農(nóng)業(yè)機(jī)械零件斷裂失效的類型及改進(jìn)措施

張建路

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，由于沒有科學(xué)合理地安排各種資源、技術(shù)和環(huán)境等因素導(dǎo)致了農(nóng)業(yè)機(jī)械零部件失效。目前，隨著經(jīng)濟(jì)水平不斷提高，人們對于產(chǎn)品的要求越來越高，要求我們要實現(xiàn)從“量”到“質(zhì)”的轉(zhuǎn)變，新興行業(yè)對機(jī)械零部件提出了更高要求，也就是高強(qiáng)度、精密性和可靠性。由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不合理導(dǎo)致其失效現(xiàn)象嚴(yán)重影響著我國國民經(jīng)濟(jì)及國民生活水平發(fā)展?fàn)顩r，所以我們必須針對這些問題采取相應(yīng)措施加以改善以滿足人們的需求。

一、農(nóng)業(yè)機(jī)械零件斷裂失效的機(jī)理分析

（一）農(nóng)業(yè)機(jī)械零件的應(yīng)力場

應(yīng)力場是機(jī)械零件在工作過程中的一個重要參數(shù)，它決定了材料、模具和機(jī)床等零部件的性能。當(dāng)這些部件發(fā)生斷裂時，往往會導(dǎo)致整個系統(tǒng)失效，溫度變化對機(jī)械零件疲勞損傷的情況如下。1.高溫?zé)嵫h(huán)：由于溫度過高或過低都可能使金屬塑性區(qū)開裂，同時也有部分區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。此外，還有因局部過熱而產(chǎn)生過大變形的情況下導(dǎo)致應(yīng)力集中現(xiàn)象。2.工況熱循環(huán)：當(dāng)溫度較高時，零件變形，在高溫環(huán)境下的疲勞損傷也會出現(xiàn)；反之，如果溫度過低的話，容易產(chǎn)生裂紋和夾雜等問題。機(jī)械加工過程中所受力分布不均勻、各部分材料性質(zhì)不同都影響力學(xué)性能參數(shù)變化規(guī)律以及最終產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)改變程度。此外，還有載荷過大而引起應(yīng)力集中現(xiàn)象等原因。

（二）農(nóng)業(yè)機(jī)械零件的應(yīng)變

在農(nóng)業(yè)機(jī)械零件中，由于受熱過程的影響，其溫度和速度都會發(fā)生變化，因此對這些部件進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析是非常重要的。對于剛度較小、強(qiáng)度較大但塑性較差的零部件而言（如軸類），可以通過加強(qiáng)強(qiáng)度來提高它的耐磨性能；而結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜或變形程度比較大或者具有一定脆性時需要在設(shè)計階段考慮如何降低應(yīng)力集中，從而減少失效概率發(fā)生。此外，還應(yīng)考慮到機(jī)械零件中某些部分材料對溫度和濕度影響較小，因此，在進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析時，應(yīng)考慮到以下幾個方面：1.要對機(jī)械零件的受熱部位、溫度、濕度等因素有充分了解；2.根據(jù)實際情況選擇適當(dāng)材料；3.在選擇材料時，要考慮到機(jī)械零件的使用環(huán)境，盡量避免對其產(chǎn)生影響；4.根據(jù)實際情況確定合理結(jié)構(gòu)形狀和尺寸。

（三）農(nóng)業(yè)機(jī)械零件的強(qiáng)度

在進(jìn)行機(jī)械零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計時，要對其強(qiáng)度和硬度有一個比較好的把握，這樣才可以保證整個傳動系統(tǒng)能夠穩(wěn)定，并且提高效率，但是因為我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模較大、機(jī)械化程度較低以及農(nóng)民素質(zhì)普遍不高等原因造成農(nóng)業(yè)機(jī)械零部件的失效較為嚴(yán)重。在進(jìn)行傳動軸系選擇時要考慮到它本身所需要承受的載荷大小和重量，要盡可能減少零件之間相互摩擦力對連接件產(chǎn)生影響作用，還要避免發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，保證傳動系統(tǒng)在工作中要有足夠的剛度和強(qiáng)度；對于軸端軸承來說需要承受很大壓力，在使用中要保證它的耐磨性，并且還要防止因為磨損導(dǎo)致軸發(fā)生失效；對于一些特殊零部件來說，需要考慮到強(qiáng)度、硬度等因素。

