机械故障诊断—Ch02 机械故障规律与故障机理

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,Ch2,机械故障规律与故障机理,机械故障诊断,Ch2,机械故障规律与故障机理,机械,的任何部分都将在足够长的使用周期后产生失效。最可靠的产品最终也要发生故障,。,故障的发生受其内部隐蔽的规律所支配，研究和利用故障规律，便可设法从根本上预防故障,。,工作应力、环境应力、人为因素、时间等是机械产生故障的,外因。,而,机械故障的内因，即导致故障的物理、化学或机械过程，称为,故障机理,。,Ch2,机械故障规律与故障机理,机械故障诊断,Ch2,机械故障规律与故障机理,2-1,机械的可靠性与维修性,2-2,机械故障的定义、分类及模式,2-3,机械故障的发生规律,2-4,机械故障机理,机械故障诊断,2-1,机械的可靠性与维修性,2-1,机械的可靠性与维修性,一 机械的可靠性,1,机械的可靠性是指机械产品在规定条件下，在规定时间内，无故障地完成其规定功能的能力,。,规定时间：,产品应达到的工作期限。用时间或相当于时间的指标来表示，如运转次数、行驶里程等,。,2,机械可靠性的数量指标,1,可靠度,即机械产品在规定条件下，在规定时间内，无故障地完成其规定功能的概率，用,R(t,),表示。,2,故障概率,机械产品发生故障的概率称为不可靠度，又称故障概率，用,F(t,),表示。,机械故障诊断,2-1,机械的可靠性与维修性,3,可靠度与故障概率的关系,两者是对立事件，,R(t,),F(t,),1,。,机械故障诊断,2-1,机械的可靠性与维修性,二 机械的维修性,1,维修,对于可修复机械，从寻找并发现其故障部位起，到进行修理、安装、调试、复原，直至最后试验验证恢复正常工作状态的全过程。,2,维修性,表示可修复产品在维修时难易程度的特性。,机械故障诊断,2-1,机械的可靠性与维修性,三 维修性与可靠性的关系,1,可靠性技术的基本目的是制造尽可能少出故障的产品。,2,可靠性受经济等因素的影响，高可靠性其代价必然昂贵。,3,对一般可修复产品，应综合考虑其可靠性与维修性。通常，从经济观点来确定最佳产品可靠度。,机械故障诊断,2-2,机械故障的定义、分类及模式,2-2,机械故障的定义、分类及模式,一 机械故障的定义,机械故障,，指机械或零件丧失了保持其原有功能的能力。,广义上，故障与失效同义，但二者有区别。,失效：,指不可修复产品,“,丧失了规定功能,”,，往往指一次使用性产品，如销子、垫片、电灯泡等。对于这类机件一般作报废处理，多用于可靠性分析的场合。,故障：,指可修复产品,“,丧失了规定功能,”,。,一般机械就其整体而言，均属于可修复产品，其中部分零部件则是没有修复可能或修复价值，多用在故障分析的场合。,机械故障诊断,2-2,机械故障的定义、分类及模式,二,故障发展过程,正常状态,故障迹象,异常状态,故障、事故、灾难性事故,。,机械故障诊断,2-2,机械故障的定义、分类及模式,三,机械故障分类,1,按工作状态分,间歇性故障（临时性故障）：,短时间发生丧失某些局部功能的故障，一般不需修复或更换零部件，只需调整,。,永久性故障：,造成机械功能丧失，直到人工修复,。,2,按故障程度分,局部功能失效的故障,。,整体功能失效的故障,。,机械故障诊断,2-2,机械故障的定义、分类及模式,三,机械故障分类,3,按故障形成速度,分,突发性故障：,由产品本身的各种不利因素和偶然的外界因素共同作用的结果，故障发生的时间与产品的状态变化及已使用的时间无关，在无明显故障预兆下发生，又称不可监测故障。