机械零部件的失效问题及解决策略

陈 庆 蕊

(厦门华天涉外职业技术学院，福建 厦门 361102)

机械零部件的失效问题及解决策略

陈 庆 蕊

(厦门华天涉外职业技术学院，福建 厦门 361102)

摘要：分析机械零部件在使用过程中出现失效问题的原因、改进措施，目的在于更好地提高零部件的性能和使用寿命。

关键词：机械零部件；失效；寿命；解决策略

0引言

众所周知，在具体设计每一个机械零部件的时候，都会对该零件提出一定的功能要求，但是在作业过程中，由于各种因素的存在，会导致机械的形状或材料的性能、组织发生一系列的变化,并使机械零部件无法实现其预定的功能，这种现象就叫做零部件失效。在具体的工业生产中，由于机械零部件失效而使机械设备处于故障中或者影响产品质量的情况比比皆是。更为严重的是，一些重要的设备如果有一些零部件失效，还会给企业造成较大的经济损失，甚至会导致有关人员的伤亡。所以，分析机械零部件的失效的形式、原因、改进措施对提高企业生产效率、生产安全、改进产品质量具有重要作用。

1机械零部件失效的主要形式

在机械零部件的作业过程中，常常会发生失效现象。根据工程实际经验来看，常见的失效形式主要有以下4种:磨损、腐蚀、变形、断裂。任何一种形式的失效都会有其产生的条件、特征及判断依据,而且一旦零件出现失效，很有可能是几种情况同时发生。

1.1磨损

作业时，相互接触并产生相对运动的物体的材料表面往往会出现一定的位移及分离,从而使零件的表面形状、尺寸、组织等发生根本性的变化，这一情况就是指磨损现象。在工业生产中，如果按照磨损的形式来划分，主要有腐蚀磨损、疲劳磨损、摩擦磨损、磨料磨损等。一般来说，磨料磨损指的是硬磨粒(石英砂、金属屑等)渗透于机械设备内部(如齿轮间隙);摩擦磨损主要是指蜗轮—蜗杆、机床导轨、模具、刀具等的失效;冲蚀磨损指的是水泵叶轮、机床冷却液管路等受固体微小颗粒冲击或者是流体引起的;微动磨损则往往是发生在压配合处、轴承—轴承座、铆接处;腐蚀磨损多半见于设备外壳、气缸—活塞等;疲劳磨损主要是发生在滚动轴承、齿轮等零件中。

1.2腐蚀

腐蚀主要指的是零部件在化学、电化或物理等各种作用下而出现的破坏。腐蚀从分布情况来看，主要有全面腐蚀和局部腐蚀。全面腐蚀相对来说比较好把握,失效分析多半是对局部腐蚀来说的。局部腐蚀从其发展的情况看，主要有晶间腐蚀、应力腐蚀开裂、点腐蚀、缝隙腐蚀、腐蚀磨损及氢损伤等。从我们看到的零部件来说，大多数是金属材料。所有的金属都对点腐蚀比较敏感,在氧化剂、有活性侵蚀离子共存的环境下,金属产生点腐蚀的概率较大;缝隙腐蚀多半是出现在螺母压紧面、锈层、法兰连接面;晶间腐蚀主要是出现在奥氏体不锈钢的焊缝上;应力腐蚀开裂一般是合金在冷弯、冷拔、铸造、焊接及热处理等过程中出现的残余应力;腐蚀疲劳一般是指金属在腐蚀介质或者是交变载荷共同作用下产生的。

1.3变形

变形一般是指物体受到外力的作用，形状和尺寸发生相应的变化,只要物体受力就会出现变形，只是幅度大小不方便控制。在外力不断增加的情况下,机械零部件在此过程中的变形也会不断地上升。而经过弹性变形阶段和塑性变形阶段以后,再增加变形量，就会在机械零部件的表面产生裂纹，裂纹向外扩展，直到最后出现断裂。在一般情况下，机械零部件主要有两种变形：弹性变形和塑性变形,而出现了高温以后，还会发生蠕变失效和热松弛失效现象。

1.4断裂

断裂主要指的是机械零部件在应力的作用下发生分离，从而成为相互独立的若干部分的一种现象。断裂失效相对于其他类型的失效而言，是机械产品中危险系数最大的一种失效形式，其他形式的失效很有可能零件还可以继续使用，但是如果发生这类失效，就意味着零件报废，无法再具备使用价值。从其分类来看，也比较复杂，主要有以下几种形式:

(1)根据断裂机理的差异，可以把其划分为滑移分离、韧窝断裂、蠕变断裂、解理与准解理断裂、沿晶断裂和疲劳断裂;

(2)根据断裂时的路径的区别，可以把其划分为穿晶断裂、沿晶断裂和混晶断裂;