（四）農(nóng)業(yè)機(jī)械零件的壽命

農(nóng)業(yè)機(jī)械零件的壽命是指農(nóng)用發(fā)動機(jī)、電動機(jī)和電機(jī)等零部件在一定年限內(nèi)使用后，其總能達(dá)到規(guī)定程度或者超過某一個特定極限時，一般情況下都會出現(xiàn)損壞。影響農(nóng)業(yè)機(jī)械零部件壽命的因素主要是磨損和疲勞損傷，其中材料的強(qiáng)度、形狀以及表面粗糙度對機(jī)械零部件壽命有很大影響，所以提高產(chǎn)品質(zhì)量和延長使用周期也成為減少其失效概率的重要手段。1.在使用過程中應(yīng)注重其耐磨性；2.機(jī)床與部件之間及刀具與零件間摩擦力平衡程度等因素對機(jī)械零部件磨損情況都會造成失效或斷裂現(xiàn)象，而這些損傷主要是由于工件表面粗糙度、加工誤差以及裝配不規(guī)范引起的；3.由于疲勞損傷和磨損，機(jī)械零件容易發(fā)生失效，因此在使用過程中應(yīng)注意其耐磨性。

二、農(nóng)業(yè)機(jī)械零件的斷裂失效類型

（一）脆性斷裂

農(nóng)業(yè)機(jī)械零件斷裂的最主要原因是其內(nèi)部應(yīng)力集中，當(dāng)零件在外界作用下，由于外部因素影響使得變形或者開裂時發(fā)生脆性斷裂。1.材料自身缺陷：農(nóng)業(yè)機(jī)械零件材料本身有一定程度上的形變和尺寸變化。比如熱處理、化學(xué)改性等工藝過程中存在著殘余物或晶界結(jié)構(gòu)發(fā)生變化導(dǎo)致晶體組織改變；還有某些特殊情況，如溫度對金屬性能也會產(chǎn)生很大的影響，這些原因都可能引起農(nóng)業(yè)機(jī)械零件脆斷失效或者塑型變形失效或疲勞裂紋；2.工藝過程：農(nóng)業(yè)機(jī)械零件材料在加工的不同階段，其內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)會發(fā)生不同程度的變化，從而導(dǎo)致斷裂。當(dāng)這些因素超過臨界值時就可能造成脆性裂紋；而塑性變形失效的主要因素是晶界分布不均或者農(nóng)業(yè)機(jī)械零件存在著微小裂紋，也可能是因為溫度對其影響較大，在斷裂過程中，由于晶界結(jié)構(gòu)的變化，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)機(jī)械零件材料內(nèi)部存在較大差異，從而產(chǎn)生不同程度上的脆性、塑形變形或疲勞開裂，而這些不均是造成失效的原因。

