第一章 機械設備的老化與故障理論1

工程機械維修9/27/2023內容Ⅰ、本課程概況Ⅱ、本課程學習內容Ⅲ、本課程學習要求及成績評定9/27/2023

Ⅰ、本課程概況

步人21世紀，工程建設對工程機械的需要和依賴程度愈來愈高，隨著科學技術的飛速發(fā)展，現代工程機械和設備的結構越來越復雜，功能越來越完善，自動化程度也越來越高。由于許許多多無法避免的因素的影響，有時機械設備會出現各種各樣的故障，以致降低或失去其預定的功能，甚至造成嚴重的以至災難性的事故，造成機毀人亡，因而帶來巨大的經濟損失，產生嚴重的社會影響。因此保證機械設備的安全運行，消除事故，是十分迫切的問題。這就使工程機械維修的重要性更加突現出來。9/27/2023工程機械維修的現代化程度，既關系到工程機械本身的完好率、使用壽命、使用成本、工程質量、施工進度和經濟效益，更重要的是從一個側面體現一個國家建設生產綜合能力的強弱，體現一個工程建設企業(yè)管理水平、技術水平和生產能力的高低。工程機械的高精度、自動化、復雜化的發(fā)展，使得其維修比較困難。因此促進了以檢測與診斷技術為基礎、可靠性為中心、多種維修方式相結合的維修模式的更快發(fā)展，以掌握現代科學技術、素質高、技術精的維修技術人員隊伍為保證。從事機械設計制造、機械應用及管理的技術人員必須具有機械維修方面的基礎知識和了解掌握新工藝、新技術的基本素質，才能適應時代發(fā)展的需要。9/27/2023Ⅱ、本課程學習內容第一章機械設備的老化與故障理論第二章維修理論第三章摩擦與潤滑第四章機械零件的失效分析第五章機械零件的修復技術與再制造第六章典型零件的修復第七章機械修理過程的主要工藝及修理管理第八章現代柴油機典型修理裝配工藝第九章工程機械底盤修理9/27/2023Ⅲ、本課程學習要求及成績評定1．考核方式：考試；2．考核方法：筆試（閉卷）；3.具體上課時間：NO.5~19每周周一1~2課（單周）B3111周四1~2課B11054．成績評定：總評成績100分＝平時30分＋期末考試70分9/27/2023平時成績：課堂表現：10分（睡覺、說話、玩手機、看小說，發(fā)現一次去2分）考勤考紀：5分作業(yè)＋課堂筆記：10分（每次作業(yè)占2分）；實驗：5分（預習報告占20％，實驗過程占40％，實驗報告40％）。9/27/2023第一章機械設備的老化與故障

理論9/27/2023第一節(jié)機械設備的老化及起因

第二節(jié)老化規(guī)律及補償第三節(jié)機械故障理論概述第四節(jié)故障理論及故障規(guī)律9/27/2023教學目標：使同學基本明確機械設備的老化及起因、老化規(guī)律及補償、故障理論及故障規(guī)律。重點：機械設備的老化及起因，老化規(guī)律及補償、故障理論及故障規(guī)律；難點：老化規(guī)律及補償、故障理論及故障規(guī)律。解決方法：課后仔細復習9/27/2023第一節(jié)機械設備的老化及起因

機械設備無論設計和制造得多么完美，都會隨著長期的使用、保管或閑置過程產生工作能力下降、精度降低、價值貶低、可靠性降低等現象，這種現象稱為老化（或劣化）。機械維修的重要內容及理論基礎:ⅰ

研究老化的規(guī)律;ⅱ研究對機械設備造成有害作用的根源及相應對策.9/27/2023一、老化的分類9/27/2023機械設備老化可分為有形老化和無形老化兩種形式。（一）有形老化定義——機械設備及零部件在使用、保管或閑置過程中，因摩擦磨損、變形、沖擊振動、疲勞、斷裂、腐蝕等使機械實體形態(tài)變化、精度降低、性能變壞，這種現象稱為有形老化。

