第十一章 机器设备寿命估算

合集下载
  1. 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
  2. 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
  3. 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。
2
a
max min
第十一章 机器设备寿命估算
3. 许用应力 (1)静应力下的许用应力 在静应力作用下,零件或构件有两种失效形式:塑性变形 或断裂。对于由塑性材料制成的零件或构件,可按不发生塑 性变形的条件计算。这时应取材料得屈服强度作为极限应力, 故许用应力为 (11-8) s S 式中:S——安全系数。 对于脆性材料制成的零件或构件,应取材料的强度极限作 为极限应力,故许用应力为 (11-9) b
a)
b)
c)
d)
图11-2 应力的种类
第十一章 机器设备寿命估算
随时间变化的应力称为变应力。具有周期性的变应力称为 循环应力,图11-2b所示为一般的循环变应力。从图11-2b可 知 max min 平均应力 m 2 (11-7)
应力幅 2 应力循环中的最小应力与最大应力之比,可用来表示变应力 中应力的变化情况,通常称为变应力的循环特征,用表示, 即 r min / max 。 当 max min 时,循环特征 r 1 ,称为对称循环变应力 min 0时, (图11-2c),其 a max min, m 0;当 max 0, 循环特征 r 0 ,称为脉动循环变应力(图11-2d),其 1 a m max。
式中: m ——磨损量; s ——实际磨损量。 三、剩余磨损寿命得计算 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。
第十一章 机器设备寿命估算
对新机器或零部件磨损寿命的估算,首先要确定材料得磨 损强度 tan 和最大磨损极限 smax ,由公式(11-5)可得设备 总的磨损寿命为 T (smax s0 ) / tg smax / tg 对在用机器设备的磨损强度可以根据历史数据估算。首先 应确定实际磨损量 s 和已运行时间 t ,根据上述参数估算磨 损强度 tg
第十一章 机器设备寿命估算
2. 应力 零件或构件在载荷(外力)的作用下,其内部必然产生与 外力相平衡的内力。应力是指作用在零件或构件某一截面上 的单位面积上的内力。垂直于截面方向的应力分量称为正应 力(或方应力),用表示;平行于截面方向的应力分量称为 切应力(或剪应力),用表示。正应力表示零件内部相邻两 截面间拉伸或压缩的作用;切应力表示相互错动的作用。正 应力和切应力是度量零件强度的两个物理量,常用单位是兆 帕(MPa)。 按照时间变化的情况不同,应力可分为静应力和变应力。 不随时间变化的应力称为静应力(图11-2a)。纯粹的静 应力是不存在的,只要变化缓慢的应力就可看作静应力。
1 2
根据简化的磨损方程式(11-3),磨损寿命可由下式计算: T t 2 (smax s0 ) / tg smax / tg (11-5)
第十一章 机器设备寿命估算
s max ——最大允许磨损量。 式中: tg 越小,零 由公式(11-5)可见,材料得抗磨强度越大, 件的工作时间就越长。 4. 磨损率 磨损率是指零件实际磨损量与极限磨损量之比,若第Ⅰ阶 段忽略不计,按简化的磨损方程式计算,则磨损率的计算公 式为: m (s s0 ) /(smax s0 ) s / smax (11-6)
tg s / t
然后根据磨损方程计算剩余磨损寿命
Ts (smax s) / tg
[例1] 已知磨损强度为0.5mm/年,且设备运行3年后,磨损率 为1/4,求该设备的剩余寿命及极限磨损量。
解:总寿命为:
3 12 (年) 1/ 4
第十一章 机器设备寿命估算
剩余寿命为:12-3=9(年) 极限磨损量为:12×0.5=6(mm)
第十一章 机器设备寿命估算
