第一章 机电设备故障及零件失效机理

第一章机电设备故障及零部件失效机理本章主要内容★机电设备故障的概念分类规律★零部件失效主要模式:机械零件的磨损金属零件的腐蚀机械零件的变形机械零件的断裂★不同失效模式下减少或消除其失效的方法和途径§1.1概述故障研究的目的是要查明故障模式,追寻故障机理,探求减少故障的方法,提高机电设备的可靠程度和有效利用率故障定义:设备(系统)或零部件(完全或局部)丧失了规定工能的状态.故障含两层含义:一是机械系统偏离正常功能;二是其功能失效关于失效的基本概念1零件（构件）的功能（1）在一定的压力、温度、介质下，保持规定的形状和尺寸；（2）实现规定的机械运动；（3）传递力和能。2失效的定义和形式定义:零件失去设计所要求的效能（功能）称为失效。常见的失效形式：磨损、腐蚀、过量变形、断裂故障分类1.按故障性质分间歇性故障设备只是在短期内丧失某些功能,在对设备稍加修理调试或在外部干扰消失后,功能即可恢复.多半由机电设备外部原因如工人误操作、气候变化、环境设施不良等因素引起永久性故障此类故障必须经人工修理才能恢复功能.该故障一般是因为某些零部件损坏引起的故障分类2.按故障程度分局部性故障设备只是某一部功能丧失,不影响设备其它功能的实现(如冷却电机)整体性故障虽然设备只是某一部功能丧失,但却使设备整体功能不能实现(如主电动机故障)故障分类3.按故障形成速度分突发性故障故障发生具有偶然性和突发性,一般与设备使用时间无关,故障发生前无明显征兆,通过早期试验或测试很难预测,一般是由工艺系统本身不利因素与偶然的外界影响因素共同作用的结果缓变性故障故障发展缓慢,一般在设备有效寿命的后期出现,其发生概率与使用时间有关,能够通过早期试验或测试进行预测,通常是因零部件的腐蚀磨损疲劳以及老化等发展形成的故障分类4.按故障形成原因分操作或管理失误形成的故障设备未按原设计规定的条件使用,形成设备错用、精机粗用设备内在原因形成的故障一般是设备由于设计、制造遗留下的缺陷(如加工残余应力、局部薄弱环节等)或材料内部潜在的缺陷造成的.该故障无法预测,是突发性故障的重要原因自然故障设备在有效期内,因受到外部或内部多种自然因素影响而引起的故障,如正常情况下零部件的磨损、断裂、腐蚀、变形、蠕变、疲劳以及老化等故障分类5.按故障造成的后果分致命故障危及或导致伤亡、引起设备报废或造成重大经济损失的故障.如机架或机体断裂、车轮脱落、发动机总成报废等严重故障是指严重影响设备正常使用,在短期内无法排除的故障.如发动机烧瓦、曲轴断裂、箱体开裂、齿轮损坏等一般故障指影响设备正常使用,但在短期内能排除的故障.如V型带断裂、操纵手轮手柄损坏、电器开关损坏、轻微渗漏和一般紧固件松动等故障分类6.按故障表现形式分功能故障和潜在故障7.按故障形成的时间分早期故障和随时间变化的故障及随机故障8.按故障程度和形成快慢分破坏性故障和渐衰失效性故障故障的规律T1早期故障期T2随机故障期T3耗损故障期(设计、制造)(设计、零部件缺陷(耗损)维护不良、操作不当)§1.2机械零件的磨损机械零件的磨损是零件失效的主要模式,设备零件失效报废80％是由磨损引起的1.跑合（磨合）磨损阶段磨合的初期摩擦副表面具有微观波峰,使得零件间实际接触面积较小,接触应力很大,因此零件表面的塑性变形大、磨损速度快选择合理的载荷速度和润滑等参数是缩短磨合期的关键因素零件磨损的一般规律零件磨损的一般规律2.稳定磨损(正常工作)阶段随着磨合的进行表面粗糙峰逐渐磨平,实际接触面逐渐增大,另一方面由于塑性变形导致冷作硬化,因此磨损速率下降至稳定状态,正常磨损条件已建立,该阶段的持续时间较长合理地使用保养与维护设备是延长该阶段的关键零件磨损的一般规律3.急剧(崩溃)磨损阶段随着磨合的长期进行,实际接触面间隙逐渐增大,造成润滑条件改变,配合间隙增大,几何变形,易产生冲击等因素使磨损速率加快乃至急剧增加.