度：在設(shè)計中，考慮構(gòu)件在受力時發(fā)生的彈性變形量，需要用剛度。

10、主要力學性能是材料的彈性模量。如鏜床的鏜桿、齒輪軸等,彈性指標：彈性極限和彈性模量是設(shè)計彈性零件考慮的性能指標。如汽車板簧和各類彈簧等,強度和塑性指標：屈服強度和塑性用于一般零件的抗斷裂設(shè)計。,硬度：在耐磨零件中必須考慮的性能指標。如滾珠軸承、活塞環(huán)等.,第二節(jié) 零件在靜載和沖擊載荷下的斷裂,問 題 斷裂可分為幾類？韌性斷裂和脆性斷裂如何區(qū)分？ 斷裂過程分為幾個階段？韌性斷裂和脆性斷裂的斷裂過程的區(qū)別在哪里？ 什么是材料的韌性？評價材料韌性的力學性能指標有哪些？ 材料韌性指標的含義及應(yīng)用？,一、基本概念,靜載荷和沖擊載荷 斷裂：材料在外力作用下發(fā)生局部開裂或分裂為兩個或者兩個以上部分的現(xiàn)象。

11、斷裂的分類：脆性斷裂、韌性斷裂、疲勞斷裂、過載斷裂 斷裂過程：裂紋萌生和裂紋擴展 韌性：表示材料在塑性變形和斷裂過程中吸收能量的能力。,韌性斷裂和脆性斷裂的斷口微觀形貌,韌性斷口,脆性斷口,二、沖擊韌性及衡量指標,沖擊韌性：材料在沖擊載荷下吸收塑性變形功和斷裂功的能力。是材料強度和塑性的綜合表現(xiàn)。 衡量指標：沖擊吸收功Ak 沖擊韌度ak(ak Ak/Fk ) 應(yīng)用：評價材料韌性的好壞，與屈服強度結(jié)合用于一般零件抗斷裂設(shè)計。 低溫沖擊試驗：(材料的韌脆轉(zhuǎn)變溫度TK),材料韌脆轉(zhuǎn)變溫度TK的確定和應(yīng)用,三、斷裂韌性及衡量指標,斷裂韌度KIC: 是評定材料抵抗脆性斷裂的力學性能指標，指的是材料抵抗裂

12、紋失穩(wěn)擴展的能力。 單位：MPam 1/2 或者 MN m-3/2 應(yīng)用（判斷構(gòu)件是否安全，合理選材） KI KIC 構(gòu)件發(fā)生脆性斷裂 KI KIC 構(gòu)件發(fā)生低應(yīng)力脆性斷裂的臨界條件 3應(yīng)用場合：主要用于高強度鋼制造的飛機、導彈和火箭的零件，或者是用中低強度鋼制造氣輪機轉(zhuǎn)子、大型發(fā)電機轉(zhuǎn)子等。,四、影響脆性斷裂的因素,溫度和加載速度 應(yīng)力集中 零件尺寸,總 結(jié),材料的斷裂分為：韌性斷裂和脆性斷裂 材料的韌性指標：沖擊吸收功、沖擊韌度、材料韌脆轉(zhuǎn)變溫度和斷裂韌度，前三個用于評價材料韌性的好壞；斷裂韌度可用于材料抵抗低應(yīng)力脆性斷裂的設(shè)計。 材料的以上韌性指標均可用合金化和熱處理等方法改變。,第三節(jié)

13、 零件在交變載荷下的疲勞斷裂,問 題 什么是疲勞斷裂？ 疲勞斷口由哪幾個部分組成？ 疲勞抗力指標有哪些？在設(shè)計中如何使用這些指標？,一、基本概念,交變載荷：載荷大小和方向隨時間發(fā)生周期變化的載荷。 疲勞斷裂：金屬零件在交變載荷下經(jīng)過長時間工作而發(fā)生斷裂的現(xiàn)象成為疲勞斷裂。 疲勞斷裂過程：裂紋萌生、疲勞裂紋擴展、最終瞬間斷裂。,二、疲勞斷口的特點,疲勞斷口,示意圖,疲勞源區(qū)和疲勞裂紋擴展區(qū)的微觀形貌,疲勞裂紋擴展區(qū),疲勞源區(qū),三、疲勞抗力指標,無裂紋構(gòu)件的疲勞抗力指標：,疲勞極限 過載持久值,疲勞極限：材料經(jīng)過無限次應(yīng)力循環(huán)不發(fā)生斷裂的最大應(yīng)力。對應(yīng)于疲勞曲線上水平部分對應(yīng)的應(yīng)力值。,疲勞曲線,

14、圖111 兩種類型的疲勞曲線 a)鋼鐵材料 b)部分有色金屬（如鋁合金）,過載持久值：材料在高于疲勞極限的應(yīng)力作用下發(fā)生疲勞斷裂的循環(huán)周次。,高周疲勞：Nf105 低周疲勞: Nf105,2帶裂紋構(gòu)件的疲勞抗力指標,裂紋擴展速率（da/dN) 疲勞裂紋擴展門檻值(DKth）,四、影響疲勞抗力的因素,載荷類型 材料本質(zhì) 零件表面狀態(tài) 工作溫度 腐蝕介質(zhì),五、減少斷裂失效的措施,優(yōu)化零件形狀結(jié)構(gòu)設(shè)計,合理選擇零件材料 合理選擇零件加工方法 安裝使用方面,總 結(jié),疲勞斷裂是零構(gòu)件常見的一種失效形式，它是一種脆性斷裂，危害很大。 無裂紋零構(gòu)件設(shè)計中常用的疲勞抗力指標是疲勞極限、過載持久值和疲勞缺口敏感

