柴油機(jī)曲軸失較分析論文

1 目錄 第 1 章 緒論 1.1 失效分析的發(fā)展簡(jiǎn)況 （ 1） 1.2 失效分析的意 義 （ 2） 1.3 本論文的主要工作內(nèi)容 （ 3） 1.4 本論文的研究方法 （ 3） 第章 失效分析的方法 2.1 失效分析概況 （ 4） 2.1.1 失效分析的基本概念 （ 4） 2.1.2 失效的主要來源及模式 （ 4） 2.2 常用失效分析方法及技術(shù) （ 5） 2.2.1 失效分析的思路 （ 5） 2.2.2 常用失效分析技術(shù) （ 6） 2.3 系統(tǒng)分析方法 （ 9） 2.4 本章小 結(jié) （ 10） 第 3 章 MWM-V6 型柴油機(jī)曲軸斷裂原因分析 3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析 （ 11） 3.1.1 斷裂宏觀檢查 （ 11） 3.1.2 軸頸表面殘余應(yīng)力測(cè)定 （ 11） 3.2 討論 （ 12） 3.3 對(duì)改進(jìn)柴油機(jī)曲軸質(zhì)量的意見（ 13） 3.4 本章小結(jié) （ 13） 第 4 章 軸類零件失效的系統(tǒng)分析 4.1故障樹分析法 （ 14） 4.1.1 FTA 的背景和基本概念 （ 14） 4.1.2 FTA 的表 示法 （ 14）4.1.3FTA 舉例 （ 14） 4.2 軸件失效地系統(tǒng)分析 （ 16） 2 4.3 討論 （ 28） 4.4 小結(jié) （ 28） 結(jié)束語(yǔ)（ 30） 參考文獻(xiàn)（ 31） 致謝信（ 32） 摘 要 本論文首先簡(jiǎn)要介紹了失效分析的基本概念、失效的主要來源及模式、常用的失效分析方法及技術(shù)和失效的系統(tǒng)分析方法。失效分析技術(shù)有感官檢查診斷技術(shù)、痕跡發(fā)現(xiàn)技術(shù)、斷口和裂紋分析技術(shù)、化學(xué)成分分析技術(shù)、性能測(cè)試技術(shù)、無損檢驗(yàn)技術(shù)、宏觀殘余應(yīng)力測(cè)試。本論文對(duì)河南柴油機(jī)廠生產(chǎn) MWM V1型柴油機(jī)曲軸斷裂進(jìn)行了失效分析， MWM V12 型柴油機(jī)曲軸斷裂原因分析結(jié)果表明該曲軸材料的冶金缺陷是導(dǎo)致疲勞裂紋在正常工作應(yīng)力下過早形成的原因。同時(shí)軸頸表面硬度不均勻，淬硬層分布不甚合理；工作過程中潤(rùn)滑條件較差，促進(jìn)了 曲軸的早期斷裂。 本文還利用系統(tǒng)分析方法中的故障樹分析法描述了軸類零件斷裂的各種可能原因，在工作過程中所受到的載荷進(jìn)行系統(tǒng)的分析。 為曲軸斷裂診斷知識(shí)的獲取提供了實(shí)際知識(shí)庫(kù)基礎(chǔ)。 關(guān)鍵詞：曲軸；過熱：過燒：斷裂；故障樹分析法； 知識(shí)庫(kù)； 失較分析； 專家系統(tǒng)； 系統(tǒng)分析方法 第一章 緒論 1.1 失效分析的發(fā)展簡(jiǎn)況 長(zhǎng)期以來，人類在生產(chǎn)實(shí)踐中不斷與產(chǎn)品失效作斗爭(zhēng)，但失效分析僅作為零星、分散、宏觀的經(jīng)驗(yàn)世代相傳。失效分析作為一種學(xué)科分支還是近半個(gè)世紀(jì)的事情。材料科學(xué)的興起、先進(jìn)測(cè)試技術(shù)的應(yīng)用以 及近代物理、化學(xué)等的全面發(fā)展，使得人們能夠從微觀方面闡明產(chǎn)品失效的本質(zhì)、規(guī)律和原因。在此基礎(chǔ)上，失效分析走上系統(tǒng)、綜合、理論化的新階段。近半個(gè)世紀(jì)所積累的失效分析知識(shí)與技3 術(shù)千百倍于人類前期有關(guān)知識(shí)的總和。