起重机械的失效与故障

起重机械的失效（故障）和报废,失效分析基本概念及方法,故障 fault 产品不能完成要求功能的状态。预防性维护或其他计划性活动或因缺乏外部资源的情况除外。注1：故障通常是产品自身失效引起的，但即使失效未发生，故障也可能存在。注3：实际中，术语“故障”和“失效”通常作为同义词使用。失效 failure 产品完成要求功能能力的中断 注1：失效后产品处于失效状态 注2：“失效“与”“故障”的区别在于，失效是一次事件，故障是一种状态。,失效分析基本概念及方法,失效分析 为确定和分析失效机理失效原因及失效后果对失效的产品所作的系统的检查。 失效分析的基本方法包括： 宏观形貌分析、电子显微镜分析、金相分析、化学成分分析、力学性能测试、无损检测、残余应力测试等,宏观形貌分析,简便、迅速、试样尺寸不受限制，不必破坏失效零件，观察范围大，能够观察与分析失效裂纹（断裂）和零件形状的关系、断口与变形的关系、端口与受力状态的关系，能够初步判断裂纹源位置、失效性质与原因。因此该方法是失效分析中的基础方法，最方便、最常用和必不可少。,从宏观分析很难获得失效件细微结构的信息，职能从较宏观的角度上判断失效性质和原因，而且需要较丰富的经验。因此，单从宏观分析来判断失效性质及原因会不完全可靠。宏观分析法只是一种最初步、最基本的失效分析和研究方法。,用目视、放大镜和体视显微镜对失效零件进行直接观察与分析的方法。称为宏观分析法。其放大镜倍数通常规定在50倍以下。,电子显微镜分析,（1）扫描电镜分析扫描电子显微镜简称扫描电镜，它利用聚焦得非常细的高能电子束在式样上扫描，激发各种物理信息。提供这些信息的接受、放大和显示成像，以便对试样表面进行分析。 扫描电镜的试样制作简单，有的试样可以不经制作直接放入电镜内部观察。因而更接近物质的自然状态，并能迅速得到结果。,电子显微镜分析包括扫描电镜分析和透射电镜分析。,奥氏体不锈钢应力腐蚀断口,扫描电镜,电子显微镜分析,（2）透射电镜分析透射电镜用于分析金属薄膜样品，可达到零点几纳米。主要用于失效形貌观察和非金属夹杂物及析出物的物相结构分析。已成功应用到磨损和腐蚀等失效形式的分析研究中。在对一些无法解剖破坏的大的结构断裂分析中，射电投射也是重要的检测分析工具之一。,电子显微镜分析包括扫描电镜分析和透射电镜分析。,透射电镜,金相分析,金相分析是用光学显微镜来观察研究金属材料显微组织与结构的检测技术，是失效分析中最常用的一种实验观测技术。它能提供有关金属材料的基体组织、晶粒度、第二相等参数的定性和定量的观测结果，也能提供关于各种材料微观与细观缺陷的信息。,金相分析仪,碳钢热处理后的组织,化学成分分析,在失效分析中，经常需对失效零件的材料成分、外来物（如溅射附着物）、表面沉积物、腐蚀产物及氧化物等进行定性会定量分析，以便为最终的失效分析结论提供依据。,化学成分分析仪,力学性能测试,微观组织的变化一般会通过宏观的力学性能表征出来，对零部件的失效分析几乎都要测定材料的力学性能。,力学性能实验室,无损检测,通过无损检测可以查找零件（构件）的微观缺陷，方法较多，常见的无损检测方法有：射线检测、超声检测、磁粉检测、涡流检测、渗透检测等。这是失效分析的基础之一。,残余应力测试,金属构件经受各种冷热加工，其内部就会存在一定的残余应力。而残余应力的存在对材料的疲劳、耐腐蚀、尺寸稳定性都有很大的影响。因残余应力的存在导致的早期失效案例非常多。因此，有必要对残余应力进行测定。 残余应力的测定方法有：X 射线应力测定法、电阻应变法、光弹性覆膜法及声学法等。,盲孔法测试残余应力,起重机零部件的失效模式和常见失效形式,起重机械零部件（含结构件）的主要失效模式可分为磨损失效、变形失效、断裂失效、腐蚀失效等。