文档介绍：失效机理分析
故障模式是故障的表现形式,通常被描述成故障发生时产品的状态,相当于“病症”。故障原因是引起产品产生故障的过程、事件和状态,是对故障模式的解释,相当于“病因”。故障机理是引起产品产生故障的物理、化学和生物等变化的内在原因,相当于“病理”o
在分析装备故障时,一般把失效看作事件,而把故障作为状态。一个产品已经不具备完成规定功能的能力,那么该产品就失去了应有的效用,这样的事件就称为失效。产品失效后,就不能执行规定的功能,该产品就处于故障状态。因此,一般把故障机理叫做失效机理。
失效机理研究装备发生故障的内在原因及其发展规律,即劣化理论。失效机理往往由于装备、零部件(元器件)、材料、使用环境的差别而不同。下面介绍机械零件和电子元器件的失效机理。
机械零件失效机理
机械零件失效机理一般表现为磨损、变形、断裂、膺蚀与材料老化等。下面介绍机械零件磨损、变形、断裂、腐蚀的失效机理、影响因素及其预防对策。
磨损
摩擦与磨损是自然界的一种普遍现象。当零件之间或零件与其他物质之间相互接触并产生相对运动时,就称为摩擦。零件的摩擦表面上出现材料损耗的现象称为零件的磨损。材料损耗包括两个方面:一是材料组织结构及性能的损坏;二是尺寸、形状及表面质量(粗糙度)的变化。
如果零件的磨损超过了某一限度,就会丧失其规定的功能,引起设备性能下降或不能工作,这种情形称为磨损失效。据统计,装备故障约有123是由零件磨损失效引起的。例如,发动机汽缸磨损失效后,会导致油耗激增,承载能力下降,曲轴箱窜气,机油烧损,冲击振动等。
根据摩擦学理论,零件磨损按其性质可以分为磨料磨损、粘着磨损、疲劳磨损、微动磨损和腐蚀磨损。下面将分别分析前四种磨损,而腐蚀磨损将在腐蚀失效中介绍。
零件磨损的外在表现形态是表层材料的磨耗。在一般情况下,总是用磨损量来度量磨损程度。不论摩擦系统有多复杂,零件摩擦表面的磨损量总是随摩擦时间延续而逐渐增长。图2-2是在正常工况下测出的磨损量实验曲线。它反映了磨损的一般规律,即磨损三阶段:
图2-2 零件磨损的一般规律
(1)I阶段:这是初期磨损阶段。对装备中的摩擦副而言是磨合过程。这一阶段的特点是在短时间内磨损量增长较快。这是因为新摩擦副的表面有微观波峰,在磨合中遭到破坏,加上磨屑对表面起研磨作用,磨损量很快达到S10该阶段曲线的斜率取决于摩擦副表面质量、润滑条件和载荷。如果表面粗糙、润滑不良或载荷较大,部会加速磨损。经过这一阶段以后,零件的磨损速度逐步过渡到稳定状态。装备的磨合阶段结束后,应清除摩擦副中的磨屑,更换润滑油,才能进入满负荷正常使用阶段。
(2)Ⅱ阶段:这是正常磨损阶段。摩擦表面的磨损量随着工作时间的延长而均匀、缓慢增长,属于自然磨损。在磨损量达到极限值S2以前的这一段时间是零件的磨损寿命,它与摩擦表面工作条件、技术维护好坏关系极大。使用保养得好,可以延长磨损寿命,从而提高设备的可靠性与有效利用率。
(3)Ⅲ阶段:这是急剧磨损阶段。当零件表面磨损量超过极限值S2以后如继续摩擦,其磨损强度急剧增加,其原因是:①零件耐磨性较好的表层被破坏,次表层耐磨性显著降低;②配合间隙增大,出现冲击载荷;③摩擦力与摩擦功耗增大,使温度升高,润滑状态恶化、材料腐蚀与性能劣化等。最终设备会出现故障或事故。因此,这一阶段也称为事故磨损阶段。
当零件磨损表面的磨损量达到极限值S2时,就已经失效,不能继续使用,应采取调整、维修、更换等措施,防止设备故障与事故的发生。
对各类装备,主要摩擦副的磨损量的极限值或配合间隙的极限值都有具体的标准,对于在维修过程中解体了的摩擦副,可以通过观察与检测,判断是否失效。而对还在运行中的装备,摩擦副的磨损状态不能直接察觉,只能根据对设备的某些参数进行监测与分析才能确定,例如振动参数、噪声参数、关键部位的温升、油耗、润滑油中铁屑的含量等等,都与摩擦状态有着一定的肉在联系,具体监测分析方法将在第3章介绍。
零件磨损失效的过程,是一个极其复杂的动态过程,在各种不同的因素影响下,磨损都有各自不同的特征和机制。下面将对各种不同性质的磨损作进一步讨论。
(粒)磨损
零件表面与磨粒互相摩擦而引起表层材料损失的现象称为磨料磨损或磨粒磨损。磨料也包括对摩零件表面上硬的微凸体。在磨损失效中,磨料磨损是最常见、危害最为严重的一种。
1)磨料磨损工况的分类
磨料磨损包括三种情况:①直接与磨料接触的机件所发生的磨损,称为两体磨损。如搅拌桨、挖掘机斗齿,破碎机锷板等。②硬颗粒进入摩擦副两对摩表面之间所造成的磨损,称为三体磨损。例如灰尘、杂物、磨屑进入齿轮副啮合齿面之间而产生的磨损。③坚硬、粗糙的表面微凸体在较软的零件表