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维护可靠性工程 根本原因分析

解决疲劳的关键:沉默的杀手

疲劳是每个制造工厂在某一时刻都会经历的一种故障模式,如果不解决,它可能会成为一种慢性疾病。虽然对疲劳的理解从19世纪早期开始就有了进步,但在解决这些问题上,制造业仍然存在一些误解。疲劳失效的一个特征是应力,它通常低于材料的屈服强度。这就是疲劳成为无声杀手的原因。

疲劳发生在经受交替或循环应力的部分上。循环应力会在一定数量的循环后导致失败。当裂缝引发应力集中在零件上的裂缝开始时,疲劳成为失败模式。在解决疲劳故障时,有两个关键领域可以集中分析:导致循环应力和元件设计的外力降低了材料的耐久极限。它位于这些区域中的一个或两个,其中可以找到疲劳失败的解决方案。所以,让我们仔细看看这两个关键区域。

识别然后减少或消除循环压力

第一个关键步骤是正确读取断口以确定疲劳类型。不同类型的疲劳将指向导致疲劳的应力类型。疲劳可能是单向弯曲、反向弯曲、旋转弯曲、扭转或拉伸。旋转弯曲是旋转设备发生疲劳断裂时最常见的失效机制之一。在复合应力应用中,扭转载荷通常是恒定的,如果是可变的,则通常是脉动应力。高强度材料通常表现为脆性断裂,而低强度材料通常表现为韧性断裂。断裂面也可以帮助识别疲劳的类型。大多数扭转破坏发生在45°断裂面,而弯曲破坏通常发生在90°断裂面。

疲劳骨折可以进一步描述为高循环或低循环和高应力或低应力。与疲劳面积相比的快速或最终骨折区的大小将揭示如果发生故障是高或低应力疲劳。快速骨折区是由于在部分疲劳量繁殖后由于过载而失效的裂缝面积。疲劳可能是纯机械疲劳或腐蚀疲劳。腐蚀疲劳大大降低了材料的疲劳强度。骨折外侧的棘轮标记表示骨折启动景点。海滩标记(即,进展标记)显示裂缝的进展历史和路径。裂缝起源的位置可能是键槽角或轴步半径。图1显示了一些基本疲劳特征的示例。可能需要从冶金分析实验室的援助来识别疲劳机制。

图1:低应力弯曲疲劳,轴上应力集中严重

一旦已知疲劳的类型,可以位于与疲劳骨折匹配的循环应力的来源。弯曲应力是引起疲劳失败的关键类型的关键类型之一。它可以来自链条或皮带驱动,覆盖载荷,未对准轴或从设备操作的反应负载的反作用力。

例如,鉴定拖链链路疲劳被识别为反向弯曲疲劳。最初安装了不同的链条,但具有相同的故障。仔细研究表明,这种慢性衰竭仅发生在链条的中心链路上。该中心连杆可能发生弯曲应力的唯一区域是链轮。链轮齿周围的每次旋转都会在链环上产生循环弯曲应力。循环应力的原因被发现是磨损的链轮(见图2到4)。通过更换破旧的链轮去除循环弯曲应力去除引发疲劳的力。结果是低于材料的耐久极限的循环应力。链环上的锻造线上的应力浓度是裂纹引发的,但除去大的循环应力是根本原因。然而,还有其他时间通过精密组件可以减少循环应力,例如在驱动轴上的适当的带/链张力。

图2:断裂表面应力分析

图3:一个穿着链轮的证据

图4:链轮磨损的证据引起弯曲应力

提高耐久性极限和降低疲劳风险的部件设计分析

在大多数情况下,循环应力只是正常运行的一个函数,不能减少或消除。在这些情况下,解决方案必须考虑两个方面:组件设计和缺陷消除。对构件上的疲劳裂纹起始位置进行集中分析,可能会产生额外的作用,以避免未来的疲劳失效。

组件设计从材料开始。这种材料对于理解部件的抗疲劳性能至关重要。疲劳极限是零件能够承受循环应力而不发生疲劳失效的应力水平。一个零件的设计,如果循环应力低于疲劳极限,将消除疲劳失效对零件的寿命。图5中的S-N曲线显示了一个部件的设计耐久性极限如何导致无限寿命,以及耐久性极限的降低如何导致机器部件的有限疲劳寿命。设计缺陷将疲劳极限降低到一个有限或一定次数的循环将导致疲劳失效的点。

图5:s (n疲劳曲线

材料的耐久性极限与材料的抗拉强度成正比。

Se ' = .504 Sut

其中Sut =材料的极限抗拉强度

SE'=试样的耐力限制

基本概念很简单,但是,可以通过许多设计因素,如表面,尺寸,载荷和温度,以及其他各种因素,如缺口应力集中,轴半径和腐蚀来降低疲劳极限。这些修正可用于找到修正后的耐力极限,如下所示:

se = se'kakbkckdkekr.

其中SE =机械元件的耐久极限

SE'=试样的耐力限制

Ka =表面因子

KB =大小因子

KC =负载因子

温度因子

Ke =杂项因素

KR =可靠性因子

最高应力通常在材料的表面上,因此这是专注于的关键区域。表面因子可以大大降低耐久性极限。多次,表面光洁度或表面缺陷将是定位引发疲劳的循环应力的东西。一般规则是具有不超过32个粗糙度平均(RA)的表面,这将使表面因子Ka保持在.85至.9范围内。表面粗糙度从32 ra增加到250°Ra可以将耐久性限制降低25%。

不仅是主要重要性的材料强度,而且材料还将具有非常不同的加工特性,可以导致机器工具爆发和应力集中。细粒材料通常还比粗粒材料产生更多的疲劳性。更多的晶界可以妨碍裂缝繁殖。材料韧性也是用材料选择考虑的因素。韧性是应力应变曲线下的面积,并且在骨折之前定义为每单位体积的能量。材料韧性允许材料吸收应力能。与高碳和低碳钢相比,中等碳钢具有最高的韧性。

图6:轴骨折与机器工具标志(表面缺陷),半径应力集中

表面因素的效果的一个例子是如图6中的轴上的典型旋转弯曲疲劳。在已经小轴半径上的机床原装上增加了轴应力集中,这引发了旋转弯曲疲劳失效。

图7:修正后的轴半径,表面光洁

由于表面因素是最重要的疲劳设计和制造元件之一,存在许多表面处理,可以绝缘地从循环应力和疲劳裂纹引发中绝缘。其中许多这些在某种情况下诱导压缩表面应力。在部件看到循环疲劳应力之前,部件上的表面拉伸应力必须克服表面压缩应力。其中一些包括渗碳,氮化或射击喷丸。电抛光提供超平滑的饰面,可改善表面因子,但它从部件中除去一些材料。电镀可以降低耐氢脆化是一个问题。

对于许多系统来说,在降低循环应力以保证正常运行方面几乎没有什么可做的。增加零件尺寸也可以在不减少循环力的情况下减少零件的循环应力。对于温度,许多低碳钢在400华氏度时影响很小,但当温度接近1000华氏度时影响可能很大。

改变应力集中,如增加轴的半径,将减少构件的疲劳应力。大多数标准没有提供什么是一个合理的轴半径的细节。在不做详细计算的情况下,使用设计允许的最大的轴半径。轴半径的一些一般准则类似于图8所示。

对于具有D / D> 1.2的轴,R / D> .1

对于具有D / D <1.2的轴,R / D> .05

图8:轴半径一般指南

疲劳失败不必保持谜团或在植物中成为慢性。通过专注于减少循环应力并改善耐久性极限的两个关键区域,可以解决疲劳。