但這種知識(shí)必然隨著人類生產(chǎn)實(shí)踐和科技進(jìn)步而不斷發(fā)展雖然由于科技的發(fā)展，產(chǎn)品在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、使用與維修上的技術(shù)改進(jìn)，使得產(chǎn)品的可靠性日益提高，然而，失效事件并不會(huì)最終消失。而且，產(chǎn)品的自動(dòng)化程度愈高、技術(shù)愈密集，一旦出現(xiàn)失效，造成的損失就愈嚴(yán)重。因此失效分析將隨著科技的高速發(fā)展顯得更為重要。 遠(yuǎn)在 1862 年 英國(guó)建立世界第一個(gè)蒸氣鍋爐監(jiān)察局時(shí)，失效分析就被作為法律仲裁產(chǎn)品質(zhì)量事故的技術(shù)判斷手段。在 1938-1945 年間，美國(guó)質(zhì)量管理學(xué)會(huì)發(fā)起 “失效廢品檢驗(yàn)規(guī)劃”，號(hào)召生產(chǎn)企業(yè)把失效分析作為重要環(huán)節(jié)納入質(zhì)量管理系統(tǒng)。在四十年代末和五十年代初，為解決電子產(chǎn)品失效問題而發(fā)展起來的可靠性理論使失效分析進(jìn)入到一個(gè)新的階段。到六十年代，人們更開始了機(jī)械設(shè)備系統(tǒng)可靠性理論的研究。近年來，失效物理和失效分析在這種認(rèn)識(shí)推動(dòng)下，也得到了很大的重視和發(fā)展。失效分析推動(dòng)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步，促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)健康發(fā)展，提高機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中 有重要作用和意義。 早在遠(yuǎn)古時(shí)代，人們對(duì)產(chǎn)況，失效就有了宏觀認(rèn)識(shí)。產(chǎn)品失效真正給人類帶來嚴(yán)重的危害，則是從 100 多年前的工業(yè)革命開始的。當(dāng)蒸汽動(dòng)力和大機(jī)器生產(chǎn)給人類社會(huì)帶來巨大進(jìn)步的同時(shí)，產(chǎn)品失效也給人類帶來了前所未有的災(zāi)難性事故。因而 1862 年，英國(guó)建立了世界上第一個(gè)蒸汽鍋爐監(jiān)察局，把失效分析作為法律仲裁事故和提高產(chǎn)品質(zhì)量的技術(shù)手段。隨后，在工業(yè)化國(guó)家中，對(duì)失效產(chǎn)品進(jìn)行分析的各種機(jī)構(gòu)相繼出現(xiàn)。 隨著科技的突飛猛進(jìn)，系統(tǒng)和設(shè)備日益復(fù)雜，功能不斷提高，其不可靠和不安全因素增多，導(dǎo)致故障的原因也增多，因而對(duì)故 障的分析研究工作亦越來越受到世界各國(guó)的關(guān)注。工業(yè)的發(fā)展、技術(shù)的進(jìn)步正是人們不斷與產(chǎn)品失效做斗爭(zhēng)的結(jié)果，這在航空和航天事業(yè)的發(fā)展史中表現(xiàn)尤為突出。因?yàn)榧词购教祜w機(jī)這么先進(jìn)的運(yùn)載工具也可能發(fā)生故障，如美國(guó)的價(jià)值 12 億美元的“挑戰(zhàn)者”號(hào)航天飛機(jī)，在 1986 年 1 月 28 日第 11 次升空時(shí)突然爆炸，使七名宇航員遭難，這一慘痛悲劇再次告誡人們忽視產(chǎn)品失效問題將帶來災(zāi)難性的惡果。任何一次失效都可以看成是產(chǎn)品在服役條件下所做的一次最真實(shí)最可靠的科學(xué)試驗(yàn)的結(jié)果；通過失效分析判斷失效模式，找出失效的原因和影響因素 （相關(guān)因素）， 也就找到了薄弱環(huán)節(jié)所在，從而可以改進(jìn)有一關(guān)部門的工作，提高產(chǎn)品質(zhì)量 。 