2.類型：①機械設備在運行中造成的實體損壞為第一種有形老化。㈢9/27/2023第一種有形老化的一般表現在：(1)零部件的原始尺寸，甚至形狀發(fā)生改變；(2）零部件之間的公差配合性質發(fā)生變化，精度降低；(3)零件破壞。對第一種有形老化根據其性質及是否可以預防，再分為正常老化和不正常老化。前者指的是在正常使用條件下發(fā)生的不可避免的老化；后者指的是在一般情況下可以避免的一類老化。9/27/2023如機械摩擦磨損是不可避免的老化，在正常使用條件下，磨損是緩慢的，是正常老化。對于正常老化則應設法減緩其產生和發(fā)展的過程速率。相反，若因其他原因造成快速磨損或災難性磨損，則是不正常磨損，會造成不正常老化。對于不正常老化應采取各種措施消除其根源和發(fā)生的條件；*第一種有形老化與使用時間和強度有關。9/27/2023②由于自然力的作用，在保管和閑置過程中造成變形、金屬銹蝕、材料老化變質等為第二種有形老化。*第二種有形老化與閑置時間和保管狀態(tài)有關。

不斷改進設計，選用耐用材料，零部件加工精度的提高，結構可靠性的增大，正確使用，及時維護，合理保管，先進的修理技術的采用等都會減慢有形老化的發(fā)展進程。技術進步常與提高速度、壓力、載荷和溫度相聯(lián)系，這些會加劇機械的有形老化。9/27/2023

③結論：當機械老化到一定程度時，其使用價值降低，使用費用提高。要消除有形老化，可通過修理來恢復，且修理費應小于新機械的價值。當有形老化達到機械喪失工作能力，通過修理也不能恢復其功能時，則需用更新的機械來代替原有的機械。9/27/2023（二）無形老化

機械設備在使用或閑置過程中，由于非自然力和非使用所引起機械設備價值的損失，在實物形態(tài)上看不出來的老化現象稱之為無形老化或經濟老化。無形老化分兩種形式：(1)由于科技進步使生產率提高，勞動耗費降低，生產工藝改進，增大生產規(guī)模等原因，雖機械設備的技術結構和經濟性能并未改變，但再生產該種機械的價格降低，而使其貶值的現象，叫做第一種無形老化。9/27/2023(2)由于不斷出現結構更合理、技術性能更佳、效率更高、經濟效益更好的新型機械設備，使原機械顯得技術陳舊、功能落后而產生的經濟老化（原機械的價值相對降低）稱作第二種無形老化。無形老化是社會生產力發(fā)展的結果，老化愈快，說明科技進步愈快。因此對無形老化我們不能防止它，而應認真研究其規(guī)律，使機械購人后，盡早盡快投人使用，提高利用率，在經濟壽命期間內創(chuàng)造更多的價值，取得較高的經濟效益。9/27/2023二、老化的起因

由于無形老化的產生的原因主要是因為科技進步引起，在此我們不再進行更多的探究。引起有形老化的原因較多，研究對機械造成有害作用的根源，查明降低機械工作能力的過程的物理實質，弄清機械本身對這些作用所產生的反應，有助于從設計、制造、使用和維修等方面采用有效可行的措施，降低有形老化速率，延長機械的使用壽命和經濟壽命，從而最大限度地發(fā)揮機械的效能。9/27/2023

