分项目一 零部件的失效与修复[1]

分项目一零部件的失效与修复项目二机械零部件修理在化工设备检修工作过程中，为了降低生产成本、节约原材料并恢复机械零件的工作性能，对磨损、损伤和腐蚀的机械零件进行修理有十分重要的意义。机械设备在正常工作过程中，相互接触的零部件在相对运动时必然要产生摩擦，而摩擦会导致磨损，使得机械零件的几何尺寸和几何形状发生改变、配合件之间的间隙增大。在某些不正常的工况下，机械零件还会产生机械损伤，例如裂缝、断裂和弯曲等。机械零件由于环境的影响还会产生腐蚀，使得金属材料的力学性能（如强度、韧性、疲劳强度等）降低。一、零部件的失效形式失效定义：是指机器的一个零件或部件，在正常或非正常的工作情况下，导致它不能按原设计完成它应有的功能的现象。化工机械零部件的失效是指符合下列三种情况之一的现象。①完全失去原定的功能。如压力容器及管道的破裂或轴的断裂等。②虽还能运行，但已部分失去原有功能或不能良好地达到原定的功能。如压缩机气缸的磨损、滑动轴承的间隙过大，容器管道发生密封泄漏等。③虽还能运行，但已严重损伤且危及安全性，使可靠性降低。如压力容器出现裂纹、严重的鼓胀变形或减薄，轴由于磨损而直径减小等。失效形式可以从不同角度分类。例如按失效（断裂）时变形的大小，按失效（断裂）时金属或合金材料在晶体中的断裂途径，按失效机理等分类。较为合适的分类方法是将失效分为：过度变形失效，断裂失效和表面损伤失效三大类，①过度变形失效虽未引起结构的破坏，但只要变形超过限度也应判为失效。例如轴类零件过度伸长或弯曲变形，则应判为过量塑性变形失效。过度变形主要与强度或刚度不足有关。②断裂失效可进一步分为5种类型。这是从断裂表现出的性态（脆断或韧断）、或引起断裂的原因（载荷、环境等）、或断裂的机理（解理、疲劳、蠕变等）进行综合考虑的混合分类方法，也是最常采用的习惯分类方法。③表面损伤失效主要分为磨损和表面腐蚀两类。表面损伤失效既涉及到载荷、应力（接触应力）和介质的性质，也与材料的有关性能有关。化工机械失效形式的分类分类：根据产生的原因和磨损过程的本质，磨损可分为磨粒磨损、黏着磨损、疲劳磨损和腐蚀磨损。（1）磨粒磨损定义：当有硬质微粒（尘埃、砂粒、金属屑）进入摩擦表面时，由于它们对表面的刮伤作用引起的磨损叫磨粒磨损。例如，金属表面凸凹不平的沟纹之间互相咬合，摩擦面上必然发生接触点的互相“切割”作用，导致金属屑脱落而产生磨损，脱落的金属屑又夹在摩擦面之间形成“磨粒”对金属表面研磨而加快磨损。通常所说的磨损主要指这种磨损。（一）磨损定义：磨损是机械零件在工作过程中，由摩擦引起的零件表面层材料的破坏。产生原因：由于机械零件互相摩擦，在正常情况下总会导致形状、尺寸和表面质量变化而损坏。但如果零件制造不良，保养、润滑不善，则更会加快零件的磨损，加速损坏。（2）黏着磨损由于摩擦表面凸凹不平，在相对运动和一定载荷作用下，接触点产生瞬时高温和高压而发生黏着，这些黏着点在相对运动时又被撕裂，使金属表面更加不平，然后出现黏着、撕裂、再黏着、再撕裂的反复循环过程，从而形成黏着磨损。通常所说的“抱轴”、“烧瓦”、“拉缸”等现象就是这种磨损。黏着磨损一般出现在高速、重载而润滑不良的场合。（3）疲劳磨损当摩擦面承受周期性负荷时，在循环接触应力作用下，表层金属产生“接触疲劳”，形成微裂纹，由于润滑油的楔入，在裂纹内壁产生巨大的压力迫使裂纹加深和扩展而出现麻点剥落，即形成疲劳磨损。齿轮的齿面、滚动轴承的滚道易产生这种磨损。（4）腐蚀磨损在摩擦过程中，金属同时与周围介质发生化学反应或电化学反应，使腐蚀和磨损共同作用导致零件表面层材料的破坏，这种现象称为腐蚀磨损。根据磨损延续时间的长短，磨损又可分为自然磨损和事故磨损两类。（1）自然磨损是指机器零部件长时间在正常工作条件下均匀、逐渐产生的磨损，它并不引起机器工作能力过早地或迅速地降低，这种磨损是不可避免的自然和正常的现象。造成自然磨损的因素有零部件配合表面摩擦力的作用、冲击负荷的作用、高温氧化的作用、介质的化学和电化学腐蚀的作用等。