(3)按照性质的不同，又可以把其划分为韧性断裂、脆性断裂和疲劳断裂,在实际的作业过程中，断裂失效主要是采用上面的分类思路。

2机械零部件失效的原因

从机械零部件失效的情况来看，失效原因可以划分为内因和外因。内因是指材料的成分、组织、缺陷、性能等；外因主要是设计、制造、使用、环境等原因。设计方面，主要是设计人员保守，未能采用先进的设计理念；制造方面则可能是未采用先进的设备或制造工艺；使用方面是在使用过程中未能加以重视，如没有定期维护和保养，没有按照相应的设备的要求来操作等；环境方面主要是设备长期处于高温等恶劣环境下工作。

3提高机械零部件使用寿命的措施

机械零部件失效以后会给工业生产带来较大的损失，所以我们要采用切实可行的策略，来进一步防范机械零部件失效的发生,提高其使用寿命,实现工业的高效生产。

3.1设计时对摩擦学理论予以重视

按照机械磨损的失效形式,依据摩擦原理进行分析，并改善设计工作,这样可以极大地改进机械设备以及零部件的使用寿命。如对振动轴承冲击与摩擦耦合磨损机理及影响因素进行分析,将极大地促进轴承工况参数、几何参数、表面性能和润滑条件等的改进工作,同时还可以更好地设计出能够在恶劣工况下工作的耐磨、抗疲劳轴承。

3.2发挥表面工程技术的作用

摩擦、磨损都是在相互发生作用的表面上。所以，可以采用增强零部件的表面性能的方法,以达到改进设备的抗磨性和耐腐蚀性的目的。以煤矿机械零部件为例，对于挖掘机铲斗、刮板输送机中部槽等，要使用堆焊技术；对井架、井筒等主要采用热喷涂防腐技术；对刮板、截齿等则采用激光技术。不同技术的有效使用可以使零部件及整体设备的使用寿命有所增长。所以,要把表面工程的技术作用发挥出来，并尽一切可能利用抗磨耐腐涂层等各类保护措施，以达到解决机械零部件的磨损、腐蚀问题的目的。

3.3加速抗磨材料的研发

一直以来，我国的机械使用低碳锰钢(16Mn,20Mn等)等制造耐磨零件，这种钢有良好的热加工性能,比普通碳钢更具有抗磨性。如今在材料耐磨性和强度等都不断提高的情况下,在其中要加入一些多元合金化元素,可以使机械零部件的抗腐蚀性、抗磨性、综合机械性能得以提高。如采煤机设备使用的是铸钢齿轨,刮板输送机的铸钢槽帮做了调质处理等,这进一步提高了零部件的抗磨性能。此外，我们还要做好抗磨性材料的研发工作。与此同时,我们一定要把推广工程塑料、橡胶、聚胺脂等非金属材料,和一些半金属复合材料作为今后的工作重点。如在振动筛上，我们采用的是聚胺脂筛板和橡胶弹簧,其耐磨性和抗疲劳性都比以往有较大的上升，使用时间都在增加。

3.4强化设备的维护管理

大多数的机械都要在较为恶劣的环境下工作，尤其是重工业企业，这一情况显得特别明显。机械在环境极其复杂的情况下工作，不仅条件苛刻,而且还会存在润滑不良、磨损、腐蚀等一系列问题。所以，我们一定要做好设备使用的维护和管理工作,严格依据操作规程办事，从而使工况条件的恶化可以得到好转,如超速、超载等会减少发生。与此同时,还要尽可能地为设备的使用创造良好的条件，对设备开展定期维护,及时地进行保养，保证所有的零部件都可以在较好的条件下工作。强化对设备的维护和管理,尽一切可能减少设备的磨损，提高设备的使用寿命。从总的情况来看，尽管磨损机理研究、摩擦学设计、耐磨材料研发等都是改进机械零部件的重要手段，但是它们一直是位于高科技领域，与其他科学技术的发展和社会进步会有较大的关联，所以要花较长的时间，并且还要有大量的投入，不能一蹴而就。相对来说，设备的维护管理工作对于提高设备的使用寿命是一项非常重要的手段。

4结语

在生产条件极其恶劣，以及工作环境不是很优越的情况下，设备出现失效的情况在企业，尤其是大型企业中随处可见。特别是一些大型设备中的重要零部件磨损，影响正常的生产，每年都会给企业带来较大损失。因此，政府和相关部门要对此类事件有足够的重视。就当前来看，如何有效地解决机械零部件的磨损失效仍然是其中的一个重要课题。重视摩擦学理论的应用,充分发挥表面工程技术的作用,加速抗磨材料的研发,以及对设备进行有效维护与管理,将是减少机械零部件磨损，以及提高设备使用寿命的关键所在,同时也是使企业生产得以顺利进行的重要保证。

参考文献：

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[4]Bebbington M,Lai C D,Zitikis R.Useful periods for lifetime distribution with bathtub shaped hazard rate functions[J].IEEE Transactions on Reliability，2005.

责任编辑：张耀华

作者简介：陈庆蕊(1974—)，女，辽宁铁岭人，讲师。研究方向：机械加工、模具设计制造、材料。

收稿日期：2014-12-01

中图分类号：TH131

文献标志码：A

文章编号：1674-6341(2015)01-0028-02

doi:10.3969/j.issn.1674-6341.2015.01.013