機械設備有形老化的起因，可從不同的角度來研究認識，我們可從能量的角度考察。機械設備在制造后和使用、閑置過程中，會受到各種能量的作用。這些能量可歸納為三類：ⅰ周圍介質能量的作用；ⅱ機械內部機械能的作用；ⅲ在制造中聚集在機械零件內部潛伏作用的能量。9/27/2023（一）周圍介質能量的作用作用于機械上的周圍介質能量有：1．熱能——周圍介質溫度的變化，來源于大環(huán)境溫度的變化以及由于機械自身及周圍其他機械的發(fā)熱作用而造成的小環(huán)境溫度的變化。熱能對機械零件產生作用和影響有：熱脹冷縮；金屬組織和性能的變化；有機材料制造的零件的軟化、蠕變及老化；溫度升高使?jié)櫥驼扯茸兓?，氧化增強，易變質，潤滑性能變差，加速機件的磨損等。9/27/20232．化學能——金屬零件表面上的水分及其他浸蝕性氣體或液體的作用，會使零件表面受腐蝕破壞。如水蒸氣冷凝成水珠沾附于鋼鐵件表面時會引起電化學腐蝕，機械設備在閑置時若無保護措施也會產生這種破壞；柴油含硫量過多會造成氣缸、活塞、活塞環(huán)等零件的腐蝕磨損；柴油發(fā)動機長期在低溫工作狀態(tài)下運行也會造成氣缸、活塞環(huán)等零件的腐蝕。機械在酸性或堿性環(huán)境中作業(yè)，不僅腐蝕機械外表，而且使空氣中的酸性或堿性物質吸人氣缸、造成機件的腐蝕。經常在泥濘環(huán)境下工作的機械，其底盤及行走裝置在腐蝕、氧化環(huán)境中也極易引起技術狀況變壞。9/27/20233．其他形式的能量——如有害生物的浸蝕會破壞常用的絕緣材料甚至金屬材料。4．操作不當——操作和修理機械的人員因誤操作或操作不合要求，極易損害機械的工作能力，嚴重者可造成機械工作能力完全喪失或者釀成事故。如機械長時間的超負荷運行，易造成零件變形及磨損加劇；超速運行時，由于附加載荷過大造成零件的變形甚至斷裂；冬季起動時，不加冷卻水，發(fā)動機未達到正常溫度就進人大負荷作業(yè)，操作粗野，冬季停機后立即放水等違反操作規(guī)程的使用方式，都可造成機械的技術狀況迅速惡化；不按維修技術標準對機械進行維修，其維修質量肯定低劣。9/27/2023（二）機械設備內部機械能的作用在機械工作過程中，機械能不僅沿著各個機件傳遞，還與外部介質（被驅動的機械和工作的對象）發(fā)生作用，引起載荷對機械產生作用，且機械能還用以克服運動件的摩擦阻力。載荷和摩擦對機械作用的結果將使機械產生疲勞磨損、變形和內應力再分布等，這些不可逆的過程，會使機械隨工作時間的增長而產生有形老化。9/27/2023（三）在制造中聚集在機械零件材料內部的潛伏能量的作用這種潛伏能量表現為鑄件的內應力，機械加工或熱處理時零件的內應力，以及機械裝配時的內應力。這些內應力與零件工作載荷共同作用，可加速零件材料的損傷。如當零件材料中殘余內應力是拉伸內應力時，而零件工作時受載荷引起的工作應力也是拉伸壓力時，則二者共同作用的結果將使零件材料承受的是更大的拉伸應力。此應力若超過材料的強度，零件將會被破壞。除上述以外，結構設計、加工制造、油料品質、維護修理等方面的因素，也可引起有形老化速率的變化。9/27/2023第二節(jié)老化規(guī)律及補償一、老化的共同規(guī)律（一）零件壽命的不平衡性和分散性零件壽命有兩個特點，即異名零件壽命的不平衡性和同名零件壽命的分散性。在機械設備中，每個零件的設計、結構和工作條件不相同，老化的速度相差很大，形成了異名零件壽命的不平衡性。提高了一部分零件的壽命，而其他零件的壽命又相對縮短了。

異名零件壽命的不平衡是絕對的，平衡只是暫時和相對的。9/27/2023

對于同名零件，由于材質差異，加工與裝配的誤差，使用與維修的差別，其壽命長短不同，分布成正態(tài)曲線，形成同名零件壽命的分散性。這種分散性可設法減小，但不能消除，因此，它是絕對的。同名零件壽命的分散性又擴大了異名零件壽命的不平衡性。結論：零件壽命的這兩個特性完全適用于部件、總成和機械設備。9/27/2023（二）機械設備壽命的地區(qū)性和遞減性

機械設備的壽命受自然條件影響很大，如在惡劣工況下工作的工程機械，其行走部分及減速箱的磨損較大；在寒冷或炎熱以及沙漠地區(qū)工作的機械設備，其腐蝕和磨料磨損較大。這進一步擴大了機械壽命的分散性。這種影響在相同地區(qū)具有相同的趨勢，故稱之為機械壽命的地區(qū)性。