磨损失效是起重机械使用中常见的失效模式，具体分为粘着磨损、磨料磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损和微动磨损等五种失效形式,粘着磨损,当构成摩擦副的两个摩擦表面相互接触并发生相对运动时，由于粘着作用，接触表面的材料从一个表面转移到另一个表面所引起的磨损称为粘着磨损。粘着磨损又称粘附磨损。,磨料磨损,磨料磨损又称磨粒磨损。它是当摩擦副的接触表面之间存在着硬质颗粒，或者当摩擦副材料一方的硬度比另一方的硬度大得多时，所产生的一种类似金属切削过程的磨损，其特征是在接触面上有明显的切削痕迹。磨料磨损是十分常见又是危害最严重的一种磨损。其磨损速率和磨损强度都很大，致使机械设备的使用寿命大大降低，能源和材料大量损耗。,疲劳磨损,疲劳磨损是摩擦表面材料微观体积受循环接触应力作用产生重复变形，导致产生裂纹和分离出微片或颗粒的一种磨损。,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，引起金属表面的腐蚀产物剥落，这种现象称为腐蚀磨损。它是在腐蚀现象与机械磨损、粘着磨损、磨料磨损等相结合时才能形成的一种机械化学磨损。它是一种极为复杂的磨损过程，经常发生在高温或潮湿的环境，更容易发生在有酸、碱、盐等特殊介质条件下。,微动磨损,两个接触表面由于受相对低振幅振荡运动而产生的磨损叫做微动磨损。它产生于相对静止的接合零件上，因而往往易被发现。微动磨损的最大特点是：在外界变动载荷作用下，产生振幅很小一般为 2m20m的相对运动，由此发生摩擦磨损。例如，在起重机械中常见的键联接处、过盈配合处、螺栓联接处、铆钉连接接头处等结合上产生的磨损。微动磨损使配合精度下降，紧配合部件紧度下降甚至松动，联接件松动乃至分离，严重者引起事故。此外，也易引起应力集中，导致联接件疲劳断裂。,断裂失效,起重机械由大量零部件和结构件组成，断裂是起重机械失效的基本模式之一。可分为韧性断裂、脆性断裂和疲劳断裂等三种失效形式。,韧性断裂,零件在外力作用下首先产生弹性变形，当外力引起的应力超过弹性极限时即发生塑性变形。外力继续增加，应力超过抗拉强度时发生塑性变形而后造成断裂就称为韧性断裂。,脆性断裂,金属零件或构件在断裂之前无明显的塑性变形，发展速度极快的一类断裂叫脆性断裂。它通常在没有预示信号的情况下突然发生，是一种极危险的断裂。,疲劳断裂,起重机械中的轴、齿轮、凸轮等许多零件，都是在交变应力作用下工作的。它们工作时所承受的应力一般都低于材料的屈服强度或抗拉强度，按静强度设计的标准大于标准应该是安全的。但实际中，在重复及交变载荷的长期作用下，机件或零件仍然会发生断裂，这种现象称为疲劳断裂，它是一种普通而严重的失效形式。在实际失效件中，疲劳断裂占了较大的比重，约（80-90）%。,腐蚀失效,由于有的起重机械露天作业或在化工厂长期使用，所以腐蚀失效也是起重机械零部件重要的一种失效模式。腐蚀失效可分为化学腐蚀和电化学腐蚀两种失效形式。,腐蚀,1）化学腐蚀金属表面与介质如气体或非电解质溶液等因发生化学作用而引起的腐蚀，称作化学腐蚀。化学腐蚀作用进行时没有电流产生。,2）电化学腐蚀。金属表面在介质如潮湿空气、电解质溶液等中，因形成微电池而发生电化学作用而引起的腐蚀称作电化学腐蚀。,变形失效,塑形变形失效：起重机械金属构件（如主梁等）的塑形变形达到一定程度时，将发生失稳现象，承载能力降低，影响其他部件的正常工作。,变形失效,弹性变形失效：当应力和温度引起的零件可恢复的弹性变形大到足以妨碍装备正常发挥预定的功能时，就出现了弹性变形失效起重机械的失效除上面介绍的常见模式外，还有诸如整机倾覆失效、连接松动等失效模式。起重机械零部件的失效形式更是花样众多。,起重机电器失效分析,电器的主要失效模式为：物理结构失效、性能特性失效、接触失效根据电器的特点及其主要失效模式，其失效分析方法可分为非破坏性物理结构分析、特性参数分析、表面分析等。,继电器的失效模式,1）结构失效2）特性及动作失效特性失效是指特性参数偏离正常值而对电路产生影响。