第6章机器设备寿命估算

第六章机器设备寿命估算第1节概述第2节磨损寿命第3节疲劳寿命理论及应用第4节损伤零件寿命估算第1节概述机器设备的寿命是指设备从开始使用到淘汰的整个时间过程。导致设备淘汰的原因，可能是由于自然磨损使得设备不能正常工作，或技术进步使得设备功能落后，或经济上不合算等。设备的寿命分：自然寿命、技术寿命和经济寿命。一、自然寿命自然寿命(物理寿命、使用寿命)，指设备在规定的使用条件下，从投入使用开始到因物质损耗而报废所经历的时间。自然寿命受有形磨损影响，引起设备有形磨损的原因很多，如摩擦损耗、疲劳损耗、腐蚀、蠕变、冲击、温度、日照、霉变等。简单机器可能只受一种形式的损伤，其自然寿命一般根据所受损伤的形式来计算。以摩擦损耗为主的机器，自然寿命是根据其磨损寿命确定；受疲劳载荷作用的机器设备，自然寿命是根据疲劳寿命来确定。复杂机器往往同时承受多种损伤。对设备的正确使用、维护和修理可以延长其自然寿命。反之，使用不当、不良的维护和修理会缩短设备的自然寿命。二、技术寿命技术寿命：设备从投入使用到因技术落后而被淘汰所经历的时间。第Ⅱ种无形磨损可以缩短技术寿命，设备通过现代化改造可以延长其技术寿命。（二）无形磨损无形磨损指由于科技进步而不断出现性能更加完善、生产效率更高的设备，使原有设备价值降低；或生产相同结构的设备，由于工艺改进或生产规模扩大等原因，使得其重置价值不断降低，导致原有设备价值的贬值。1.第Ⅰ种无形磨损：由于相同结构设备重置价值的降低而使原有设备价值的贬值。2.第Ⅱ种无形磨损：由于出现性能更加完善、效率更高的设备而使原有设备在技术上显得陈旧和落后所产生的无形磨损。三、经济寿命经济寿命：指设备从投入使用到因继续使用不经济而退出使用所经历的时间。经济寿命受有形磨损和无形磨损的共同影响。设备到了自然寿命后期，由于设备不断老化，必须支出的维修费用、能源消耗费用也越来越高，依据设备的维持费用来决定设备的更新周期即为设备的经济寿命。第Ⅰ种无形磨损会引起设备更新成本的降低，因此，更新设备比维护旧设备更合算。第Ⅱ种无形磨损也会直接影响设备的经济寿命，在技术进步情况下，由于新的效率更高的设备的出现，继续使用旧设备在经济上并不合算。第2节磨损寿命磨损主要发生在具有相对运动的零部件上，如轴承、齿轮、机床轨道等，其后果是破坏零部件的配合尺寸和强度，当磨损量超过允许极限时，导致设备失效。它是机器设备实体性损耗的主要形式之一。据统计，世界上1/3以上的能源消耗在各种摩擦损耗上，80%的机器零部件是由于磨损而报废。一、磨损的基本概念磨损是指固体相对运动时，在摩擦作用下，摩擦面上物质不断耗损的现象。这种磨损是诸多因素相互影响的复杂过程，是伴随摩擦而产生的必然结果。其主要表现形式为物体尺寸或几何形状的改变、表面质量的变化。它使机器零件丧失精度，并影响其使用寿命和可靠性。主要针对第Ⅰ种有形磨损。是由于使用而发生的实物形态的磨损，它发生在具有相对运动的零部件之间，比如：轴和轴承之间、齿轮牙齿的磨损、机床的导轨。磨损的原因：一是相对运动，二是摩擦，其影响后果是破坏了零部件配合尺寸和强度，当磨损量超过允许极限的时候，会导致设备的失效。(一)正常的磨损过程分为三个阶段：即初期磨损阶段(第Ⅰ阶段)、正常磨损阶段(第Ⅱ阶段)和急剧磨损阶段(第Ⅲ阶段)。二、典型的磨损过程其中S是轴和孔之间的间隙。1.初期磨损阶段(第Ⅰ阶段)：（1）这一段是从01到A，即初期磨损阶段，也就是我们通常所说的磨合期。刚开始时，轴和孔之间的间隙是001，即Smin，到达A点时，成为S0，磨损是S0-Smin，时间是△t1。（2）特点：零部件表面的宏观几何形状和微观几何尺寸都发生明显变化，磨损速度很快。2.正常磨损阶段(第Ⅱ阶段)：（1）这个阶段从A点到B点，对应的时间是△t2。（2）特点：磨损进入正常期，磨损速度比以前要缓慢，磨损情况较稳定，磨损量随时间均匀的增加，二者成线性关系，或者是成正比例关系，也就是说曲线中的AB段是一条斜直线。