由于材料的物理、力學性能發(fā)生變化需要一定的時間，所以零件的許多缺陷只有經過相當時間的發(fā)展才逐漸顯露出來。受各方面條件的限制和制約，機械經過維修，其技術狀況經常達不到預定的要求，壽命將隨維修次數的增加而呈遞減的趨勢，即所謂壽命遞減性。9/27/2023（三）機械設備性能和效率的遞減性在機械設備的有形老化中，有些是可以通過維修予以恢復，有些因技術或經濟上的原因，在目前條件下還無法徹底恢復，因此，經過維修的機械設備其性能和效率呈遞減的趨勢，即所謂性能和效率的遞減性。

9/27/2023（四）材料性狀的不可逆性材料性狀不可逆性是指當外界因素停止作用后，零件材料的狀態(tài)發(fā)生了變化，不能恢復自身的原始狀態(tài)。如零件發(fā)生的磨損、腐蝕疲勞、內應力再分布以及扭曲畸變等是最有代表性的不可逆變化。這種不可逆性變化的規(guī)律稱為老化規(guī)律，它揭示了機械設備零件材料內部發(fā)生不可逆變化過程的物理、化學本質。9/27/2023二、老化過程的分類為了便于研究和解決抗老化過程的工程問題，對老化過程進行分類是必要的。項目老化過程的外部特征（損傷類型）老化過程的不同類別零件整體破壞韌性破壞、脆性破壞變形塑性變形、蠕變、彎曲、扭曲材料性能變化材料組織、化學成分、力學性能、塑性、污染程度（燃料油、潤滑油）等變化9/27/2023零件表面磨損磨損（擦傷）、表面層疲勞、擠壓損傷、材料轉移腐蝕銹蝕、浸蝕、氣蝕、燒蝕、裂紋腐蝕粘著粘著（粘附、內聚、吸附、擴散）、積垢、粘結表面層性能的變化粗糙度、硬度、應力狀態(tài)、反射能力等變化在上述分類中零件整體可能發(fā)生破壞、變形和材料性能變化，其中破壞是最具危險和災難性的老化過程。9/27/2023三、老化后的補償機械設備老化后，可以通過維修、更換、更新和改善性修理等方法進行補償。機械的有形老化與無形老化造成的經濟后果是有差別的。有形老化嚴重的機械在修理前常常不能正常工作，而無形老化嚴重的機械卻不影響它的繼續(xù)使用。機械老化形式不同，補償的方式也不同，補償分為局部補償和完全補償。機械的有形老化的局部補償是修理，無形老化的局部補償是現代化改裝。有形老化與無形老化的完全補償是機械設備更新。9/27/20239/27/20239/27/20239/27/20239/27/2023第三節(jié)機械故障理論概述

機械設備及機械零件在有形老化的影響下，往往會出現明顯的機械故障。在機械設備維修中，研究故障的目的是要查明故障模式，尋找故障機理，探求減少故障發(fā)生的方法，提高機械設備的可靠性程度和有效利用率。9/27/2023一、機械故障的定義機械故障——就是指機械系統(tǒng)（零件、組件、部件或整臺機械設備乃至一系列的機械設備組合）因偏離其設計狀態(tài)而喪失部分或全部功能的現象。一般將故障定義為：機械設備（系統(tǒng)）或零部件喪失了規(guī)定功能的狀態(tài)，通常把機械喪失規(guī)定的功能稱為功能故障，簡稱故障。在生產實踐中，為概括所有可能發(fā)生的事件，給故障下了一個廣泛的定義，即“故障是不合格的狀態(tài)”。9/27/2023對于故障，應明確規(guī)定的對象、規(guī)定的時間、規(guī)定的條件、規(guī)定的功能和一定的故障程度。如一定的故障程度應從定量的角度來估計功能喪失的嚴重性。通常見到的發(fā)動機發(fā)動不起來，汽車制動不靈，機械傳動系統(tǒng)運轉不平穩(wěn)，發(fā)動機的功率降低，工作機械的工作能力下降，燃料和潤滑油的消耗量異常增加等都是機械故障的表現形式，當其超出了規(guī)定的指標，即發(fā)生了故障。9/27/2023二、故障的分類對故障進行分類的目的——為了明確故障的物理概念，估計故障的影響深度，以便分門別類地找出解決機械故障的決策。機械設備的故障可從不同的角度進行分類，我們按其性質、原因、影響程度、故障發(fā)生時間等進行如圖1-2的分類。在實際工作中，采用何種故障分類，主要取決于所要解