CPV考試輔導(dǎo)機(jī)器設(shè)備壽命估算講義

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本講是機(jī)電評(píng)估基礎(chǔ)的第十五講 講述教材第7章設(shè)備壽命估算,主要內(nèi)容包括:機(jī)器設(shè)備的壽命、磨損壽命、疲勞壽命理論及應(yīng)用、損傷零件壽命估算和設(shè)備的經(jīng)濟(jì)壽命估算。
     1.了解機(jī)器設(shè)備自然壽命、技術(shù)壽命、經(jīng)濟(jì)壽命的定義及其影響因素。
     2.掌握磨損的基本概念和剩余磨損壽命的計(jì)算。
     3.掌握疲勞損傷的作用機(jī)理、在機(jī)器設(shè)備技術(shù)鑒定中的應(yīng)用及在簡(jiǎn)單情況下的疲勞壽命的計(jì)算。
     4.掌握損傷零件的壽命估算。
     一、概述(了解機(jī)器設(shè)備自然壽命、技術(shù)壽命、經(jīng)濟(jì)壽命的定義及其影響因素)
     機(jī)器設(shè)備壽命的概念:是設(shè)備從使用到淘汰的整個(gè)時(shí)間過(guò)程。
     機(jī)器設(shè)備的壽命按其性質(zhì)可分為:自然壽命、經(jīng)濟(jì)壽命、技術(shù)壽命。掌握他們的含義。
     1.自然壽命是機(jī)器設(shè)備從開(kāi)始使用起,到由于有形磨損的原因造成不能繼續(xù)使用為止所經(jīng)歷的整個(gè)時(shí)間。
     2.經(jīng)濟(jì)壽命是指設(shè)備從投入使用到因繼續(xù)使用造成經(jīng)濟(jì)上不合理而退出服務(wù)為止所經(jīng)歷的時(shí)間。經(jīng)濟(jì)壽命受有形磨損和無(wú)形磨損的共同影響:
     (1)自然壽命后期,設(shè)備老化(主要是磨損),維修、能源消耗費(fèi)用越來(lái)越高,依據(jù)設(shè)備的維持費(fèi)用所確定的更新周期,即設(shè)備的經(jīng)濟(jì)壽命。
     (2)第Ⅰ種無(wú)形磨損引起更新成本降低,更換新設(shè)備比維護(hù)舊設(shè)備更加合算。
     (3)第Ⅱ種無(wú)形磨損也直接影響壽命,從效率、能源消耗角度,使用舊設(shè)備經(jīng)濟(jì)上不合算
     3.技術(shù)壽命是設(shè)備從投產(chǎn)到由于新技術(shù)的出現(xiàn)使其喪失使用價(jià)值而被淘汰為止所經(jīng)歷的時(shí)間。第Ⅱ種無(wú)形磨損可以縮短技術(shù)壽命。
     二、磨損壽命(掌握磨損的基本概念和剩余磨損壽命的計(jì)算)
     (一)、磨損的基本概念
    磨損的主要表現(xiàn)形式為物體尺寸或幾何形狀的改變,表面質(zhì)量的變化。
    (二)、典型的磨損過(guò)程
    1、典型磨損過(guò)程:它分為三個(gè)階段:初期磨損階段、正常磨損階段、急劇磨損階段。一般了解
    2、 磨損方程、磨損壽命及磨損率
     (1)第Ⅰ階段磨損方程。公式7-1
     s = s min + t(s0 - smin)/Δt1
    (2)第Ⅰ階段磨損方程。公式7-2
     (3)簡(jiǎn)化的磨損方程。公式7-3
     3、磨損壽命T = Δsmax/ tgα
     材料的抗磨強(qiáng)度越大,tgα越小,零件的工作時(shí)間越長(zhǎng)。
     4、磨損率
     αm=(s-s0)/(smax-s0)
    要熟練掌握它們的計(jì)算公式,并能夠熟練應(yīng)用。
    (三)、 剩余磨損壽命的計(jì)算
     (1)對(duì)新機(jī)器或零部件磨損壽命估算,首先要確定磨損強(qiáng)度tgα和磨損極限Δsmax。
    總的磨損壽命:T=(smax-s0)/ tgα=Δsmax/ tgα
    (2)對(duì)在用機(jī)器設(shè)備的磨損強(qiáng)度可根據(jù)歷史數(shù)據(jù)估算,首先確定實(shí)際磨損量Δs、已運(yùn)行時(shí)間Δt,得出tgα=Δs/Δt,然后計(jì)算剩余磨損壽命Ts。
     Ts=(Δsmax-Δs)/tgα