吸合电压（电流）增大、释放电压（电流）减小、接触电阻增大及接触电阻不稳定、触点回跳时间增长、绝缘电阻减小。 动作失效是指产品不能可靠动作发生卡死或动作不灵活造成致命故障。触点严重电磨损在时间参数上的反映、机械环境条件作用下的触点抖动、卡死，不动作。 3）接触失效；接触失效是继电器各种失效模式的最终反应，结构，特性，触点及误用的失效最终都会影响到继电器的接触性能，其中触点的失效是直接导致接触失效的最主要原因。 4）误用失效,接触器的失效模式,1）触头灭弧系统故障 2）电磁系统故障 3）绝缘击穿或相间短路故障 4）机械故障,得电,下降1档,得电,吸合,未得电不打开,下降 1 档：上升接触器闭合，电动机定子供电，制动器接触器未闭合，电动机有电磁噪声但不转动：R1=1.33。,得电,下降2档,得电,吸合,得电打开,下降 2 档：上升接触器闭合，制动器接触器闭合，制动器打开后，电动机开始转动加速（正向转动），缓慢加速：R2=2.0,得电,下降3档,得电,吸合,得电打开,下降 3 档：上升接触器和制动器接触器保持闭合状态，制动器保持打开状态，电动机保持原速度：R3=2.86。,得电,下降4档,吸合,得电打开,下降 4 档：上升接触器失电断开，下降接触器无动作，制动器接触器保持原状态，制动器保持打开状态，电动机缓慢减速（目击溜车）。,得电,得电,下降5档,吸合,得电打开,下降 5 档：上升、下降接触器均处于打开状态，制动器接触器继续处于闭合状态，制动器处于打开状态，电动机停止转动。一级加速（电动机转子串接电阻切换）接触器闭合。,得电,得电,下降6档,吸合,得电打开,下降 6 档：上升、下降接触器均处于打开状态，制动器接触器继续处于闭合状态，制动器仍处于打开状态，一级加速接触器保持闭合状态，二、三、四级加速接触器相继闭合。,得电,得电,手柄回零,失电,吸合,未得电不打开,手柄回零：上升接触器瞬间闭合后打开，制动器接触器和一、二、三、四级加速接触器相继失电打开，制动器制动抱闸。,经分析，在接触器触点接触失效情况下，起升机构下降 1、2、3 档的逻辑基本正常，电动机按照控制逻辑正常运行；下降 4、5、6 档时，上升、下降接触器均失电断开，电动机电源被切断，电动机失去电磁转矩，此时，制动器接触器仍在闭合状态，制动器通电打开，属不正常状态。 制动器接触器线圈 ZDC 有自保回路的重大缺陷，当上升接触器或者下降接触器接通后，制动器接触器触点（ZDC15、16）闭合并自保，不再受上述二接触器的控制，只要手柄不回零档位，制动器接触器将处于闭合状态。上升接触器中与下降接触器联锁的常闭辅助触点（ZC11、12）锈蚀断开，在回馈制动状态时，造成下降接触器得不到主令的控制信号，使制动器接触器线圈自保回路的隐患显现，电动机失速。 正确的电气控制系统设计应该是：当下降接触器不能被接通时，制动器的接触器及时断电，制动器及时抱闸，系统停止运行，可避免电动机的失速，减少对制动器能力的需求，有效降低事故发生概率。,金属结构的报废,起重机械的金属结构出现以下情况时应报废： （1）主要受力构件失去整体稳定性时不应修复，应报废。 （2）主要受力构件发生腐蚀时，应进行检查和测量。当主要受力构件断面腐蚀达设计厚度的 10%时，如不能修复，应报废。 （3）主要受力构件的母材或者焊缝产生裂纹可能影响安全运行时，应根据受力情况和裂纹情况采取阻止措施，并采取加强或改变应力分布措施，或停止使用。 （4）主要受力构件因产生塑性变形，使工作机构不能正常、安全运行时，如不能修复，应报废。（5）用结构母材作为运行轨道的主要承载结构件，由于磨损致使结构承载能力降低，应当通过维修使其达到使用要求，当超过原计算应力的 15%时，如不能修复应当报废。,重点,钢丝绳的报废,1. 断丝 2. 绳股断裂3. 绳径因绳芯损坏而减小4. 外部磨损5. 