4 1.2 失效分析的意義 失效分析是可靠性工程的技術(shù)基礎(chǔ)之一 ,是安全工程的重要技術(shù)保證之一；是維修工程的理論基礎(chǔ)和指導(dǎo)依據(jù)；可產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。因而開展失效分析工作是非常有意義的，其重要性一般包括以下幾個(gè)方面： 1. 可以保證產(chǎn)品的可靠性，減少由于設(shè)備失效造成的人身傷亡和直接經(jīng)濟(jì)損失； 2. 可以從中吸取大量經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)以利制定和完善產(chǎn)品質(zhì)量管理的有關(guān)文件、標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程，是產(chǎn)品質(zhì)量管理的一個(gè)重要環(huán)節(jié)； 3. 有助于及時(shí) “吃透”國(guó)外先 進(jìn)技術(shù)，提高引進(jìn)速度、質(zhì)量和效率； 4. 通過對(duì)進(jìn)口設(shè)備的失效分析可以為向外商索賠提供依據(jù)或技術(shù)仲裁： 5. 可以使設(shè)備維修工作建立在失效分析的基礎(chǔ)上，從而取得良好的事故預(yù)防； 6. 失效分析的結(jié)果也是現(xiàn)行技術(shù)規(guī)范、規(guī)程和標(biāo)準(zhǔn)的適用性的實(shí)地檢驗(yàn)，可作為修訂和制訂文件的依據(jù)； 7. 失效分析的統(tǒng)計(jì)資料是制訂科技開發(fā)規(guī)劃和經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃的重要依據(jù)，失效分析可以為各級(jí)人員正確處理現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)問題提供科學(xué)的依據(jù)。 在我國(guó)，由于長(zhǎng)期的歷史原因，現(xiàn)有設(shè)備超期服役帶病運(yùn)行相當(dāng)普遍，有相當(dāng)一部分設(shè)備存在著各種結(jié)構(gòu)缺陷、工 藝缺陷、加工缺陷、制造缺陷、材料缺陷和使用不當(dāng)產(chǎn)生的裂紋或損傷腐蝕介質(zhì)影響或長(zhǎng)期超載運(yùn)行等。若盲目使用這些設(shè)備而不及時(shí)采取措施進(jìn)行監(jiān)控和防預(yù)，必將發(fā)生事故。因而，為了盡量減少事故的發(fā)生，需要進(jìn)行失效分析研究。目前國(guó)內(nèi)關(guān)于失效分析方面的研究比較多，他們大多采用傳統(tǒng)的宏觀、微觀分析法對(duì)失效原因進(jìn)行分析。本文首先也將采用宏觀、微觀分析法分析兩根曲軸的斷裂原因，另外，本文還將嘗試?yán)?FTA 這一系統(tǒng)分析法進(jìn)行失效分析。 某 廠從德國(guó)引進(jìn)了 MWM 柴油機(jī)生產(chǎn)技術(shù)。近幾年，該廠生產(chǎn)的 MWM 柴油機(jī)曲軸陸續(xù)發(fā)生斷裂事故，先后 有 20 來根 MWM 柴油機(jī)曲軸在使用過程中發(fā)生斷裂。這是一個(gè)重大的產(chǎn)品質(zhì)量問題，不僅給該廠造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，還對(duì)該廠的市場(chǎng)銷售、質(zhì)量信譽(yù)產(chǎn)生不良影響，因而需要盡快解決這一問題。本課題就是在這個(gè)工程背景下，受該廠委托，試圖對(duì)其中兩根斷軸進(jìn)行失效分析，以5 期找到失效的真正原因。本課題的主要工作內(nèi)容和研究方法 。 