（2）事故磨损定义：是指机器零部件在异常工作条件下，很短时间内产生的不均匀和迅速增加的磨损，由于它会引起机器工作能力迅速过早降低，甚至会突然发生机器或零件的损坏事故，所以称其为事故磨损或不正常磨损。造成事故磨损的因素有：机器构造有缺陷，零件材料的质量低劣，零件的制造和加工不良，部件或机器的装配或安装不正确，违反机器的安全技术操作规程和润滑规定，检修不及时或质量不高以及其他意外原因等。磨损的规律机械设备在工作过程中，由于各零件的材质不同，工作条件不同，其磨损量和磨损速度不相同，但从磨损的发展过程看却有着相同的变化规律。零部件的磨损变化规律如图磨损曲线所示，分为三个阶段。磨损曲线Ⅰ—初磨阶段；Ⅱ—稳定磨损阶段；Ⅲ—剧烈磨损阶段（1）初磨阶段（跑合阶段）新装配或修理后的零件摩擦表面具有一定的粗糙度，由于接触面积较小，接触点上的接触应力较高，因而刚开始工作的较短时间内，磨损速度和磨损量较大。对配合件而言，配合间隙由刚装配好的初始间隙△初始迅速增长到△初磨。这一阶段粗糙表面的凸峰被快速磨平，接触面达到良好的磨合，故又称为跑合阶段或磨合阶段。（2）稳定磨损阶段（自然磨损阶段）零件经跑合后表面粗糙度减小，实际接触面积增大，单位面积上压力减小，因而磨损速度逐渐下降并趋于稳定，配合件的间隙则由初磨间隙△初磨逐渐增大到最大的允许间隙Δ最大。在此阶段磨损量与时间基本成直线变化关系，虽然磨损速度降低了，但磨损却是不可避免的，因而又称为自然磨损阶段。（3）剧烈磨损阶段（事故磨损阶段）经过较长时间的稳定磨损后，由于摩擦面之间的间隙达到最大允许间隙后会使冲击增大而破坏润滑油膜，同时由于表面形状的改变以及表面疲劳等影响使磨损速度剧烈增大而进入剧烈磨损阶段。此时机械效率下降，精度降低，摩擦面温度急剧上升，出现异常的噪声和振动，若不及时停车修理则会导致事故发生。因此，剧烈磨损阶段又称为事故磨损阶段。磨损的影响因素与减少磨损的措施（1）润滑对磨损的影响配合件的磨损是由于接触面的相对摩擦引起的，为了减小摩擦，可在摩擦面之间加入润滑剂，使原来直接接触的表面相互隔开，从而降低磨损。当两摩擦面之间充满了液体润滑剂——润滑油，使两表面完全隔开时，称之为液体摩擦，此时配合件的磨损最小。因此，在摩擦表面间建立液体摩擦是减少磨损的主要措施。（2）零件表层材料的性质对磨损的影响零件表层材料的硬度和韧性是影响耐磨性的主要因素。增加硬度，可以提高材料表面层的耐磨性；增加韧性，可以防止或减少磨粒的产生，提高耐磨性；增加化学稳定性，可以减少腐蚀磨损；增加孔隙度，可以蓄积润滑油，从而减少机械磨损。在制造和检修工作中，减少零部件磨损和提高耐磨性的措施有以下内容。①增加零部件表面层材料的硬度，在提高表面硬度的同时还应使材料保持足够的韧性。②应用减磨合金（如巴氏合金、青铜和耐磨铸铁等）减少磨损。③在具有强力散热装置的条件下，用诸如层压酚醛塑料、尼龙、聚酰亚胺、填充聚四氟乙烯等非金属抗磨材料制造零件。④增加材料的孔隙度。如用金属粉末压制、烧结成的粉末冶金制造零件。（3）表面加工质量对磨损的影响表面加工质量对磨损的影响主要指加工表面的粗糙度。一般来说，零部件表面的加工质量越高、表面粗糙度越适宜，对提高耐磨性越有利。但表面过于光滑会使润滑油不能够形成均匀的油膜（形成球状油珠），反使耐磨性变差。（4）工作条件对磨损的影响零件的工作条件指单位面积的负荷、相对运动的方式与速度、工作温度的高低和摩擦面运动的性质等。一般情况下，单位面积的负荷增大、相对运动速度的增大等往往会增加零件的磨损速度。此外，环境的清洁状况和温度等对磨损的影响也很大。（5）安装修理质量对磨损的影响在机器装修过程中，不正确的安装方法、不良的安装与维修质量，都能引起单位面积的负荷分布不均匀或增加附加负荷，造成机器运转不灵活，产生噪声、振动等，因而使磨损加速。（6）维护、保养的影响及时维护、保养对摩擦组合件的作用有两个方面的影响：一是能防止和减少摩擦副的磨损；二是可以消除磨损引起的故障和事故隐患。