     (3)例題1(新增)
     (4)例2:計(jì)算某起重機(jī)卷筒剩余磨損壽命和磨損率。已知:原始壁厚20mm,現(xiàn)在壁厚18.5mm,磨損允許極限是原筒壁厚度的20%,起重機(jī)已運(yùn)行4年。
    (1)確定極限磨損量Δsmax:
     Δsmax=20mm×20%=4(mm)
    (2)該卷筒的實(shí)際磨損量Δs:
     Δs=20-18.5=1.5(mm)
    (3)計(jì)算磨損強(qiáng)度tgα:
     tgα=Δs/Δt=(20-18.5)/4=0.375(mm/年)
    (4)剩余磨損壽命Ts
     Ts=(Δsmax-Δs)/tgα=(4-1.5)/0.375=6.67(年)
    (5)磨損率αm: αm=Δs / Δsmax=1.5/4=37.5%
    三、疲勞壽命理論及應(yīng)用(掌握疲勞損傷的作用機(jī)理、在機(jī)器設(shè)備技術(shù)鑒定中的應(yīng)用及在簡(jiǎn)單情況下的疲勞壽命的計(jì)算)
    (一)、 基本概念
    掌握應(yīng)力、應(yīng)變及材料強(qiáng)度的概念、定義。熟練應(yīng)用許用應(yīng)力的計(jì)算公式。
     例題3,新增
    (二)、 疲勞及疲勞壽命
    材料在疲勞破壞前所經(jīng)歷的應(yīng)力循環(huán)稱(chēng)為疲勞壽命。在機(jī)械工程中最常見(jiàn)的疲勞是高周疲勞。
    (三)、 疲勞壽命曲線(xiàn)
    常規(guī)疲勞強(qiáng)度計(jì)算是以名義應(yīng)力(不是應(yīng)力集中部位的應(yīng)力)為基礎(chǔ),以疲勞壽命曲線(xiàn)S-N(包括σ-N和δ-N)為依據(jù)。
    圖7-3是一種結(jié)構(gòu)鋼根據(jù)試驗(yàn)得到的S-N(σ-N)曲線(xiàn)。
    (1).曲線(xiàn)右部分,是一條水平線(xiàn),即σ低到一定程度,循環(huán)次數(shù)N可以無(wú)限,為無(wú)限壽命區(qū)。水平線(xiàn)起始點(diǎn)為M,對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值稱(chēng)為疲勞極限σ-1;對(duì)應(yīng)于M的循環(huán)數(shù),稱(chēng)循環(huán)基數(shù)N0,請(qǐng)注意:N0=107。
    (2)曲線(xiàn)左部分,N< N0是有限壽命區(qū),受到一定的工作應(yīng)力σ,其疲勞壽命的循環(huán)次數(shù)為<107的數(shù)值。σ和N的關(guān)系曲線(xiàn)表達(dá)式為:
     σmN=C
     m、C-是與材料有關(guān)的常數(shù)
    在有限壽命區(qū),給定循環(huán)數(shù)N相對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為有限疲勞極限σ,又稱(chēng)條件疲勞極限。
    (M點(diǎn)也是這條曲線(xiàn)的終點(diǎn),M點(diǎn)上的σ(σ-1)和N(N0)也符合上面關(guān)系式)
    (四)、循環(huán)應(yīng)力的特性
    循環(huán)交變應(yīng)力的變化是有不同的特點(diǎn)的,也就是說(shuō)有循環(huán)應(yīng)力的特性γ,γ=σmin/σMAX。
    當(dāng)γ=-1(σmin=-σMAX)對(duì)稱(chēng)循環(huán)應(yīng)力。
     γ=0(σmin=0)脈動(dòng)循環(huán)應(yīng)力。
     γ=1(σmin=σMAX)也就是靜應(yīng)力。
    不同的循環(huán)特性變化的交變應(yīng)力,有不同的S-N曲線(xiàn)、不同的疲勞極限,圖7-4是不同循環(huán)特性的等壽命曲線(xiàn):γ=-1→縱坐標(biāo)上A點(diǎn)、γ=1→橫坐標(biāo)上B點(diǎn)、γ=0→450斜線(xiàn)的C點(diǎn)的應(yīng)力值就是它們的疲勞極限值。
    (五)、 疲勞極限
