机械产品可靠性课件合并.pdf

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1、机械可靠性设计分析(第二部分)张建国北京航空航天大学工程系统工程系1机械零部件故障模式、原因和机理¾故障模式分析•故障模式的基本概念•机械零件典型故障模式分类•失效分析方法¾故障原因分析•受力状况ò载荷类型ò载荷性质ò应力状态•工作环境ò环境介质与零件失效ò环境温度与零件失效•机械设计•材料性能与生产情况•使用维护¾故障机理2机械零部件故障模式、原因和机理为什要进行故障模式、故障原因和机理的分析？3故障模式的基本概念¾故障模式、失效、机理的基本概念•故障模式－国军标GJB451-89《可靠性维修性术语》中，定义是：故障

2、的表现型式。更确切地说，故障模式一般是对产品所发生的、能被观察或测量到的故障现象的规范的描述。•失效－是指由于材料的力学行为而使构件丧失正常功能的现象•故障机理—是指导致产品功能故障或潜在故障的产品自身的那些物理、化学或生物变化过程等直接原因•故障原因－包括了直接原因和间接原因，后者是指由于其他产品的故障、环境因素和人为因素等引起的间接故障原因4故障模式分类∑机械零件典型故障模式及机理•按失效的宏观特征，可将零件失效分为四大类。ò变形失效ò断裂失效举例：在工程中常见的失效实例？ò磨损失效ò腐蚀失效•按失效性质和具体特征

3、，每一类型还可以包括几个小类，如图所示。•举例说明故障模式及原因，如表所示52.1机械零部件的故障模式和机理过量弹性变形失效变形失效过量塑性变形失效脆性断裂失效塑性断裂失效环境介质引起的断裂（应力腐蚀、氢脆断裂等）低周疲劳高周疲劳机械断裂疲劳零件腐蚀疲劳失效断裂失效高温疲劳热疲劳冲击断裂蠕变持久断裂磨粒磨损磨损粘着磨损失效氧化磨损接触疲劳腐蚀均匀腐蚀失效局部腐蚀6变形失效∑钻床在钻孔时，立柱受到一个轴向力和一个弯矩的作用，这个弯矩使立柱发生弯曲变形，钻头就不能保持垂直位置，从而影响了钻孔的精度，如果立柱弹性变形过大，也

4、会因此丧失其正常的功能，这也是刚度失效7断裂失效空间对接结构在对接过程中由于过载导致主被动锁钩断裂8磨损失效∑轴承、齿轮在工作中，由于磨损而导致失效9腐蚀失效较少腐蚀段腐蚀广东某斜拉桥拉索腐严蚀失效分析重段10机械零件故障模式表2-1金属弹簧故障模式、原因分析11失效分析方法服役条件失效零件失效分析失效原因失效类型设计材料工艺使用改进设计提高主要抗力指标改进工艺加强管理提高零件失效抗力实验室试验工业试验12基本载荷类型零件受力情况包括：载荷类型、载荷性质、以及载荷在零件中引起的应力状态，作用在零件的载荷可以分为五类：¾

5、轴向载荷•力在作用在零件的轴线上，大小相等，方向相反，包括轴向拉伸和轴向压缩载荷•例如，受拉的绳索、受拉或压缩的杆件等等•在轴向载荷作用下，应力沿横截面的分布式均匀的。零件上主应力与最大切应力的关系为：主应力/最大切应力=2连角杆接在触装轴配承与轴拉向伸载载荷荷计下算的应力分13布基本载荷类型¾弯曲载荷•垂直于零件轴线的载荷，使零件产生弯曲变形•在弯曲载荷作用下，应力分布规律为为从表面应力最大改变到中性轴线应力为零•如图中无人飞机主翼梁在弯曲载荷作用下的应力分布14基本载荷类型¾扭转载荷•作用在垂直于零件轴线平面内的力

6、偶，它使零件发生扭转变形。•例如，如图中汽车扭转刚度试验装置图和扭转工况示意图•在扭转载荷作用下，横截面上的切应力的分布规律是：从表面最大到横截面中心处为零（这里讲的“中心点”，是指扭转中心轴线与横截面的交点汽车扭转刚度试验装置扭转工况示意图15基本载荷类型剪切载荷•使零件内相邻两截面发生相对错动的作用力。•表（d）表示螺栓在连接接合面处受剪切，并与被连接孔壁互压。螺杆还受弯曲，但在各接合面贴紧的情况下可以不考虑。•在剪切载荷作用下，力大小沿平行于最小切应力的横截面上均匀的。16基本载荷类型¾接触载荷•两个零件表面间的

7、接触有点接触、线接触和面接触。零件受载后在接触部位的正交压缩载荷称为接触载荷。•例如，滚动轴承工作时，滚子与滚道之间，齿轮传动中轮齿与轮齿之间的压力都是接触载荷,如图所示：•在接触载荷作用下，主应力与最大切应力之比是不定。¾实际零件工作中往往不是只受单一载荷作用的，而是同时承受几种类型载荷的复合作用。17基本载荷类型应力分布情况载荷类型轴向载荷弯曲载荷扭转载荷剪切载荷接触载荷18载荷性质¾静载荷•缓缓地施加于零件上的载荷，或恒定的载荷¾冲击载荷•以很大速度作用于零件上的载荷，冲击载荷往往表现为能量载荷¾交变载荷•载荷的

8、大小、方向随时间变化的载荷，其变化可以是周期性的，也可以是无规则的19交变载荷∑对称循环应力•等值交变的拉伸、压缩和剪切应力。例如，弯曲载荷作用下的旋转轴。其最大应力和最小应力数值相等但符号相反，其应力比r=-1∑脉动循环应力•单向应力，其应力值从零变化到最大，r=0。例如一对齿轮传动，转动方向不变时，齿轮的弯曲应力即为脉动循环应