（二）机械损伤机器零件在不正常工作情况下会产生裂缝、断裂、变形与弯曲等机械损伤。1．断裂与裂纹机器零件的断裂与裂纹是一种常见的机械损坏形式。按其原理主要可分为韧性断裂、脆性断裂和疲劳断裂等几种。（1）韧性断裂失效金属构件超载时会发生塑性变形，使宏观尺寸发生明显变化。当其应力增大到材料的抗拉强度时，结构便出现断裂失效。一般将发生过明显塑性变形之后的断裂称为韧性（或称延性）断裂失效，其产生的主要原因是零件超载运行或受到了冲击的作用。（2）脆性断裂失效脆性断裂失效主要是指构件、设备在没有发生塑性变形时就发生断裂。基本原因主要包括两种情况：一是由于材料的脆性转变而引起的脆断；二是由于构件出现了严重的缺陷（如裂纹），导致发生低应力水平下的脆断。脆断有时也伴有其他因素，如加载速度、构件的应力集中和三向应力状态、残余应力（特别是焊接残余应力）、风雪与地震载荷，这些均可能是脆断的诱发因素。（3）疲劳损伤和疲劳断裂失效疲劳损伤必是和交变载荷相联系的，通常又和结构的应力集中有密切关系。在长期交变载荷下，齿轮、轴承、轴等零件都会产生疲劳裂纹而造成表面剥落或折断。使用中振动造成的附加载荷、润滑不当、零件表面缺陷或修理质量或加工质量不同等均会使某些部位局部峰值应力过高，甚至超过材料的屈服极限，这些均能加速疲劳破坏的产生。由于发生疲劳断裂时，零件所承受载荷的应力值远远低于其抗拉强度，且断裂的发生具有突然性，往往带来的危害性较大。2．变形与弯曲设备在工作中，当外载荷所引起的应力超过零件材料的屈服极限时，零件产生永久变形。零件在制造过程中残留的残余应力，也能在零件产生变形或脆性断裂中起重要的作用。其体现为零件形状的改变（如弯曲、扭转变形等）或尺寸的变化（如直径的增大或缩小、长度的伸长或缩短等）。零件的变形则会使零部件配合性质发生变化、原有的旋转失去平衡等，极易造成机器的振动，严重时还会导致事故的发生。（三）腐蚀定义：腐蚀是材料与周围介质作用引起的破坏或变质。腐蚀原因：化工设备和强腐蚀性介质如酸、碱、盐等接触，化工生产过程常在强化的条件下如高温、高压、高流速等条件下进行，这些条件又强化了腐蚀的作用，金属表面因受介质腐蚀产生溃疡、深洼、斑点等局部缺陷而损坏。分类：按腐蚀的形式，腐蚀可分为全面腐蚀（均匀腐蚀）和局部腐蚀两大类。局部腐蚀是指腐蚀集中在金属表面的一定区域，而其他区域几乎不受腐蚀或腐蚀很轻微，这种腐蚀包括点蚀、晶间腐蚀、冲蚀、缝隙腐蚀、沉积腐蚀、疲劳腐蚀等。全面腐蚀指腐蚀分布在整个金属表面，一般比较均匀。影响腐蚀的主要因素有环境介质的温度、压力、接触时间、电位差、浓差效应、冲刷效应、应力效应以及材料的表面条件、内部杂质、热处理方法等。此外，辐射效应、生物效应以及其他方面都可能影响金属的腐蚀。二、机械零件的修复方法机械零件常用的修理方法修复技术定义：是当构成设备的零件、构件，由于磨损、腐蚀或损伤，致使其功能（形状、尺寸、强度、耐环境的能力等）下降或丧失时，根据实际情况，利用构件的完好部分，使其功能恢复的技术。分类：按修复工艺的不同，机械零件常用的修理方法分类如图所示。（一）局部修理法局部修理法是对零件的磨损和损伤部位进行局部修理或调整换位，以恢复零件使用能力的一种方法。包括换件法、调整法、换位法、修理尺寸法、局部更换法、镶加零件法及金属扣合法等。1．换件法当零件磨损或损伤后，用新的备用零件替换原来零件的修理方法称换件法。一般（零件修复成本／修复零件的寿命）＞（新零件的价格／新零件的寿命）时采用此法。如通用螺栓螺母滑扣、法兰锈蚀损坏、气缸套损坏等，或者在检修时间内无法修复的零件，如轴的断裂、轮齿折断等均可采用换件法进行修理。2．调整法当配合件磨损后间隙达到最大允许间隙Δ最大时，只调整配合件垫片使其恢复到新装配时的初始（或公称）间隙Δ初始，而不进行加工（或只进行刮研），这种修理方法称调整法，又称垫片调整法，如图所示。调整法此法对承受冲击负荷的配合