    疲勞壽命曲線(xiàn)是用試樣通過(guò)試驗(yàn)做出來(lái)的,實(shí)際零件的疲勞極限與其是有差別的,要做必要的修正:
    (1)有效應(yīng)力集中系數(shù)。
    (2)尺寸系數(shù)。
    (3)表面狀態(tài)系數(shù)。
    (4)不對(duì)稱(chēng)循環(huán)度系數(shù)。
     例題5為新增。
    (六)、 疲勞損傷積累理論
    1、當(dāng)零件所受的應(yīng)力高于疲勞極,每一次載荷循環(huán)都對(duì)零件造成一定量的損傷,并且這種損傷是可以積累的;當(dāng)損傷積累到臨界值時(shí),零件將產(chǎn)生疲勞破壞。
    2、線(xiàn)性疲勞損傷積累理論:每一次循環(huán)載荷的疲勞損傷是相互獨(dú)立的,總損傷是每一次疲勞損傷的線(xiàn)性累加。有代表性的理論是帕姆格倫-邁因納定理。
     3、邁因納定理
    在載荷譜中,各級(jí)應(yīng)力幅:σ1、σ2……σi……
     循環(huán)數(shù)分別是:n1、n2……ni……
     疲勞破壞的循環(huán)數(shù):N1、N2……Ni……
    按線(xiàn)性理論:比值(ni/ Ni)是材料受到σi的損傷率,總損傷率達(dá)100%時(shí),發(fā)生疲勞破壞,即。
    令N-疲勞壽命的循環(huán)次數(shù),得疲勞損傷表達(dá)式:
     ∑ni/ Ni=1
     其中:(ni/ N)-應(yīng)力為σi的循環(huán)次數(shù)在總循環(huán)數(shù)中占的比重,即頻度(頻繁程度)。
    Ni是σi單獨(dú)作用下的疲勞壽命次數(shù),按上面的σ-N曲線(xiàn)求得。
     4、例題6
     注意結(jié)論:該零件在給定載荷譜作用下,可以承受6,238X103次循環(huán)為新增
    (七)、疲勞理論的應(yīng)用
    重點(diǎn)掌握對(duì)已進(jìn)行疲勞壽命設(shè)計(jì)的機(jī)器設(shè)備使用疲勞壽命理論對(duì)設(shè)備的實(shí)際疲勞損傷程度和剩余壽命進(jìn)行計(jì)算的步驟以及書(shū)上的例題。掌握對(duì)未進(jìn)行疲勞壽命設(shè)計(jì)的機(jī)器設(shè)備用疲勞壽命理論估算設(shè)備的剩余物理壽命的程序(6步)。
    四、損傷零件壽命估算(掌握損傷零件的壽命估算)
    估算存在缺陷設(shè)備的剩余自然壽命,一般以斷裂力學(xué)理論為基礎(chǔ),采用斷裂韌性試驗(yàn)和無(wú)損檢測(cè)技術(shù)手段進(jìn)行。
    1. 基本理論
    斷裂力學(xué)認(rèn)為:零件的缺陷在循環(huán)載荷作用下會(huì)逐步擴(kuò)大,到缺陷擴(kuò)大到臨界尺寸時(shí)將發(fā)生斷裂破壞,這個(gè)過(guò)程稱(chēng)疲勞斷裂過(guò)程。
    疲勞斷裂過(guò)程的四個(gè)階段:①成核②微觀裂紋擴(kuò)展③宏觀裂紋擴(kuò)展④斷裂。
    掌握paris定理的經(jīng)驗(yàn)公式及各符號(hào)的意義
     dN= da/A(ΔK)n
     2. 損傷零件疲勞壽命估算
    掌握剩余使用壽命的計(jì)算,書(shū)上例題。
    3. 影響裂紋擴(kuò)展的其他因素
     應(yīng)力強(qiáng)度因子幅度是影響裂紋擴(kuò)展的主要參數(shù)。其他的參數(shù)如下:
    (1)應(yīng)力循環(huán)特性γ。
    (2)加載頻率:應(yīng)力強(qiáng)度因子幅度較高時(shí),其影響增大。
    (3)溫度的影響:溫度越高裂變擴(kuò)展速度越快。
    (4)環(huán)境介質(zhì)的影響。
    注:教材395頁(yè)面公式的計(jì)算,需要用到高等數(shù)學(xué)中的微積分原理,計(jì)算過(guò)程如下
    (∫amda= am+1/(m+1);m≠-1)
    本題中 m= -2,∫a-2da= a-2+1/-2+1=-1/a,將 9.38和3代入得到∫a-2da= -1/9.38-(-1/3),再將計(jì)算的值乘以前面的常數(shù)就可以得到答案1494