機械零部件的失效問題及解決策略

陳 慶 蕊

(廈門華天涉外職業(yè)技術學院，福建 廈門 361102)

機械零部件的失效問題及解決策略

陳 慶 蕊

(廈門華天涉外職業(yè)技術學院，福建 廈門 361102)

摘要：分析機械零部件在使用過程中出現失效問題的原因、改進措施，目的在于更好地提高零部件的性能和使用壽命。

關鍵詞：機械零部件；失效；壽命；解決策略

0引言

眾所周知，在具體設計每一個機械零部件的時候，都會對該零件提出一定的功能要求，但是在作業(yè)過程中，由于各種因素的存在，會導致機械的形狀或材料的性能、組織發(fā)生一系列的變化,并使機械零部件無法實現其預定的功能，這種現象就叫做零部件失效。在具體的工業(yè)生產中，由于機械零部件失效而使機械設備處于故障中或者影響產品質量的情況比比皆是。更為嚴重的是，一些重要的設備如果有一些零部件失效，還會給企業(yè)造成較大的經濟損失，甚至會導致有關人員的傷亡。所以，分析機械零部件的失效的形式、原因、改進措施對提高企業(yè)生產效率、生產安全、改進產品質量具有重要作用。

1機械零部件失效的主要形式

在機械零部件的作業(yè)過程中，常常會發(fā)生失效現象。根據工程實際經驗來看，常見的失效形式主要有以下4種:磨損、腐蝕、變形、斷裂。任何一種形式的失效都會有其產生的條件、特征及判斷依據,而且一旦零件出現失效，很有可能是幾種情況同時發(fā)生。

1.1磨損

作業(yè)時，相互接觸并產生相對運動的物體的材料表面往往會出現一定的位移及分離,從而使零件的表面形狀、尺寸、組織等發(fā)生根本性的變化，這一情況就是指磨損現象。在工業(yè)生產中，如果按照磨損的形式來劃分，主要有腐蝕磨損、疲勞磨損、摩擦磨損、磨料磨損等。一般來說，磨料磨損指的是硬磨粒(石英砂、金屬屑等)滲透于機械設備內部(如齒輪間隙);摩擦磨損主要是指蝸輪—蝸桿、機床導軌、模具、刀具等的失效;沖蝕磨損指的是水泵葉輪、機床冷卻液管路等受固體微小顆粒沖擊或者是流體引起的;微動磨損則往往是發(fā)生在壓配合處、軸承—軸承座、鉚接處;腐蝕磨損多半見于設備外殼、氣缸—活塞等;疲勞磨損主要是發(fā)生在滾動軸承、齒輪等零件中。

1.2腐蝕

腐蝕主要指的是零部件在化學、電化或物理等各種作用下而出現的破壞。腐蝕從分布情況來看，主要有全面腐蝕和局部腐蝕。全面腐蝕相對來說比較好把握,失效分析多半是對局部腐蝕來說的。局部腐蝕從其發(fā)展的情況看，主要有晶間腐蝕、應力腐蝕開裂、點腐蝕、縫隙腐蝕、腐蝕磨損及氫損傷等。從我們看到的零部件來說，大多數是金屬材料。所有的金屬都對點腐蝕比較敏感,在氧化劑、有活性侵蝕離子共存的環(huán)境下,金屬產生點腐蝕的概率較大;縫隙腐蝕多半是出現在螺母壓緊面、銹層、法蘭連接面;晶間腐蝕主要是出現在奧氏體不銹鋼的焊縫上;應力腐蝕開裂一般是合金在冷彎、冷拔、鑄造、焊接及熱處理等過程中出現的殘余應力;腐蝕疲勞一般是指金屬在腐蝕介質或者是交變載荷共同作用下產生的。

1.3變形

變形一般是指物體受到外力的作用，形狀和尺寸發(fā)生相應的變化,只要物體受力就會出現變形，只是幅度大小不方便控制。在外力不斷增加的情況下,機械零部件在此過程中的變形也會不斷地上升。而經過彈性變形階段和塑性變形階段以后,再增加變形量，就會在機械零部件的表面產生裂紋，裂紋向外擴展，直到最后出現斷裂。在一般情況下，機械零部件主要有兩種變形：彈性變形和塑性變形,而出現了高溫以后，還會發(fā)生蠕變失效和熱松弛失效現象。

1.4斷裂

斷裂主要指的是機械零部件在應力的作用下發(fā)生分離，從而成為相互獨立的若干部分的一種現象。斷裂失效相對于其他類型的失效而言，是機械產品中危險系數最大的一種失效形式，其他形式的失效很有可能零件還可以繼續(xù)使用，但是如果發(fā)生這類失效，就意味著零件報廢，無法再具備使用價值。從其分類來看，也比較復雜，主要有以下幾種形式:

(1)根據斷裂機理的差異，可以把其劃分為滑移分離、韌窩斷裂、蠕變斷裂、解理與準解理斷裂、沿晶斷裂和疲勞斷裂;

(2)根據斷裂時的路徑的區(qū)別，可以把其劃分為穿晶斷裂、沿晶斷裂和混晶斷裂;

