机电设备故障诊断与维修 课件 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件失效机理机电设备故障诊断

与维修技术概述机械零件的磨损金属零件的腐蚀机械零件的变形1234目录Contents机械零件的断裂5概述第1节一、故障的含义从系统的观点来看，故障包含两层含义：一是机械系统偏离正常功能。其形成的主要原因是机械系统（含零部件）的工作条件不正常，这类故障通过参数调节或零部件修复即可消除，系统随之恢复正常功能；二是功能失效。此时系统连续偏离正常功能，并且偏离程度不断加剧，使机械设备基本功能不能保证，这种情况称之为失效。一般零件失效可以更换，关键零件失效，则往往导致整机功能丧失。故障状况是针对规定功能而言的。例如：同一状态的车床，进给丝杠的损坏对加工螺纹而言是发生了故障；但对加工端面来说却不算发生故障，因为这两种加工所需车床的功能项目不同。故障研究要明确以下问题故障状况随规定对象的变化而不同。规定对象是指1台单机或某些单机组成的系统或机械设备上的某个零部件。不同的对象在同一时间将有不同的故障状况，例如：在1条自动化生产线上，某单机的故障造成整条自动线系统功能丧失时，表现出的故障状态是自动线故障；但在机群式布局的车间里，就不能认为某单机的故障是全车间的故障。010203故障状况应达到一定的程度，即应从定量的角度来估计功能丧失的严重性。图1.1机电设备故障演变过程分类依据故障名称按故障性质间歇性故障永久性故障按故障程度局部性故障整体性故障按故障形成速度突发性故障渐发性故障按故障形成原因操作或管理失误形成的故障故障自然故障按故障造成的后果致命故障严重故障一般故障1.故障概率在规定时间内，机电设备发生故障的概率称为故障概率，用F（t）表示。在规定时间内,无故障地完成其规定功能的概率,称为故障概率，用R(t)表示。三、故障的规律（一）故障特征量2.故障率（1）瞬时故障率时间t时刻之前尚未发生故障,而在随后的时间内可能发生故障的条件概率，称为故障率λ(t)，又称失效率。（2）平均故障率产品在某一段时间内单位时间发生故障的概率，称为平均故障率。3.平均故障间隔期（MTBF）可修复设备在相邻两次故障间隔内正常工作时的平均时间，称为平均故障间隔时间MTBF（MeanTimeBetweenFailure）。（二）故障率曲线三、故障的规律图1.2故障率曲线机械零件的磨损第2节进入此阶段，摩擦条件发生较大变化，如润滑条件改变、零件几何尺寸发生变化、配合零件间隙增大、产生冲击载荷等使磨损速率急剧增加。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，因此运行时零件表面的塑性变形与磨损的速度很高。010203磨合阶段OA一、零件磨损的一般规律稳定磨损阶段急剧磨损阶段图1.3磨损特性曲线磨损速率小且稳定，持续时间较长。1.磨料磨损的机理摩擦副一个表面上的凸起部分和另一表面接触，或者两摩擦面间存在着硬的质点，在发生相对运动时，两个表面中的一个表面或两个表面的材料发生转移的磨损现象称为磨料磨损。形式：凿削式、高应力碾碎式、低应力擦伤式二、磨损的类型2.影响磨料磨损的主要因素（1）摩擦副

金属材料硬度越高，耐磨性越好，马氏体组织的材料耐磨性较高，而在相同硬度条件下，贝氏体又比马氏体更耐磨，同样硬度的奥氏体与珠光体相比，奥氏体的耐磨性要高得多。（2）磨料磨料磨损与磨料的粒度、几何形状、硬度有密切的关系。金属的磨损量随磨料尺寸增大而增加，但当磨料增大到一定尺寸（临界尺寸一般为60~100μm）时，磨损速率就基本保持不变了。棱角尖锐的磨料，比圆滑磨料切削能力更强，因此磨损速率较高；磨料硬度高，相对于摩擦表面材料硬度越大，磨损速率越高，磨损越严重。（3）压力对磨损的影响磨损速率与压力成正比。因为压力减小，磨料嵌入深度减小，作用在表面上的力也减小，所以磨损速率下降。

（一）磨料磨损1.疲劳磨损的机理摩擦副材料表面上局部区域在循环接触应力作用下，产生疲劳裂纹，分离出微片和颗粒的一种磨损形式。有滚动接触疲劳磨损和滑动接触疲劳磨损两种形式。滚动轴承、传动齿轮等表面间的麻点和脱落现象属于疲劳磨损。二、磨损的类型（二）疲劳磨损2.影响接触疲劳磨损的主要因素