,缓变性故障：,各种老化过程造成的故障，产品使用的时间越长，发生故障的概率就越高，可监测故障,。,4,按故障形成原因,分,劣化故障：,机械投入使用后，零件将发生磨损、疲劳、腐蚀等不可逆转的变化，使机械的功能随时间的延长而逐渐降低，产生劣化故障，为时间相关故障。,人为故障：,在违反使用规程和维护保养规程等情况下使用机械而造成的故障，如超载、超速、违反操作程序等，也称错用故障。,机械故障诊断,2-2,机械故障的定义、分类及模式,三,机械故障分类,5,按故障形成的后果,分,灾难性故障：,整机损坏，车间破坏，人身伤亡，严重经济损失。,非灾难性故障：,未造成机械毁坏或人员伤亡的非危险性故障，仍可导致较大的经济损失。,6,按故障性质,分,功能性故障：,不能继续完成其规定功能的故障。,参数故障：,产品的规定性能参数超出允许的极限值而造成的故障。,7,按故障是否已经发生分,实际故障。,潜在故障。,机械故障诊断,2-2,机械故障的定义、分类及模式,四,机械的故障模式,故障模式：,由外因和内因共同作用结果所显示出来的故障形态,。,故障分析中，常常通过故障模式的分析，来查明故障原因及其发生过程,。,外因：应力,。,内因：,导致发生故障的物理、化学或机械过程，,即故障机理,。,故障模式与工作应力和故障机理关系密切,。,机械故障诊断,2-2,机械故障的定义、分类及模式,表,故障模式与工作应力和故障机理关系,故障模式,工作应力,故障机理,磨损,机械应力,磨损机理,变形,机械应力,弹性、塑性变形机理,断裂,静载、冲击、疲劳,断裂机理,裂纹,疲劳,工艺、使用,腐蚀,化学反应、热应力,化学腐蚀、电化学腐蚀机理,机械故障诊断,2-2,机械故障的定义、分类及模式,实际零件的故障模式还与其材料的抗力指标有密切联系。,零件的故障模式和故障机理并不是固定不变的，它们是储存、使用、维护等环境条件及时间的函数，同时与设计、制造、试验等密切相关。,因此，要查明故障机理，不仅要分析故障零件的本身，还要考虑使用和维护的条件以及设计、制造和试验方面的经历。,机械故障诊断,2-3,机械故障的发生规律,2-3,机械故障的发生规律,机械故障发生规律符合概率法则,。,一 机械寿命特性曲线,称为,“,浴盆曲线,”,，分为三段,：,早期故障期,、偶发故障期、耗损故障期,机械故障诊断,2-3,机械故障的发生规律,1,早期故障期,阶段特点：开始故障率高，随着运转时间的增加，故障率很快减小，且恒定。,早期故障率高的原因在于：设计疏忽，制造、安装的缺陷，操作使用差错。,早期故障期不仅发生在新机械投入使用的初期，也发生在零部件修换后重新投入使用的初期。,早期故障期又称运转期、跑合期。,针对措施：认真分析早期故障原因，立即排除，并反馈给设计、制造单位，可改进设计、制造的薄弱环节，对新产品开发尤为重要。,机械故障诊断,2-3,机械故障的发生规律,2,偶发故障,期,阶段特点：故障率恒定且最低，为产品的最佳工作期。,故障原因：主要是使用不当、操作失误或其它意外原因。,针对措施：重视合理使用，加强维护保养，避免操作失误。,3,耗损故障期,阶段特点：故障率再度快速上升。,故障原因：零件的正常磨损、化学腐蚀、物理性质变化以及材料的疲劳等老化过程。,针对措施：采用各种相应的诊断技术，在零部件即将达到其寿命极限时维修或更换，避免耗损故障，延长机械的实际寿命。,机械故障诊断,2-3,机械故障的发生规律,二 机械全寿命周期特性曲线,特征：,1,最高故障率逐次增大,0,1,2,3,n,2,最低故障率逐次增大,0,1,2,3,n,3,偶发故障期逐次缩短,B,0,B,1,B,2,B,3,10,5,循环周次）。,1,疲劳裂纹的产生,夹杂物与基本界面开裂，滑移带开裂，晶界开裂。