（二）疲勞斷裂

疲勞斷裂是指零件在其工作的過程中，由于各種因素導(dǎo)致材料出現(xiàn)了變形、應(yīng)力集中現(xiàn)象。當(dāng)這些因素持續(xù)累積到一定程度時就會造成斷裂。1.金屬塑性變形：農(nóng)業(yè)機(jī)械零件金屬內(nèi)部結(jié)構(gòu)受到外部環(huán)境作用力而發(fā)生形變和開裂或由于溫度變化引起的熱膨脹，從而產(chǎn)生疲勞破壞等現(xiàn)象。2.疲勞斷裂：在農(nóng)業(yè)機(jī)械零件金屬中含有較多雜質(zhì)，當(dāng)這些雜質(zhì)與外界環(huán)境接觸時，會產(chǎn)生較大熱量而導(dǎo)致材料內(nèi)部溫度迅速升高。當(dāng)農(nóng)業(yè)機(jī)械零件受到外部載荷作用下發(fā)生變形、開裂等現(xiàn)象時就構(gòu)成疲勞破壞。由于農(nóng)業(yè)機(jī)械零件表面粗糙度和缺陷都比較高、分布較為分散不均的特點造成其出現(xiàn)斷裂失效，從而產(chǎn)生較大裂紋。在疲勞破壞中，由于熱應(yīng)力的作用，農(nóng)業(yè)機(jī)械零件材料內(nèi)部會產(chǎn)生局部微裂紋。3.當(dāng)農(nóng)業(yè)機(jī)械零件工作時受到外界力而發(fā)生變形或開裂當(dāng)零件工作時，材料的內(nèi)部會產(chǎn)生拉應(yīng)力，這些力就稱為疲勞裂紋。

（三）結(jié)構(gòu)性斷裂

結(jié)構(gòu)性斷裂是一種常見的失效類型，它在機(jī)械零部件中最為明顯。一般情況下，如果零件材料本身有缺陷或者加工工藝存在不足等問題時都會導(dǎo)致這類現(xiàn)象發(fā)生，如當(dāng)軸心部位出現(xiàn)裂紋、疲勞磨損以及應(yīng)力集中時，零件最終工作狀態(tài)受到影響從而產(chǎn)生的損壞和破壞。在農(nóng)業(yè)機(jī)械零部件中主要包含：螺栓連接，軸承座與支架之間、齒輪傳動副與支撐銷孔軸承座與支撐銷孔、螺栓的連接及支承板等零件，這些部件在工作時都會產(chǎn)生應(yīng)力集中，當(dāng)受到外界力作用而發(fā)生破壞或者斷裂，那么就很容易導(dǎo)致失效。結(jié)構(gòu)性斷裂的原因是多方面的，例如：材料本身存在缺陷、工藝過程中產(chǎn)生問題以及加工精度和表面質(zhì)量等造成了零件失效；還有一個普遍存在的原因是在設(shè)計方面出現(xiàn)錯誤而導(dǎo)致產(chǎn)品不合格。一般情況下，在對農(nóng)業(yè)機(jī)械零件進(jìn)行制造時，都是選用具有較高耐磨性能及熱處理能力良好，能滿足使用要求且能夠保證其硬度與強(qiáng)度符合的鑄件，要對其進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)性分析，這樣才可以避免斷裂。

三、農(nóng)業(yè)機(jī)械零件斷裂失效的改進(jìn)措施

（一）調(diào)整農(nóng)機(jī)部件的結(jié)構(gòu)

在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)盡可能地選擇新的材料，以減少零件之間的接觸，使其盡量降低磨損。1.對關(guān)鍵部件進(jìn)行合理改進(jìn)。對于農(nóng)業(yè)機(jī)械零件中那些容易發(fā)生失效現(xiàn)象或損傷較大、應(yīng)力集中嚴(yán)重的部分要加強(qiáng)強(qiáng)度校核與優(yōu)化調(diào)整，而某些不重要部件應(yīng)采取適當(dāng)補(bǔ)償措施以減少這種可能的結(jié)果，同時也可以通過更換結(jié)構(gòu)來提高其抗疲勞性及耐磨性，避免在失效后重新更換。對關(guān)鍵部件進(jìn)行優(yōu)化組合。2.對于農(nóng)業(yè)機(jī)械零件一些不需要特殊支撐的可以考慮增加強(qiáng)度或簡化設(shè)計來保證質(zhì)量要求等方法來改善這些重點部位的性能及可靠性；而那些無法滿足上述條件的可采取補(bǔ)償措施以降低失效后所需承受載荷。3.對關(guān)鍵部件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。對于農(nóng)業(yè)機(jī)械零件重點部位或難產(chǎn)生失效現(xiàn)象時應(yīng)采取補(bǔ)償措施，以減少其發(fā)生后造成嚴(yán)重后果。