15、度。 工作應(yīng)力s疲勞極限，構(gòu)件在一定的周次下斷裂，該周次稱為過載持久值。工作應(yīng)力越大，過載持久值越低。 3疲勞斷口上可清楚顯示疲勞裂紋源、疲勞裂紋擴展區(qū)和最后斷裂區(qū)。所以，根據(jù)斷口就可判斷是否發(fā)生疲勞斷裂。,第四節(jié) 零件的磨損失效,本節(jié)主要講粘著磨損、磨粒磨損和疲勞磨損的發(fā)生過程、機理以及防止措施。,一、磨損的基本概念 產(chǎn)生磨損的條件 磨損的定義：在摩擦過程中零件表面發(fā)生尺寸變化和物質(zhì)耗損的現(xiàn)象叫做磨損。,二、磨損的過程和機理,粘著磨損 （1）又稱咬合磨損，在滑動摩擦條件下，摩擦幅的接觸面發(fā)生金屬粘著(冷焊)，在隨后的相對滑動中粘著處被破壞，有金屬屑粒被拉拽下來或者是金屬表面被擦傷或相互之間發(fā)

16、生材料遷移的一種磨損形式。,（2）過程,（3）粘著磨損的特點：磨損速度大；破壞嚴重。,（4）防止措施 合理選材，摩擦幅配對材料選用硬度差較大的異類材料； 例如蝸桿用40Cr,蝸輪用銅材; 提高表面硬度； 合理設(shè)計減小接觸壓應(yīng)力； 減小表面粗糙度。,磨粒磨損 （1）定義：又稱磨料磨損，在滑動摩擦時零件表面存在硬質(zhì)磨粒(例空氣中的塵土、磨損造成的金屬微粒、切屑等)，使磨面發(fā)生局部塑性變形，磨粒嵌入、磨粒切割金屬表面從而使兩個表面的一面或兩面的材料發(fā)生轉(zhuǎn)移而導致零件表面逐漸損耗的一種磨損。,（2）過程,(3)磨粒磨損的特點 磨料磨損的過程實質(zhì)上是零件表面在磨粒作用下發(fā)生局部塑性變形，磨粒嵌入(切削)

17、與斷裂的過程。磨粒對零件表面的作用力分為垂直于表面與平行于表面的兩個分力。,垂直分力,塑性材料:表面產(chǎn)生密集的壓痕,最終疲勞破壞,脆性材料:表面不變形,產(chǎn)生脆性破壞,水平分力,塑性材料:以耕犁為主,表面被切下一條切屑,犁溝兩側(cè)材料隆起,脆性材料:以微切削為主,表面被切下許多切屑產(chǎn)生脆性破壞,（4）防止措施 提高表面硬度（從選材方面）； 減少磨粒數(shù)量（從工作狀況方面）。,接觸疲勞（疲勞磨損，麻點磨損） （1）定義：零件工作面作滾動或滾動加滑動摩擦時，在交變接觸壓應(yīng)力的長期作用下引起的表面疲勞剝落破壞的現(xiàn)象。 （2）過程：類似于疲勞斷裂，是裂紋萌生和擴展過程。,（3）主要防止措施 提高材料硬度；提

18、高材料純度；提高零件心部和表面強度；減小表面粗糙度。,總 結(jié),磨損是機械零件常見的一種失效形式，總是從零件表面開始發(fā)生。各種磨損的過程和機理不同，因此其主要的預防措施也不同。 提高零件表面硬度，合理設(shè)計減小壓應(yīng)力，以及提高表面光潔度等對降低磨損都有利。,第五節(jié) 零件的腐蝕失效,問 題 1 什么是腐蝕？可分為幾類？ 高溫氧化腐蝕常發(fā)生在那些零件中？耐熱鋼為什么具有抗高溫氧化能力？ 發(fā)生電化學腐蝕的條件是什么？ 改善零件腐蝕抗力的主要措施是什么,一、腐蝕的定義和分類,腐蝕：材料表面和周圍介質(zhì)發(fā)生化學反應(yīng)或者電化學反應(yīng)所引起的表面損傷現(xiàn)象。 分類： 化學腐蝕 電化學腐蝕,二、腐蝕過程及防止 化學腐蝕過程（以高溫氧化腐蝕為主）,高溫氧化過程： （1）金屬失去電子成為金屬離子 （2）氧原子吸收電子成為氧離子 （3）金屬離子和氧離子結(jié)合為金屬氧化物,基體金屬能否繼續(xù)氧化，取決于氧化物薄膜是否致密。 提高鋼抗氧化能力：加入Al、Si、Cr等元素，與氧結(jié)合形成致密的氧化物膜，防止基體金屬進一步氧化。,電化學腐蝕 條件：存在電極電位差，并且相互接觸并處于相互聯(lián)通的電介質(zhì)溶液中形成微電池。,電化學