（1）材质通常晶粒均匀、细小、碳化物成球状均匀分布的组织，其抗疲劳裂纹产生的能力较强；材料内部的缺陷，如钢中存在非金属夹杂物，则极易引起应力集中，使夹杂物边缘形成裂纹，从而降低材料的接触疲劳强度；材料硬度在一定范围内增加，其抗疲劳磨损的能力也随之增加。（2）接触表面质量减小表面粗糙度值、减小形状误差，可以均衡接触应力，从而有效提高抗疲劳磨损的能力。

（3）其他因素表面应力大小、配合间隙大小、润滑油使用过程中产生的腐蚀性介质等都对疲劳磨损产生影响。1.黏着磨损的机理摩擦副在重载条件下工作，由于润滑、运动速度、散热等原因，摩擦副表面产生极高温度，材料表面强度降低，使承受高压的表面凸起部分相互粘着，继而在相对运动中被撕裂下来，使材料从强度低的表面上转移到材料强度高的表面上，造成摩擦副的灾难性破坏。二、磨损的类型（三）黏着磨损2.影响黏着磨损的主要因素（1）摩擦副表面材料成分与组织

构成摩擦副的两摩擦表面的材料，其互溶性越好，越易形成固溶体或金属化合物，粘着倾向越大。同类金属或原子结构、晶体结构相近的材料，比性质有明显差异的材料更易发生粘着磨损。因此，在选择摩擦副的材料时应选用异种材料，且性质差异越大越好。

（2）摩擦副表面状态摩擦副表面洁净、无吸附膜，易产生粘着磨损。金属表面经常存在吸附膜，当有塑性变形后，金属滑移吸附膜被破坏，或者温度升高（一般认为达到100——200℃时），吸附膜也会破坏。吸附膜破坏后，摩擦副两表面直接接触，因此极易导致粘着磨损的发生。

1.微动磨损的机理两个接触表面之间没有宏观相对运动，但在外界变动载荷影响下却有小振幅的相对振动（振幅小于100，一般为2-20），在这种情况下，表面间产生磨损现象。微动磨损使金属表面出现麻点或沟纹，这些麻点或沟纹的周围有腐蚀产物。二、磨损的类型（四）微动磨损2.影响微动磨损的主要因素

（1）载荷微动磨损随载荷增加而增加，但当载荷超过某一临界值时，微动磨损现象随载荷的增加反而减少。原因是：当载荷低于临界值时，随着载荷增加，微凸体塑性变形增加，使产生微动磨损的区域扩大，引起磨损速度增快；而当载荷超过临界值时，表层的塑性变形与次表层的弹性变形均增加，限制了表面之间的相对振幅，降低了冲击效应，即使发生粘着也不容易剪断，中止了磨损过程。实践中，常常运用这一原理，用增大连接力或过盈量的方法来降低微动磨损。（2）材质性能提高材料硬度，合理选择摩擦副材料可以减少粘着的发生，对防止微动磨损有利。如当硬度从180HBS提高到700HV时，微动磨损可降低50%；经过喷丸、滚压、磷化、镀镉、镀铜等处理的表面，也可降低或消除微动磨损。

金属零件的腐蚀第3节

金属化学腐蚀是由单纯化学作用引起的腐蚀。当金属零件表面材料与周围的气体或非电解质液体中的有害成分发生化学反应时，金属表面形成腐蚀层，在腐蚀层不断脱落又不断生成的过程中，零件便被腐蚀了。与机械零件发生化学反应的有害物质主要是气体中的O2、H2S、SO2等及润滑油中某些腐蚀性产物。一、金属零件的化学腐蚀

影响氧化磨损的主要因素是氧化膜的致密、完整程度以及其与基体结合的牢固程度，若氧化膜紧密、完整无孔、与金属基体结合牢固则氧化膜的耐磨性就好，不易被磨掉，有利于防止金属表面的腐蚀。

电化学腐蚀是一种复杂的物理与化学腐蚀过程。它是金属与电解质物质接触时产生的腐蚀，与化学腐蚀的不同之处在于腐蚀过程中有电流产生。二、金属零件的电化学腐蚀形成电化学腐蚀的基本条件是：（1）有两个或两个以上的不同电极电位的物体或在同一物体中具有不同电极电位的区域，以形成正、负极；（2）电极之间需要有导体相连接或电极直接接触，使腐蚀区电荷可以自由流动；（3）有电解质溶液存在。

形成电化学腐蚀的基本条件

这三个条件与形成原电池的基本条件相同。

原电池的工作过程是：作为阳极的锌被溶解，作为阴极的铜未被溶解，在电解质溶液中有电流产生。电化学腐蚀原理与此基本相同。因此，电化学腐蚀可定义为是具有电位差的两个金属极在电解质溶液中发生的具有电荷流动特点的连续不断的化学腐蚀。常见的电化学腐蚀形式当金属零件或构件表面出现均匀的腐蚀组织时，称为均匀腐蚀。均匀腐蚀可以在液体、大气或土壤中产生。，均匀腐蚀01金属件的大部分表面不发生腐蚀或腐蚀很轻微，但是局部地方出现腐蚀小孔，并向深处发展的腐蚀现象。小孔腐蚀02当腐蚀介质进入这些缝隙并处于常留状态时，就会引发缝隙处的局部腐蚀。缝隙腐蚀03二、金属零件的电化学腐蚀承受交变应力的金属机件，在腐蚀环境下发生疲劳强度或疲劳寿命降低，乃至断裂破坏的现象称为腐蚀疲劳或腐蚀疲劳断裂。腐蚀疲劳04三、气蚀