(3)按照性質的不同，又可以把其劃分為韌性斷裂、脆性斷裂和疲勞斷裂,在實際的作業(yè)過程中，斷裂失效主要是采用上面的分類思路。

2機械零部件失效的原因

從機械零部件失效的情況來看，失效原因可以劃分為內因和外因。內因是指材料的成分、組織、缺陷、性能等；外因主要是設計、制造、使用、環(huán)境等原因。設計方面，主要是設計人員保守，未能采用先進的設計理念；制造方面則可能是未采用先進的設備或制造工藝；使用方面是在使用過程中未能加以重視，如沒有定期維護和保養(yǎng)，沒有按照相應的設備的要求來操作等；環(huán)境方面主要是設備長期處于高溫等惡劣環(huán)境下工作。

3提高機械零部件使用壽命的措施

機械零部件失效以后會給工業(yè)生產帶來較大的損失，所以我們要采用切實可行的策略，來進一步防范機械零部件失效的發(fā)生,提高其使用壽命,實現工業(yè)的高效生產。

3.1設計時對摩擦學理論予以重視

按照機械磨損的失效形式,依據摩擦原理進行分析，并改善設計工作,這樣可以極大地改進機械設備以及零部件的使用壽命。如對振動軸承沖擊與摩擦耦合磨損機理及影響因素進行分析,將極大地促進軸承工況參數、幾何參數、表面性能和潤滑條件等的改進工作,同時還可以更好地設計出能夠在惡劣工況下工作的耐磨、抗疲勞軸承。

3.2發(fā)揮表面工程技術的作用

摩擦、磨損都是在相互發(fā)生作用的表面上。所以，可以采用增強零部件的表面性能的方法,以達到改進設備的抗磨性和耐腐蝕性的目的。以煤礦機械零部件為例，對于挖掘機鏟斗、刮板輸送機中部槽等，要使用堆焊技術；對井架、井筒等主要采用熱噴涂防腐技術；對刮板、截齒等則采用激光技術。不同技術的有效使用可以使零部件及整體設備的使用壽命有所增長。所以,要把表面工程的技術作用發(fā)揮出來，并盡一切可能利用抗磨耐腐涂層等各類保護措施，以達到解決機械零部件的磨損、腐蝕問題的目的。

3.3加速抗磨材料的研發(fā)

一直以來，我國的機械使用低碳錳鋼(16Mn,20Mn等)等制造耐磨零件，這種鋼有良好的熱加工性能,比普通碳鋼更具有抗磨性。如今在材料耐磨性和強度等都不斷提高的情況下,在其中要加入一些多元合金化元素,可以使機械零部件的抗腐蝕性、抗磨性、綜合機械性能得以提高。如采煤機設備使用的是鑄鋼齒軌,刮板輸送機的鑄鋼槽幫做了調質處理等,這進一步提高了零部件的抗磨性能。此外，我們還要做好抗磨性材料的研發(fā)工作。與此同時,我們一定要把推廣工程塑料、橡膠、聚胺脂等非金屬材料,和一些半金屬復合材料作為今后的工作重點。如在振動篩上，我們采用的是聚胺脂篩板和橡膠彈簧,其耐磨性和抗疲勞性都比以往有較大的上升，使用時間都在增加。

3.4強化設備的維護管理

大多數的機械都要在較為惡劣的環(huán)境下工作，尤其是重工業(yè)企業(yè)，這一情況顯得特別明顯。機械在環(huán)境極其復雜的情況下工作，不僅條件苛刻,而且還會存在潤滑不良、磨損、腐蝕等一系列問題。所以，我們一定要做好設備使用的維護和管理工作,嚴格依據操作規(guī)程辦事，從而使工況條件的惡化可以得到好轉,如超速、超載等會減少發(fā)生。與此同時,還要盡可能地為設備的使用創(chuàng)造良好的條件，對設備開展定期維護,及時地進行保養(yǎng)，保證所有的零部件都可以在較好的條件下工作。強化對設備的維護和管理,盡一切可能減少設備的磨損，提高設備的使用壽命。從總的情況來看，盡管磨損機理研究、摩擦學設計、耐磨材料研發(fā)等都是改進機械零部件的重要手段，但是它們一直是位于高科技領域，與其他科學技術的發(fā)展和社會進步會有較大的關聯，所以要花較長的時間，并且還要有大量的投入，不能一蹴而就。相對來說，設備的維護管理工作對于提高設備的使用壽命是一項非常重要的手段。

4結語

在生產條件極其惡劣，以及工作環(huán)境不是很優(yōu)越的情況下，設備出現失效的情況在企業(yè)，尤其是大型企業(yè)中隨處可見。特別是一些大型設備中的重要零部件磨損，影響正常的生產，每年都會給企業(yè)帶來較大損失。因此，政府和相關部門要對此類事件有足夠的重視。就當前來看，如何有效地解決機械零部件的磨損失效仍然是其中的一個重要課題。重視摩擦學理論的應用,充分發(fā)揮表面工程技術的作用,加速抗磨材料的研發(fā),以及對設備進行有效維護與管理,將是減少機械零部件磨損，以及提高設備使用壽命的關鍵所在,同時也是使企業(yè)生產得以順利進行的重要保證。

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責任編輯：張耀華

作者簡介：陳慶蕊(1974—)，女，遼寧鐵嶺人，講師。研究方向：機械加工、模具設計制造、材料。

收稿日期：2014-12-01

中圖分類號：TH131

文獻標志碼：A

文章編號：1674-6341(2015)01-0028-02

doi:10.3969/j.issn.1674-6341.2015.01.013