二、典型的磨损过程 1. 典型的磨损过程 正常的磨损过程分为三个阶段,如图11-1所示,即为初期 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)。
图11-1 典型磨损曲线
第十一章 机器设备寿命估算
在初期磨损阶段,设备各零部件表面的宏观几何形状和微 观几何形状都发生了明显变化。原因是零件在加工制造过程 中,其表面不可避免地具有一定的粗糙度。用放大镜观察可 发现在表面上有许多“凸峰”,当相互配合作相互运动时, 表面上的凸峰由于摩擦很快被磨平,因而此阶段磨损速度很 快,一般发生在设备调试和初期使用阶段。 处于正常磨损阶段的零部件表面上的高低不平及不耐磨的 表层组织已被磨去,故磨损速度较以前缓慢,磨损情况较稳 定,磨损量基本随着时间的推移均匀增加。 急剧磨损阶段的出现往往是由于零部件已经达到它的使用 寿命(自然寿命)而仍继续使用,破坏了正常磨损关系,使 磨损加剧,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。 分析设备磨损规律可知:
第十一章 机器设备寿命估算
对设备的正确使用、维护和修理可以延长自然寿命。反之, 不正确的使用、不良的维护和修理会缩短设备的自然寿命。 二、技术寿命 技术寿命是设备从投入使用到因技术落后而被淘汰所经历 的时间。对设备进行技术改造可延长其技术寿命。 三、经济寿命 经济寿命是指设备从投入使用到因继续使用不经济而推出 使用所经历的时间。 设备到了自然寿命的后期,由于设备的不断老化,必须支 出的维修费用和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。 本章仅介绍自然寿命的几种估算方法。
N 为对应于循环次数N的疲劳极限,m和C均为材料常 式中, 数。从大多数黑色金属材料的疲劳试验可知,当循次数超过 N 0 称为循环基数, 某一数值 N 0 后,曲线趋向水平(图11-3)。 N0 N0。对应于 107 对于钢通常取 的应力就称为材料的疲劳极 限。各种材料的疲劳极限在不同的循环特征值时是不同的, 1 r 故统一用 表示。对称循环应力条件下的疲劳极限用 表示, 这个值比材料的静强度极限低的多。此时,方程(11-10)变 为
第十一章 机器设备寿命估算
第二节 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,将导致设备的失效。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 的。 一、磨损的基本概念 磨损是指固体相对运动时,在摩擦的作用下,摩擦面上的 物质不断耗损的现象。它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度。
第十一章 机器设备寿命估算
第一节 概述
机器设备的寿命是指设备从开始使用到被淘汰的整个时间 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。因此,设备的寿命可分为自然寿命、技术寿命和经 济寿命。 一、自然寿命 自然寿命也称物理寿命,是指设备在规定的使用条件下, 从投入使用到因物质损耗而报废所经历的时间。自然寿命受 自然磨损(物质磨损)的影响。引起设备物质磨损的原因很 多,如摩擦损耗、疲劳损耗、腐蚀、蠕变、冲击、温度、日 照、霉变等。简单的机器可能只受一种形式的损耗,其自然 寿命一般根据所受损耗的形式来计算。如以摩擦损耗为主的 机器,自然寿命是根据其磨损寿命来确定;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。复杂的机器 往往同时承受多种损耗。
S
(2)变应力下的许用应力
第十一章 机器设备寿命估算