当零件与液体接触并产生相对运动，接触处的局部压力低于液体蒸发压力时，就会形成气泡，这些气泡运动到高压区时，会受到外部强大的压力被压缩变形，直致压溃破裂。气泡在被迫溃灭时，由于溃灭速度高达250m/s，故瞬间可产生极大的冲击力和高温，在冲击力和高温的作用下，局部液体会产生微射流，此现象称为水击现象。若气泡是紧靠在零件表面破裂的则该表面将受到微射液流的冲击，在气泡形成与破灭的反复作用下，零件表面材料不断受到微射液流的冲击，从而产生疲劳而逐渐脱落，初时呈麻点状，随着时间延长，逐渐扩展成泡沫海绵状，这种现象称为气蚀。当气蚀严重时，可扩展为很深的孔穴，直到材料穿透或开裂而破坏，因此气蚀又称为穴蚀。

气蚀是一种比较复杂的破坏现象，它不单有机械作用，还有化学、电化学作用，当液体中含有杂质或磨粒时会加剧这一破坏过程。气蚀常发生在柴油机缸套外壁、水泵零件、水轮机叶片、液压泵等处。1．减少与液体接触的表面的振动，以减少水击现象的发生，可采用增加刚性、改善支承、采取吸振措施等方法。2．选用耐气蚀的材料，如球状或团状石墨的铸铁、不锈钢、尼龙等。3．零件表面涂塑料、陶瓷等防气蚀材料，也可在表面镀铬。4．改进零件结构，减小表面粗糙度值，减少液体流动时产生涡流现象。5．在水中添加乳化油，减少气泡爆破时的冲击力。

减轻气蚀的措施主要有：机械零件的变形第4节

弹性变形是当外力去除后，能完全恢复的那一部分变形。

材料弹性变形后会产生弹性后效，即当外力骤然去除后，应变不会全部立即消失，而只是消失一部分，剩余部分在一段时间内逐步消失，这种应变总落后于应力的现象就称为弹性后效。弹性后效发生的程度与金属材料的性质、应力大小、状态以及温度等有关，金属组织结构越不均匀，作用应力越大，温度越高，则弹性后效越大。通常，经过校直的轴类零件过了一段时间后又会发生弯曲，就是弹性后效的表现。消除弹性后效现象的办法是长时间回火，以使应力在短时间内彻底消除。一、弹性变形

塑性变形是指外力去除后不能恢复的那部分变形。

金属零件的塑性变形从宏观形貌特征上看有体积变形、翘曲变形和时效变形。体积变形是指金属零件在受热与冷却过程中，由于金相组织转变引起比容变化，导致零件体积胀缩的现象。翘曲变形就是指零件产生翘曲或歪扭的塑性变形，其翘曲的原因是零件发生了不同性质的变形（弯曲、扭转、拉压等）和不同方向的变形（空间X、Y、Z轴方向），此种变形多见于细长轴类、薄板状零件以及薄壁的环形和套类零件。二、塑性变形01设计方面02加工方面

在充分考虑机构功能和零件强度的同时，要重视零件刚度和变形问题以及零部件在制造、装配和使用中可能发生的问题。如设计时，要尽量使零件壁厚均匀，以减少热加工时的变形；要尽量避免尖角、棱角，改为圆角、倒角，以减少应力集中等。此外，还应注意新材料、新工艺的应用，以求改变传统加工工艺，减少产生变形的可能性。

对热加工毛坯，要特别注意残余应力消除问题。制造工艺中，要安排自然时效或人工时效工序，让毛坯内部的应力得到充分释放。

机械加工阶段，要分粗、精加工两个阶段进行。粗加工阶段完成后，应给零件安排一段存放时间，消除粗加工阶段产生的应力；对于高精度零件，还应在半精加工后安排人工时效，彻底消除应力。二、塑性变形减轻塑性变形危害的对策机械零件的断裂第5节

断裂是指机械零件在某些因素作用下，发生局部开裂或分裂为若干部分的现象。零件断裂后形成的断口能够真实记录断裂的动态变化过程。通过断口分析，能判断发生断裂的主要原因，从而为改进设计、合理修复提供有益的信息。按断裂的原因可将断裂分为脆性断裂、疲劳断裂、过载断裂等。