3.急剧磨损阶段(第Ⅲ阶段)：（1）就是B点以后的阶段。（2）特点：由于零部件已经达到它的使用寿命而继续使用，破坏了正常磨损关系，于是磨损速度大大加快，磨损量急剧上升，造成机器设备的精度、技术性能和生产效率明显下降。由设备磨损规律的分析可知：1.如果设备使用合理，加强维护，可延长设备正常使用阶段的期限，保证加工质量并提高经济效益。2.对设备应该进行定期检查。为了避免使设备遭到破坏，在进入第三阶段之前就进行修理，不是等到发生急剧磨损后才修理。3.机器设备在第二阶段的磨损与时间或加工零件的数量成正比，因此设备的磨损可通过试验或统计分析方法，计算出正常条件下的磨损率和使用寿命。（二）磨损方程磨损方程把磨损量和时间的关系用函数关系定量的表示出来。1.第Ⅰ阶段磨损方程（1）特点：时间很短，磨损快。一般将曲线简化为直线；（2）方程：式中：S－配合间隙；Smin－最小配合间隙，也就是初始间隙；S0－第Ⅰ阶段结束时的配合间隙；△t1－第Ⅰ阶段磨损时间。2.第Ⅱ阶段磨损方程（1）第Ⅱ阶段所对应的磨损曲线AB段基本上为一条直线。（2）对应的磨损曲线方程式为：式中：Smax－最大磨损极限；△t2－第二阶段磨损时间。注意：（1）Smax叫做最大配合间隙更合适一些，就是磨损到正常寿命结束的时候，最大的间隙是多少。最大磨损极限应该是：Smax-Smin。（2）tgα，即直线的斜率叫做磨损强度，等于单位时间磨损的厚度，磨损强度越大，表明材料耐磨性越差。零件进入急剧磨损阶段后，就不能正常使用，必须进行修复或者更换，故没有第三阶段的磨损方程。3.简化的磨损方程方程：由于第一阶段，即初期磨损阶段，这段时间很短，如忽略不计，就得到了这个简化的磨损方程。（三）磨损寿命1.设备的正常寿命T是第一阶段和第二阶段时间之和。T=△t1+△t22.简化后式中：△smax—最大允许磨损量s0—第Ⅰ阶段结束时的配合间隙（四）磨损率磨损率是指实际磨损量和极限磨损量之比。用αm表示。式中：αm——磨损率；Δs——实际磨损量。三、剩余磨损寿命的计算对以磨损为主的机器或零部件，可以根据磨损曲线计算其剩余磨损寿命或磨损率。对新机器或零部件磨损寿命的估算，首先要确定材料的磨损强度tgα和最大磨损极限smax，则设备总的磨损寿命为：T=(smax－so)/tgα=Δsmax/tgα对在用机器设备的磨损强度可根据历史数据估算，首先应确定实际磨损量Δs、已运行时间Δt，根据上述参数估算磨损强度tgα:tgα=Δs/Δt然后根据磨损方程计算剩余磨损寿命Ts：Ts=(Δsmax－Δs)/tgα[例1]已知磨损强度为每年0.5mm，设备运行三年后，磨损率为1/4，计算设备的剩余寿命和极限磨损量。解：总寿命为：年剩余寿命为：12－3=9年实际磨损量为：3×0.5=1.5mm极限磨损量为：12×0.5=6mm例2.某起重机卷筒主要损耗形式是钢丝绳与卷筒摩擦对卷筒的磨损。该卷筒原始壁厚20mm，现在壁厚为18.5mm。根据起重机卷筒的报废标准，筒壁最大磨损允许极限是原筒壁厚度的20%，该起重机已运行4年，估算卷筒的剩余磨损寿命和磨损率。解:(1)该卷筒极限磨损量ΔSmax：ΔSmax=20mm×20%=4(mm)(2)该卷筒实际磨损量Δs:Δs=20mm-18.5mm=1.5(mm)(3)磨损强度tgα：tgα=Δs/Δt=(20-18.5)/4=0.375(mm/年)(4)剩余磨损寿命Ts:Ts=(Δsmax-Δs)/tgα=(4-1.5)/0.375=6.67(年)(5)磨损率:αm=Δs/Δsmax=1.5/4=37.5%第3节疲劳寿命理论及应用一、基本概念(一)应力应力是机械零件的材料内任一点处由于外力作用或不均匀加热或永久变形产生的单位截面积上的内力。应力用内力与截面积的比值表示。应力在垂直于截面方向的分量：正应力(法向应力),用σ表示；在平行于截面方向的分量：切应力(剪应力),用τ表示。