,2,疲劳裂纹的扩展,第一阶段，沿最大切应力方向的晶面向内扩展；,第二阶段，沿最大切应力垂直方向的晶面向内扩展。,3,瞬时断裂,机械故障诊断,2-4,机械故障机理,2,低周疲劳机理,机件在交变载荷作用下，由于塑性应变的循环作用所引起的疲劳断裂。,特点：交变应力高，疲劳寿命短，,10,2,10,5,循环周次。,机械故障诊断,2-4,机械故障机理,低周疲劳机理与高周疲劳机理比较,机械故障诊断,2-4,机械故障机理,2,静载断裂,机件在静载荷（如一次冲击或恒定的载荷）作用下发生断裂的现象。,静载断裂是当静载荷增大到超过材料的相应抗力时，会在机件的危险截面中发生材料从有限的几何表面断开的现象。,1,韧性断裂机理,韧性断裂：微空洞形成、长大、连接，最终导致断裂。,断口的微观特征是具有大量的微坑（韧窝）覆盖断面。,宏观特征：断裂前有明显的塑性变形。,2,脆性断裂机理,在静拉伸应力的作用下引起的一种脆性传晶断裂，通常总是沿一定结晶面分离，又称解理断裂。,机械故障诊断,2-4,机械故障机理,3,环境断裂,在腐蚀环境中，材料表面或裂纹前沿由于氧化、腐蚀或其它过程使断裂表面能和材料的强度下降，因而使机件发生断裂。,主要有,应力腐蚀断裂、氢脆断裂、高温蠕变断裂、腐蚀疲劳断裂及冷脆断裂。,机械故障诊断,2-4,机械故障机理,四 裂纹机理,金属的局部断裂称裂纹。,断裂的发展过程可归纳为裂纹的产生、裂纹的扩展、最终断裂三个阶段。因此，断裂是无可挽救的故障，裂纹属于可以挽救的故障。然而，裂纹直接破坏机件的连续性，且易引起应力集中从而加速裂纹的扩展，所以裂纹也是危险性很大的一种故障模式。,主要有,工艺裂纹与使用裂纹。,机械故障诊断,2-4,机械故障机理,1,工艺裂纹,铸造裂纹,夹杂物、应力集中区、最后冷却区,网状、半网状,锻造裂纹,冷裂纹,应力集中处,对角线或扇形,过烧裂纹,薄表面、形状突变处,龟裂或鱼鳞状,热脆铜脆,表面应力集中处,龟裂或鱼鳞状,加热不足,芯部,放射状,焊接裂纹,热裂纹,结晶过程产生,蟹脚状、网状,冷裂纹,冷却过程或冷却后,热处理裂纹,应力集中或组织过渡区,龟裂、直线、网状、弧形,磨削裂纹,磨削热引起组织转变和应力再分配,龟裂状,机械故障诊断,2-4,机械故障机理,2,使用裂纹,疲劳裂纹、应力腐蚀裂纹、蠕变裂纹。,3,裂纹尺度,原子间距,3,3,10,3,裂纹成核,10,3,1mm,微裂纹成长,1mm,宏观裂纹成长,一般无损检测有效区,1mm,先进无损检测有效区,60m,1mm,机械故障诊断,2-4,机械故障机理,五 腐蚀机理,有化学腐蚀机理与电化学腐蚀机理。,1,化学腐蚀机理,单纯由化学作用而引起的腐蚀叫化学腐蚀。,高温时，金属易被空气中的氧气氧化而受到侵蚀，在表面生成一层氧化皮，同时生成,CO,2,、,CO,、,H,2,从表面逸出，碳元素减少形成脱碳层，破坏材料原有的机械性能。,常温下，金属表面也可与空气中的氧气发生作业，生成很薄的氧化铁膜，对材料性能产生一定影响。,机械故障诊断,2-4,机械故障机理,2,电化学腐蚀机理,当金属接触电解质溶液时，其腐蚀过程为电化学过程，这种腐蚀过程称为电化学腐蚀，即在化学反应过程中产生了电流作用。,一般金属中都含有杂质，当金属接触电解质溶液时，杂质成为阴极，金属成为阳极，从而构成腐蚀电池。其反应过程如下：,阳极,Fe,2e,Fe,Fe,2H,Fe(OH),2,阴极,2H+2e=H,2,总反应方程,Fe+2H,2,O=Fe(OH),2,H,2,4Fe(OH),2,+2H,2,O+O,2,=4Fe(OH),3,2Fe(OH),3,=Fe,2,O,3,+3H,2,O,导致机件疲劳强度急剧降低。常见的红褐色铁锈即由氧化物和氢氧化物等混合组成。,