一、脆性断裂

脆性断裂零件是断裂前无明显的塑性变形，发展速度极快的一种断裂形式。脆性断裂的发生具有突然性，是一种非常危险的断裂破坏形式。（1）金属材料发生脆性断裂时，一般工作应力并不高，通常不超过材料的屈服点，甚至不超过许用应力，所以脆性断裂又称为低应力脆断。（2）脆性断裂的断口平整光亮，断口断面大体垂直于主应力方向，没有或只有微小的屈服及减薄（颈缩）现象，表现为冰糖状结晶颗粒。（3）断裂前无征兆，断裂是瞬时发生的。脆性断裂的主要特征氢脆断裂原因一、脆性断裂氢压致断：金属材料在冶炼、热处理、轧制、锻压等过程中溶解了大量氢，冷却后，材料中析出的氢分子和氢原子在内部扩散，并在材料中的微观缺陷处或薄弱处聚集，形成压力巨大的氢气气泡，在气泡处出现裂纹。随着氢扩散——聚集过程继续，气泡进一步生长，裂纹进一步扩张，直至相互连接、贯通，最后引起材料过早断裂。晶格脆化致断：材料中的固溶氢和外界渗入的氢通过晶界扩散，在晶界的薄弱处滞留、聚集，许多晶界的强度因此受到破坏。在这个过程中，氢原子的电子也会挤入金属原子的电子层中，使金属原子之间相互排斥，造成晶格之间的结合力的降低。在较低的工作应力作用下，甚至在材料自身残余应力作用下，发生脆断。氢腐蚀致断：材料在热轧、锻造或热处理等高温（200℃以上）加工中，其内部固溶氢和外界渗入的氢，与金属材料中的夹杂物及合金添加剂起反应生成高压气体，这些气体在材料内部扩散转移，晶界遭受破坏，最终导致脆性断裂。二、疲劳断裂疲劳裂纹扩展阶段：第一阶段为切向扩展阶段，即在循环应力反复作用下，表面裂纹沿最大应力方向的滑动面，向零件内部逐渐扩展。因最初的滑移是由最大剪应力引起的，故挤入槽与挤出峰原始裂纹源均与拉伸应力成±45º角方向扩展。第二个阶段为正向扩展（亚临界扩展）阶段，此阶段裂纹的扩展方向改变为沿与正应力相垂直的方向。

疲劳裂纹萌生阶段：在交变载荷作用下，材料表层局部发生塑性变形，晶体产生滑移，出现滑移线或滑移带，滑移积累以后，在表面形成微观挤入槽与挤出峰。010203最终瞬断（临界扩展）阶段：裂纹在零件上扩展深度达到一定值（临界尺寸），零件残余断面不能承受其载荷，裂纹由稳态扩展转化为失稳态扩展，整个断面的残余面积便会在瞬间断裂。根据断裂前应力循环次数的多少，疲劳断裂可分为高周疲劳和低周疲劳。高周疲劳是指断裂前所经历的应力循环次数在105以上，而承受的应力则低于材料的屈服点，甚至低于弹性极限状态下发生的疲劳，轴、弹簧等零部件的失效，一般属于高周疲劳破坏。当零部件断裂前经历的循环次数在102—105时，称为低周疲劳。低周疲劳的零部件，一般承受的循环应力较高，接近或超过材料的屈服点。

金属零件经过一定次数的循环载荷或交变应力作用后引发的断裂现象，称为疲劳断裂。机械零件使用中的断裂有80%是由疲劳引起的。（一）疲劳断裂的机理图1-6在滑移带形成的挤入槽与挤出峰二、疲劳断裂疲劳裂纹扩展区：该区是断口上最重要的特征区，常呈贝纹状或海滩波纹状。每一条纹线标志着载荷变化（如机器开动或停止）时，裂纹扩展一次所留下的痕迹。这些纹线以疲劳核心为中心向四周推进，与裂纹扩展方向垂直。疲劳断口上的裂纹扩展区越光滑，说明零件在断裂前，经历的载荷循环次数越多，接近瞬断区的贝纹线越密，说明载荷值越小。如果这一区域比较粗糙，表明裂纹扩展速度快，载荷比较大。疲劳核心区：一般出现在强度最低、应力最高、靠近表面的部位。但如材料内部有缺陷，这个疲劳核心也可能在缺陷处产生。如承受弯扭载荷的零件，表面应力最高，一般疲劳核心在表面。如果表面经过了强化处理（如滚压、喷丸等），则疲劳裂纹可移至表层以下。

零件在加工、贮运、装配过程中留下的伤痕，极有可能成为疲劳核心。疲劳核心的数目与载荷大小有关，特别是对旋转弯曲和扭转交变载荷作用下的断口，疲劳核心的数目随着载荷的增大而增多,可能会出现两个或两个以上的疲劳核心。01020