重点内容，甚至是全书的重点。（一）应力假设一根粉笔，两端用手一拉，就断了，这说明粉笔中间有力在传递，如果没有力就不会断裂，粉笔内部有力量就叫内力。这个内力的大小还不足以决定是否是粉笔会发生断裂破坏，但是应力的大小是破坏的主要依据。1.内力：物体的一部分对另一部分的机械作用。2.应力：应力就是单位面积上的内力。σ:正应力，法向应力，与截面垂直Τ:切应力，剪应力，与截面平行正应力和切应力是度量零件强度的两个物理量，常用单位：兆帕（MPa）。正应力表示零件内部相邻两截面间拉伸和压缩的作用；切应力表示相互错动的作用。正应力和切应力的向量和称为总应力。（二）应变1.应变是外力作用引起的形状和尺寸的相对改变。2.注意：第一，形状改变比如铆钉受剪切力作用后，截面由圆形变为椭圆形或不规则的形状，尺寸的改变比如杆受拉后伸长，受压后缩短；第二，应变和变形不同，变形量是绝对量，如伸长了1毫米，而应变是伸长量与原来长度的比值，没有单位。3.当外力去掉以后，如果物体的变形能完全消除，物体能完全恢复到原来的状态，就是原来的尺寸和形状，那么这就叫做弹性应变；如果只能部分恢复到原来的状态，那么残留下来的那一部分变形称为塑性变形。相应的应变就叫塑性应变。也叫残余变形。与正应力对应的是线应变，与切应力对应的是角应变。（三）材料强度一般，决定材料的强度，就用这种材料制成一定尺寸、一定粗糙度的光滑的试件，也叫试样、试棒。然后在相应的材料试验机上做试验。低碳钢试棒在受轴向静拉力时，轴向负荷P与绝对轴向变形Δl的关系曲线，图8-2。1.负荷较小时，材料的轴向变形与负荷成线性关系；负荷超过Pp后，呈非线性关系。保持线性关系的最大负荷为比例极限负荷Pp。与该点相对应的应力称为比例极限σp，也就是应力与应变为线性关系的最大应力。2.负荷小于Pe时，材料的变形为弹性变形，大于Pe时则产生塑性变形，与该点相对应的应力为弹性极限σe。3.当负荷增大到一定值时，在负荷不增加或减小的情况下，试样还继续伸长，这种现象叫屈服。屈服阶段的最小负荷是屈服点的负荷Ps，与之对应的应力称为屈服极限σs。对没有出现明显屈服现象的材料，用产生0.2%残余变形的应力作为条件屈服极限。4.当负荷达到一个最大值Pb，试样的某一截面开始急剧缩小，致使负荷下降，该负荷为强度极限负荷。与之相对应的应力称为强度极限或抗拉强度σb。它是材料拉断前的最大应力。5.当负荷达到PK时，试样断裂。这个负荷称为断裂负荷。屈服极限σs、强度极限σb是评价材料静强度的重要指标。6.小结：（1）比例极限σP：是应力和应变、力和变形成线性关系的最大应力；（2）弹性极限σe：保持弹性变形的最大应力，超过它就不再仅仅是弹性变形，还有塑性变形；（3）屈服极限σs：是开始出现屈服现象的应力，所谓屈服，就是负荷不再增加，但试件还在继续伸长的这种现象，有一些材料，比如铸铁，高强度钢，没有明显的屈服现象，那我们就以产生0.2%残余变形的应力作为条件屈服极限。（4）强度极限σb：是指材料拉断前的最大应力，也叫做抗拉强度；（5）试件断裂处的负荷叫做断裂负荷。其中，必须掌握的就是屈服极限σs和强度极限σb，这是评价材料静强度的重要指标。（四）许用应力1.定义：许用应力是机械设计中，允许零件或构件承受的最大应力值。除了考虑屈服极限，而且还要考虑生产的安全性。2.公式：(1)对于塑性材料(大多数结构钢、铝合金等)，(2)对于脆性材料(高强度钢、铸铁等)，ns、nb是安全系数。注意：第一，最大应力小于许用应力；第二，许用应力，不同的材料公式是不同的；第三，安全系数是大于1的数，不同的行业是不同的，大的可以到10。ns、nb是不等的。[例3]45号钢制圆杆承受拉伸载荷Q＝5×104N，材料的屈服极限σs=300Mpa，安全系数ns=4，试计算该圆杆的直径。可取圆杆的直径为30mm。注意：第一，实际是等于29.13×10-3m，即上述答案。第二是