第一章机电设备故障及零部件失效机理

机电设备故障及零部件失效机理上午11时46分机电设备维修技术1机电设备故障诊断与维修技术高等教育出版社电气控制系王志坚机电设备故障及零部件失效机理上午11时46分机电设备维修技术2第一节概述一、故障的定义二、故障的分类三、故障的规律机电设备故障及零部件失效机理上午11时46分机电设备维修技术3一、故障的含义什么是故障？故障—机电设备全部或部分丧失原有的功能。故障诊断—在机电设备运行中，根据设备的故障现象，在掌握机电设备各部分工作原理的前提下，对现行的状态进行分析，并辅以必要检测手段，查明故障的部位和原因。提出有效的维修对策。机电设备故障及零部件失效机理上午11时46分机电设备维修技术4一、故障的含义故障研究的目的：1)查明故障模式2)追寻故障机理3)探求减少故障的方法4)提高机电设备的可靠程度和有效利用率。机电设备故障及零部件失效机理上午11时46分机电设备维修技术5一、故障的含义故障的两层含义：1）机械系统偏离正常功能—形成的主要原因是机械系统的工作条件不正常引起的，可以通过调节参数、修复零部件消除故障，使得设备恢复正常。2）功能失效—系统连续偏离正常功能，并且偏离程度不断加剧，使得设备基本功能得不到保障，一般零件失效可以更换，关键零件失效会导致整机功能丧失。机电设备故障及零部件失效机理上午11时46分机电设备维修技术6关于功能失效的基本概念：1）失效的原因：零件失去设计所要求的效能（功能）。2）失效的模式：即失效的外在表现形式。常见的失效形式主要有磨损、腐蚀、过量变形、断裂3）失效的机理：失效的物理、化学、机械等变化的过程和内在原因的实质。一、故障的含义机电设备故障及零部件失效机理上午11时46分机电设备维修技术7一、故障的含义机电设备故障及零部件失效机理上午11时46分机电设备维修技术8故障诊断的基本方法(与医学方法的对比)医学诊断方法设备诊断方法原理及特征信息中医：望闻问切听摸看闻通过形貌、声音、温度、颜色的变化来诊断听心率做心电图振动与噪声监测通过振动大小与变化规律来诊断量体温温度检测观察温度变化验血验尿油波分析观察物理化学成分及细胞形态的变化量血压应力应变测量观察压力或应力变化问病史查阅技术档案资料找规律查原因做判别X射线超声波检查非破坏性检测(裂纹)观察内部肌体缺陷机电设备故障及零部件失效机理上午11时46分机电设备维修技术9二、故障的分类1.按故障性质分：1）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2）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机电设备故障及零部件失效机理上午11时46分机电设备维修技术10二、故障的分类2.按故障程度分：1）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)2）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)机电设备故障及零部件失效机理上午11时46分机电设备维修技术11二、故障的分类3.按故障形成速度分1）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2）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机电设备故障及零部件失效机理上午11时46分机电设备维修技术12二、故障的分类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。机电设备故障及零部件失效机理上午11时46分机电设备维修技术13二、故障的分类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机电设备故障及零部件失效机理上午11时46分机电设备维修技术14二、故障的分类6.按故障表现形式分功能故障、潜在故障。7.按故障形成的时间分早期故障、随时间变化的故障、随机故障。8.按故障程度和形成快慢分破坏性故障、渐衰失效性故障。机电设备故障及零部件失效机理上午11时46分机电设备维修技术15二、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)故障率浴盆曲线机电设备故障及零部件失效机理上午11时46分机电设备维修技术16第二节机械零件的磨损世界近一半的能源——摩擦和磨损80%零件的失效——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％是由磨损引起的机电设备故障及零部件失效机理上午11时46分机电设备维修技术17第二节机械零件的磨损两个物体接触——摩擦——磨损磨损：微观和动态的过程：1）外形和尺寸变化2）其他各种物理、化学和机械的变化通常将磨损分为粘着磨损、磨料磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损、微动磨损五种形式。机电设备故障及零部件失效机理上午11时46分机电设备维修技术18一、磨件磨损的一般规律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。