（二）加強(qiáng)對農(nóng)業(yè)機(jī)械零件的維護(hù)

在農(nóng)業(yè)機(jī)械零部件的制造和裝配過程中，必須要對其進(jìn)行維護(hù)，以確保它們能夠正常運(yùn)行，因此為了防止因磨損、變形等原因造成失效情況發(fā)生時對農(nóng)業(yè)機(jī)械零件造成損壞或影響使用壽命及可靠性的后果而導(dǎo)致事故，所以說如果想要減少由于這些因素引起失效現(xiàn)象產(chǎn)生概率最大化所帶來的損失，有必要加大維修力度與生產(chǎn)準(zhǔn)備工作；同時也應(yīng)該在日常工作中要注意保養(yǎng)維護(hù)，以保證其可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)和延長機(jī)器的使用年限。

（三）提高農(nóng)業(yè)機(jī)械零件的質(zhì)量

1.加強(qiáng)對農(nóng)業(yè)機(jī)械零件的檢測。首先要提高農(nóng)用機(jī)具在使用過程中的性能，保證其質(zhì)量，確保產(chǎn)品能達(dá)到國家規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)；其次是加大力度推廣優(yōu)質(zhì)高效、環(huán)保安全的新型材料和技術(shù)；2.嚴(yán)格執(zhí)行新規(guī)程制度。為了保障農(nóng)業(yè)機(jī)械零件嚴(yán)格規(guī)范化管理機(jī)制，要完善機(jī)械零件生產(chǎn)加工工藝的相關(guān)制度規(guī)則，進(jìn)行生產(chǎn)加工工作才能更好地發(fā)展下去；3.提高機(jī)械零件的制造工藝水平與制造精度以及使用壽命，加強(qiáng)對農(nóng)用機(jī)具質(zhì)量監(jiān)管，嚴(yán)格控制零件的質(zhì)量等級，對不合格產(chǎn)品進(jìn)行淘汰處理，提高機(jī)械生產(chǎn)效率；4.加強(qiáng)對農(nóng)用機(jī)械零部件的質(zhì)量監(jiān)管，嚴(yán)格把控其使用壽命，提高產(chǎn)品性能，降低生產(chǎn)成本。在機(jī)械零件制造過程中必須保證各個環(huán)節(jié)都符合標(biāo)準(zhǔn)。

（四）重視農(nóng)業(yè)機(jī)械零件的修復(fù)

在實際的生產(chǎn)中，農(nóng)業(yè)機(jī)械零件零件之間存在著各種不同程度、不同種類的磨損，其性能也有差異，所以對于這些情況下我們需要選擇合適有效的材料來進(jìn)行修復(fù)工作。1.對農(nóng)業(yè)機(jī)械零件表面進(jìn)行處理：首先要去除那些農(nóng)業(yè)機(jī)械零件由于磨損而導(dǎo)致失效損壞或者影響使用壽命和質(zhì)量等問題；其次是清除農(nóng)業(yè)機(jī)械零件已經(jīng)發(fā)生損傷或腐蝕的部分；最后是清理農(nóng)業(yè)機(jī)械零件中存在新出現(xiàn)的裂紋，使其斷裂位置能夠準(zhǔn)確無誤地被識別出來。2.對農(nóng)業(yè)機(jī)械零部件進(jìn)行加工：對于一些復(fù)雜的零件，我們需要在其表面用磨料來去除，這樣才能使其達(dá)到預(yù)期使用壽命和使用性能，同時還要注意的是要選擇適合材料的化學(xué)成分。

為了避免由于磨損而引起失效現(xiàn)象發(fā)生采取相應(yīng)措施：1.對機(jī)械部件中存在裂紋等問題及時更換新零部件以防止出現(xiàn)斷裂情況；2.對于一些比較輕微的零件可以選用磨料從而來提高其耐磨性，減少因為磨損而引起的失效；3.對于一些比較輕微的零部件，可以采用砂輪對零件進(jìn)行加工。

（作者單位：徐州安保中等專業(yè)學(xué)校）