弹性降低6. 内外部腐蚀7. 变形,断丝,（1）当钢丝绳断丝数达到表 3.6 或 3.7 规定的断丝数时，应报废。 （2）当在一个捻距内发现两处或多处的谷部断丝时，钢丝绳应考虑报废。 （3）吊运炽热金属、熔融金属或者危险品的起重机械用钢丝绳的断丝数达到表 3.6 或 3.7 所规定的钢丝绳断丝数的一半(包括钢丝绳表面腐蚀进行的折减) 时，应报废。 （4）防爆型起重机钢丝绳有断丝时，应报废。 （5）绳端断丝，应将钢丝绳截短（截去绳端断丝部位）再造终端。否则，钢丝绳应报废。 （6）断丝的局部聚集。如断丝紧靠在一起形成局部聚集，则钢丝绳应报废。如这种断丝聚集在小于 6d 的绳长范围内，或者集中在任一支绳股里，那么，即使断丝数比表 3.6 或表 3.7 列出的最大值少，钢丝绳也应予以报废。,绳股断裂,如果整支绳股发生断裂，钢丝绳应立即报废。,绳径因绳芯损坏而减小,绳径因绳芯损坏而减小。并引起阻旋转钢丝绳实测直径比钢丝绳公称直径减小 3%，或其他类型的钢丝绳减小 10%，即使没有可见断丝，钢丝绳也应报废,外部磨损,如果由于外部的磨损使钢丝绳实际直径比其公称直径减少 7%或更多时，即使无可见断丝，钢丝绳也应报废。,重点,弹性降低 钢丝绳出现弹性降低应报废内外部腐蚀 由于外部腐蚀侵袭及钢材损失而引起的钢丝松弛，钢丝绳应报废。有严重的内部腐蚀，钢丝绳应也报废。,变形,钢丝绳出现下列变形情况时，应报废。（1）波浪形,变形,钢丝绳出现下列变形情况时，应报废。（2）笼状畸变,变形,钢丝绳出现下列变形情况时，应报废。（3）绳芯或绳股挤出/扭曲,变形,钢丝绳出现下列变形情况时，应报废。（4）钢丝挤出,变形,钢丝绳出现下列变形情况时，应报废。（5）绳径局部增大,变形,钢丝绳出现下列变形情况时，应报废。（6）局部压扁,变形,钢丝绳出现下列变形情况时，应报废。（7）扭结,变形,钢丝绳出现下列变形情况时，应报废。（8）弯折 （9）受热或电弧引起的损坏,制动器的报废,制动器的零件出现下述情况之一时，其零件应更换或制动器报废： 1. 驱动装置（1）磁铁线圈或电动机绕组烧损； （2）推动器推力达不到松闸要求或无推力。 2. 制动弹簧（1）弹簧出现塑性变形且变形量达到了弹簧工作变形量的 10%以上； （2）弹簧表现出现 20%以上的锈蚀或有裂纹等缺陷的明显损伤。 3. 传动构件（1）构件出现影响性能的严重变形； （2）主要摆动铰点出现严重磨损，并且磨损导致制动器驱动行程损失达原驱动行程 20%（对塔式起重机为 10%）以上时。,制动器的报废,制动器的零件出现下述情况之一时，其零件应更换或制动器报废： 4. 制动衬垫（1）铆接或组装式制动衬垫的磨损量达到衬垫原始厚度的 50%； （2）带钢背的卡装式制动衬垫的磨损量达到衬垫原始厚度的 2/3； （3）制动衬垫表面出现炭化或剥脱面积达到衬垫面积的 30%； （4）制动衬垫表面出现裂纹或严重的龟裂现象。,重点,制动器的报废,5. 制动轮出现下述情况之一时，应报废：（1）影响性能的表面裂纹等缺陷； （2）起升、变幅机构的制动轮，制动面厚度磨损达原厚度的 40%； （3）其他机构的制动轮，制动面厚度磨损达原厚度的 50%； （4）轮面凹凸不平度达 1.5mm 时，如能修理，修复后制动面厚度应符合对制动面厚度磨损控制要求。,重点,齿轮与减速器的报废,锻造吊钩的报废,（1）吊钩的表面存在裂纹时，应报废。 （2）对采用 GB/T10051.1起重吊钩 第 1 部分：力学性能、起重量、应力及材料规定的新材料制造的吊钩，开口变形达原尺寸的 10%时，应报废；其它吊钩的开口变形达原尺寸的 15%时，应报废。（3）检查吊钩危险断面的磨损量，当其实际尺寸小于原尺寸的 90%（对采用 GB/T10051.1起重吊钩 第 1 部分：力学性能、起重量、应力及材料规定的新材料制造的吊钩为 95%）时，应报废。磨损缺口和缺损必须圆滑地磨去，但不