在变应力作用下,零件或构件的失效形式为疲劳断裂。在 变应力作用下,如何确定零件或构件的许用应力,将在下述 的疲劳断裂及疲劳寿命内容中介绍。 二、疲劳断裂及疲劳寿命 疲劳损伤发生在受变应力作用的零件和构件上,如起重机 的桥架和其它结构件、压力容器、机器的轴和齿轮等。零件 或构件在低于材料静强度(屈服极限)的变应力的反复作用 下,经过一定时间的循环次数后,在应力集中处产生裂纹, 裂纹在一定条件下扩展,最终突然断裂,这一失效过程称为 疲劳破坏。 疲劳断裂不同于一般静力断裂,它是材料损伤到一定程度 后,即裂纹扩展到一定程度后,才发生的无明显塑性变形的 突然断裂。所以疲劳断裂与应力的循环次数密切有关。
第十一章 机器设备寿命估算
m m N N 1 N0 C
(11-11)
2. 影响机器零件疲劳强度的主要因素 在变应力条件下,影响机器零件疲劳强度 的因素很多,有集中应力、零件尺寸、表面 状况、环境介质、加载顺序和频率等,其中 以前三项最为重要。 图11-3 疲劳曲线 (1)应力集中的影响 由于结构要求,实际零件一般都有截面形状的突然变化 (如孔、倒角、键槽、缺口等),零件受载时,它们都会引 起应力集中。常用有效应力集中系数 k σ 来表示疲劳强度的真 正降低程度。 (2)绝对尺寸的影响 当其他条件相同时,零件尺寸越大,则其疲劳强度越低。 其原因是由于尺寸大时,材料晶粒粗,出现缺陷的概率大, 机械加工后表面冷作硬化层相对较薄,疲劳裂纹容易形成。
第十一章 机器设备寿命估算
(1)如果设备使用合理,同时加强维护可以延长设备正常 使用阶段的期限,从而可保证加工质量和提高经济效益。 (2)对设备要定期检查。在进入急剧磨损阶段之前就进行 修理,以免使用设备遭受破坏。 (3)机器设备在正常磨损阶段的磨损与时间或加工数量成 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期限。 2. 磨损方程 (1)第Ⅰ阶段磨损方程 从典型磨损曲线可以看出,第Ⅰ阶段的磨损时间与整个磨 损寿命相比,所占时间较短,而磨损速度较快;当磨损曲线 到达点以后,磨损速度趋缓。第Ⅰ阶段的磨损量为。如果将 曲线简化为直线处理,这一阶段的磨损曲线方程可简化为:
s smin t (s0 smin ) / t1
(11-1)
第十一章 机器设备寿命估算
式中: s ——配合间隙; smin ——最小配合间隙; 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 第Ⅱ阶段所对应的磨损曲线段基本上为一直线,磨损强度 tg 的数值决定了磨损速度:材料的耐磨性差,则 tg 大,磨 损速度也快。这一阶段的磨损曲线方程式为:
第征的条件下,表示应力与应力循环次数之间 关系的曲线称为疲劳曲线或-曲线。如图11-3所示,横坐标表 示循环次数,纵坐标表示断裂时的循环应力,从图中可以看 出,应力越小,试件在疲劳破坏前能经受的循环次数就越多。 如将图11-3所示的疲劳曲线用方程式表示,则为 m N N C (11-10)
第三节 疲劳寿命及疲劳强度
一、基本概念 1. 载荷 在理想的平稳工作条件下作用在机器零件或构件上的载荷 称为名义载荷。然而在机器运转时,零件还会受到各种附加 载荷,通常用引入载荷系数K(有时只考虑工作情况的影响, 则用工作情况系数KA)的办法来估计这些因素的影响。载荷 系数与名义载荷的乘积,称为计算载荷。按照计算载荷求得 的应力,称为计算应力。
s s0 (t t1 ) tg
s0 (t t1 ) (smax s0 ) / t 2 (t1 ≤ t≤ t1 t) 2
(11-2)
smax——最大磨损极限; 式中: t 2 ——第Ⅱ阶段磨损时间。
第十一章 机器设备寿命估算
零件进入急剧磨损阶段(第Ⅲ阶段)后,必须进行修复或 更换,当到达曲线点,则标志着设备磨损寿命的终结。 (3)简化的磨损方程 在实际的工程计算中,经常采用简化的磨损方程。如图111所示,在正常使用情况下,零件大部分时间工作在第Ⅱ阶段。 如果将第Ⅰ阶段忽略不计,即,,则简化后的磨损方程式为: (11-3) s s0 t tg s0 t (smax s0 ) / t 2 3. 磨损寿命 由图11-1可见,设备的正常磨损寿命应该为第Ⅰ阶段和第 Ⅱ阶段之和,即: (11-4) T t t
相关文档
最新文档