此时,机械效率明显下降,精度降低,若不采取相应措施有可能导致设备故障或意外事故及时发现和修复将进入该阶段工作的零部件是关键磨损的类型根据磨损结果点蚀磨损胶合磨损擦伤磨损磨料磨损疲劳磨损粘着磨损腐蚀磨损微动磨损根据磨损机理第一节零件在常温静载下的过量变形•材料的静载性能指标有哪些?•什么是过量弹性变形失效?发生过量弹性变形的原因是什么?设计时应选择什么性能指标?•发生过量塑性变形的原因是什么?抗力指标有哪些?问题一、材料的静载性能指标•刚度和强度指标•弹性和塑性指标•硬度指标•韧性指标（放在断裂中讲）1、刚度•刚度：零构件在受力时抵抗弹性变形的能力。等于材料弹性模量与零构件截面积的乘积。•刚度越大，零构件发生的弹性变形越小。（在同样的载荷下）2、强度、弹性塑性指标试样的静拉伸过程弹性变形、塑性变形弹性变形非线性弹性变形（1）强度：材料抵抗变形或者断裂的能力比例极限sp弹性极限se屈服强度ss抗拉强度sb断裂强度sk强度指标单位：MPa（2）弹性和塑性指标弹性：材料发生弹性变形的大小。塑性：材料断裂前发生塑性变形的能力。•弹性指标：弹性能（弹性比功）m塑性指标：断后伸长率d断面收缩3硬度硬度：表征材料软硬程度的一种性能。硬度指标：物理意义与试验方法有关•滑痕法硬度值（莫氏硬度）•弹性回跳法硬度值（肖氏硬度）•压入法硬度值（工业中应用广泛）布氏硬度（HBS)淬火钢球洛氏硬度(HRC)（锥角为120°的金刚石圆锥体）维氏硬度(HV)（锥面角为136°的金刚石四棱锥体为压头二、过量变形失效1过量弹性变形及抗力指标（1）零构件发生过量弹性变形失效：Dl[Dl](拉压或者弯曲条件下）或者q[q]（扭转条件下）（2）过量弹性变形的原因：零构件的刚度不够（3）抗力指标：弹性模量E或者切变模量G2过量塑性变形及抗力指标（1）发生条件：塑性变形量超过允许变形量（2）原因：偶而过载或者零构件本身抵抗塑性变形的能力不够（3）抗力指标：比例极限、弹性极限和屈服极限总结零构件发生过弹性变形的原因：刚度不足抗力指标：弹性模量E或者切变模量G强调！金属和合金的弹性模量不能通过合金化和热处理、冷变形等方法改变。本节中所讲的材料的力学性能指标及应用刚度：在设计中，考虑构件在受力时发生的弹性变形量，需要用刚度。主要力学性能是材料的弹性模量。如镗床的镗杆、齿轮轴等弹性指标：弹性极限和弹性模量是设计弹性零件考虑的性能指标。如汽车板簧和各类弹簧等强度和塑性指标：屈服强度和塑性用于一般零件的抗断裂设计。硬度：在耐磨零件中必须考虑的性能指标。如滚珠轴承、活塞环等.第二节零件在静载和冲击载荷下的断裂问题1断裂可分为几类？韧性断裂和脆性断裂如何区分？2断裂过程分为几个阶段？韧性断裂和脆性断裂的断裂过程的区别在哪里？3什么是材料的韧性？评价材料韧性的力学性能指标有哪些？4材料韧性指标的含义及应用？一、基本概念•静载荷和冲击载荷•断裂：材料在外力作用下发生局部开裂或分裂为两个或者两个以上部分的现象。•断裂的分类：脆性断裂、韧性断裂、疲劳断裂、过载断裂•断裂过程：裂纹萌生和裂纹扩展•韧性：表示材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。韧性断裂和脆性断裂的断口微观形貌韧性断口脆性断口二、冲击韧性及衡量指标1冲击韧性：材料在冲击载荷下吸收塑性变形功和断裂功的能力。是材料强度和塑性的综合表现。2衡量指标：冲击吸收功Ak冲击韧度ak(ak＝Ak/Fk)3应用：评价材料韧性的好坏，与屈服强度结合用于一般零件抗断裂设计。4低温冲击试验：(材料的韧脆转变温度TK)材料韧脆转变温度TK的确定和应用三、断裂韧性及衡量指标1断裂韧度KIC:是评定材料抵抗脆性断裂的力学性能指标，指的是材料抵抗裂纹失稳扩展的能力。单位：MPa·m1/2或者MN·m-3/22应用（判断构件是否安全，合理选材）KIKIC构件安全KIKIC构件发生脆性断裂KI＝KIC构件发生低应力脆性断裂的临界条件3应用场合：主要用于高强度钢制造的飞机、导弹和火箭的零件，或者是用中低强度钢制造气轮机转子、大型发电机转子等。