磨损特性曲线机电设备故障及零部件失效机理上午11时46分机电设备维修技术19一、磨件磨损的一般规律磨损特性曲线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机电设备故障及零部件失效机理上午11时46分机电设备维修技术20一、磨件磨损的一般规律磨损特性曲线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机电设备故障及零部件失效机理上午11时46分机电设备维修技术21二、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机电设备故障及零部件失效机理上午11时46分机电设备维修技术22二、磨损的类型磨料磨损又称磨粒磨损。它是当摩擦副（摩擦副就是相接触的两个物体产生摩擦而组成的一个摩擦体系）的接触表面之间存在这硬质颗粒，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，其特征是在接触表面上有明显的切削痕迹。（一）磨料磨损机电设备故障及零部件失效机理上午11时46分机电设备维修技术23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（一）磨料磨损磨料磨损的过程：机电设备故障及零部件失效机理上午11时46分机电设备维修技术24（一）磨料磨损1.磨料磨损的机理（1）微量切削：磨料磨损主要是由于磨料颗粒沿摩擦表面进行微量切削而引起的，微切削大多呈螺旋状、弯曲状或环状。（2）疲劳破坏：磨料磨损是磨料使金属表面层受交变应力和变形，使材料表面疲劳破坏，并呈小颗粒状态从表层脱落下来。机电设备故障及零部件失效机理上午11时46分机电设备维修技术25（一）磨料磨损1.磨料磨损的机理（3）压痕破坏：塑性较大的材料，因磨料在载荷的作用下压入材料的表面而产生压痕，并从表层上挤出剥落物。（4）断裂：磨料压入和划擦金属表面时，压痕处的金属要产生变形，磨料压入深度达到临界值时，伴随压入而产生的拉伸应力足以产生裂纹。机电设备故障及零部件失效机理上午11时46分机电设备维修技术262.磨料磨损的分类（一）磨料磨损机电设备故障及零部件失效机理上午11时46分机电设备维修技术273.影响磨料磨损的主要因素由于磨料磨损主要是由磨料颗粒与摩擦表面的机械作用而引起的，而影响它的因素也就取决于这两方面。（1）磨料：磨料磨损与磨料的相对硬度、形状、大小有密切关系，如下：。磨料相对于摩擦面材料硬度越大，磨损越严重；。呈棱角状的磨料比圆滑状的挤切能力强，磨损率高；。在一定粒度范围内，摩擦表面的磨损量随磨料尺寸的增加而按比例较快增长，但磨粒达到临界尺寸后，磨损量基本不变。（由于本身的缺陷和裂纹导致磨料的抗拉强度降低，容易断碎破裂）（一）磨料磨损机电设备故障及零部件失效机理上午11时46分机电设备维修技术283.影响磨料磨损的主要因素（2）摩擦表面材料：摩擦表面材料的显微组织，力学性能如硬度、断裂韧度、弹性模量等，与磨料磨损也有很大的关系。一定范围内，硬度越高，材料越耐磨；断裂韧度反应了材料对裂纹的产生和扩散的敏感性；弹性模量反映出被磨材料是否能以弹性变形的形式去适应磨料，允许磨料通过而不发生塑性变形或切削作用，避免或减轻磨损程度。（一）磨料磨损机电设备故障及零部件失效机理上午11时46分机电设备维修技术29（4）磨料磨损的防止措施a)提高表面硬度（从选材方面）；b)减少磨粒数量（从工作状况方面）。（一）磨料磨损机电设备故障及零部件失效机理上午11时46分机电设备维修技术30二、磨损的类型（二）疲劳磨损（麻点磨损、接触疲劳）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。1.疲劳磨损机理：按裂纹产生的位置，疲劳磨损的机理有两种情况：(1)滚动接触疲劳磨损滚动接触过程中，材料表层受到周期性载荷作用，引起塑性变形，表面硬化，最后在表面出现初始裂纹，并沿与滚动方向呈45°方向由表向里扩展。机电设备故障及零部件失效机理上午11时46分机电设备维修技术31（二）疲劳磨损（麻点磨损、接触疲劳）1.疲劳磨损机理：（2）滚滑接触疲劳磨损两滚动接触物体在距表面下0.786b处切应力最大，该处塑性变形最剧烈，在周期性载荷作用下的反复变形使材料局部弱化，并在该处首先出现裂纹，在滑动摩擦力引起的切应力和法向载荷引起的切应力叠加作用下，使最大切应力从0.786b(b为平面接触区的半宽度)处向表面移动。(二)疲劳磨损机电设备故障及零部件失效机理上午11时46分机电设备维修技术32(二)疲劳磨损2.影响接触疲劳磨损的主要因素：（1）材质（2）接触表面粗糙度适当降低表面粗糙度可有效提高抗疲劳磨损能力（3）表面残余内应力表层在一定深度范围内存在有残余应力，不仅可提高弯曲、扭转疲劳抗力，还能提高接触疲劳抗力，减小疲劳磨损。（过大残余应力反而有害）（4）其他因素装配精度、润滑油粘度、润滑油中的化学添加剂等含有杂质——应力集中——裂纹——降低接触疲劳寿命材料组织状态：晶粒细小、均匀，碳化物成球状且均匀分布硬度在一定范围内增加，其接触疲劳抗力将随之增大机电设备故障及零部件失效机理上午11时46分机电设备维修技术33（3）疲劳磨损的主要防止措施a.提高材料硬度；b.提高材料纯度；c.提高零件心部和表面强度；d.减小表面粗糙度。(二)疲劳磨损机电设备故障及零部件失效机理上午11时46分机电设备维修技术34(三)粘着磨损定义：当构成摩擦副的两个摩擦表面相互接触并发生相对的运动时，由于粘着作用，接触表面的材料从一个表面转移到另