四、影响脆性断裂的因素•温度和加载速度•应力集中•零件尺寸总结•材料的断裂分为：韧性断裂和脆性断裂•材料的韧性指标：冲击吸收功、冲击韧度、材料韧脆转变温度和断裂韧度，前三个用于评价材料韧性的好坏；断裂韧度可用于材料抵抗低应力脆性断裂的设计。•材料的以上韧性指标均可用合金化和热处理等方法改变。第三节零件在交变载荷下的疲劳断裂问题1什么是疲劳断裂？2疲劳断口由哪几个部分组成？3疲劳抗力指标有哪些？在设计中如何使用这些指标？一、基本概念1交变载荷：载荷大小和方向随时间发生周期变化的载荷。2疲劳断裂：金属零件在交变载荷下经过长时间工作而发生断裂的现象成为疲劳断裂。3疲劳断裂过程：裂纹萌生、疲劳裂纹扩展、最终瞬间断裂。二、疲劳断口的特点疲劳断口示意图疲劳源区和疲劳裂纹扩展区的微观形貌一个疲劳源两个疲劳源微裂纹疲劳条纹疲劳裂纹扩展区疲劳源区三、疲劳抗力指标1无裂纹构件的疲劳抗力指标：疲劳极限过载持久值疲劳极限：材料经过无限次应力循环不发生断裂的最大应力。对应于疲劳曲线上水平部分对应的应力值。疲劳曲线图1－11两种类型的疲劳曲线a)钢铁材料b)部分有色金属（如铝合金）条件疲劳极限疲劳极限过载持久值：材料在高于疲劳极限的应力作用下发生疲劳断裂的循环周次。高周疲劳：Nf105低周疲劳:Nf1052带裂纹构件的疲劳抗力指标裂纹扩展速率（da/dN)疲劳裂纹扩展门槛值(DKth）四、影响疲劳抗力的因素1载荷类型2材料本质3零件表面状态4工作温度5腐蚀介质五、减少断裂失效的措施1优化零件形状结构设计,合理选择零件材料2合理选择零件加工方法3安装使用方面总结1疲劳断裂是零构件常见的一种失效形式，它是一种脆性断裂，危害很大。2无裂纹零构件设计中常用的疲劳抗力指标是疲劳极限、过载持久值和疲劳缺口敏感度。工作应力s疲劳极限，构件不发生疲劳断裂。工作应力s疲劳极限，构件在一定的周次下断裂，该周次称为过载持久值。工作应力越大，过载持久值越低。3疲劳断口上可清楚显示疲劳裂纹源、疲劳裂纹扩展区和最后断裂区。所以，根据断口就可判断是否发生疲劳断裂。第四节零件的磨损失效本节主要讲粘着磨损、磨粒磨损和疲劳磨损的发生过程、机理以及防止措施。一、磨损的基本概念1产生磨损的条件2磨损的定义：在摩擦过程中零件表面发生尺寸变化和物质耗损的现象叫做磨损。二、磨损的过程和机理1粘着磨损（1）又称咬合磨损，在滑动摩擦条件下，摩擦幅的接触面发生金属粘着(冷焊)，在随后的相对滑动中粘着处被破坏，有金属屑粒被拉拽下来或者是金属表面被擦伤或相互之间发生材料迁移的一种磨损形式。（2）过程滑动（3）粘着磨损的特点：磨损速度大；破坏严重。（4）防止措施合理选材，摩擦幅配对材料选用硬度差较大的异类材料；例如蜗杆用40Cr,蜗轮用铜材;提高表面硬度；合理设计减小接触压应力；减小表面粗糙度。局部粘着粘着处被撕掉金属表面被划伤或者金属屑粒脱落或迁移2磨粒磨损（1）定义：又称磨料磨损，在滑动摩擦时零件表面存在硬质磨粒(例空气中的尘土、磨损造成的金属微粒、切屑等)，使磨面发生局部塑性变形，磨粒嵌入、磨粒切割金属表面从而使两个表面的一面或两面的材料发生转移而导致零件表面逐渐损耗的一种磨损。（2）过程金属表面发生局部塑性变形磨粒嵌入金属表面，切割金属表面表面被划伤(3)磨粒磨损的特点磨料磨损的过程实质上是零件表面在磨粒作用下发生局部塑性变形，磨粒嵌入(切削)与断裂的过程。磨粒对零件表面的作用力分为垂直于表面与平行于表面的两个分力。垂直分力塑性材料:表面产生密集的压痕,最终疲劳破坏脆性材料:表面不变形,产生脆性破坏水平分力塑性材料:以耕犁为主,表面被切下一条切屑,犁沟两侧材料隆起脆性材料:以微切削为主,表面被切下许多切屑产生脆性破坏（4）防止措施提高表面硬度（从选材方面）；减少磨粒数量（从工作状况方面）。3接触疲劳（疲劳磨损，麻点磨损）（1）定义：零件工作面作滚动或滚动加滑动摩擦时，在交变接触压应力的长期作用下引起的表面疲劳剥落破坏的现象。（2）过程：类似于疲劳断裂，是裂纹萌生和扩展过程。（3）主要防止措施提高材料硬度；