1.3 本 論文 的主要工作內(nèi)容 1 某 廠生產(chǎn)的一根 MWM-V6 型柴油機(jī)曲軸 發(fā)生 斷裂，本文運(yùn)用宏、微觀方法對(duì)之進(jìn)行失效分析，給出其斷裂的原因。 2 另 一根 MWM V-12 型柴油機(jī)曲軸 也發(fā)生了 斷裂，本文運(yùn)用宏、 微觀方法對(duì)之進(jìn)行失效分析，給出其斷裂的原因。 3本文還利用故障樹分析法對(duì)軸類零件的斷裂原因進(jìn)行系統(tǒng)分析，并給出軸類零件斷裂原因的故障樹，為其專家系統(tǒng)的建立提供故障樹基礎(chǔ)。 1.4 本論文 的研究方法 本論文首先對(duì) MWM-V6 及 MWM-V12 型柴油機(jī)曲軸的斷口進(jìn)行宏觀觀察，進(jìn)而利用掃描電鏡進(jìn)行微觀斷口分析，并采用金相方法分析斷口附近的夾雜物，然后利用掃描電鏡所帶的能譜儀測(cè)量夾雜物的成分，確證曲軸斷裂的原因。通過各方面的學(xué)習(xí) ,對(duì)曲軸工作過程中的受力情況和工作環(huán)境對(duì)曲軸失較的影響 .本文還利用 FTA 這一系統(tǒng)分析法對(duì) 軸類零件斷裂的原因進(jìn)行了系統(tǒng)分析。 第章 失效分析的方法 2.1 失效分析概況 2.1.1 失效分析的基本概念 所謂失效，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB3187 A2可靠性基本詞術(shù)語(yǔ)及定義，就是：“產(chǎn)品喪失規(guī)定的功能，對(duì)可恢復(fù)產(chǎn)品通常也稱故障 11 m。 為了研究失效的原因，確定失效的模式或機(jī)理，并采取補(bǔ)救或預(yù)防措施以防止失效再度發(fā)生的技術(shù)活動(dòng)與管理活動(dòng)，叫作 “失效分析” 。因此失效分析是可靠性工程的重要組成部分，也是保證產(chǎn)品可靠性而需建立的反饋系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。 6 失效分析是一門涉及系統(tǒng)分析、系統(tǒng)安 全 生 產(chǎn) 、 設(shè)計(jì)、材料力學(xué)、斷裂力學(xué)、斷裂物理、斷口學(xué)、材料學(xué)、測(cè)試技術(shù)、金屬學(xué)、金屬工藝、強(qiáng)度計(jì)算、產(chǎn)品質(zhì)量全面管理等眾多領(lǐng)域的綜合學(xué)科，它包括三個(gè)方面 ： 1事前故障的預(yù)測(cè)技術(shù)，如可靠度計(jì)算、故障率評(píng)價(jià)和可靠性分析法（故障樹分析 FTA，故障模式和影響分析 FMEA，事件樹分析 ETA 等）； 2事中故障診斷技術(shù) （應(yīng)力定量化技術(shù)、故障檢測(cè)及故障征兆診斷技術(shù)、設(shè)備或系統(tǒng)強(qiáng)度、故障性能定量化及劣化定量化技術(shù)等）； 3事后失效分析 （壽命預(yù)測(cè)技術(shù)、故障機(jī)理、失效模式的測(cè)定技術(shù)、失效評(píng)定的標(biāo)準(zhǔn)、維修技術(shù) 等）。 上述事后失效分析也即是失效分析或故障分析，是指事故或故障發(fā)生后的檢測(cè)和分析，以便找到失效的部位、原因和機(jī)理；掌握產(chǎn)品的改進(jìn)線索或 修復(fù)方法，防止問題重復(fù)發(fā)生。近年來，失效分析工作還注意了反饋與發(fā)展，在工況與質(zhì)量上做了不少工作，從事前分析、事后預(yù)防發(fā)展到事中監(jiān)控。 2.1.2 失效的主要來源及模式 失效經(jīng)常是由多方面原因造成的，其主要來源包括設(shè)計(jì)、選材、材料缺陷、制造工藝、再加工、組裝、檢查、試驗(yàn)、質(zhì)量控制、貯運(yùn)、工作條件、維修和工作中預(yù)先未暴露的過載以及機(jī)械的或化學(xué)的損傷等。 1.設(shè)計(jì)上的缺點(diǎn)：機(jī) 械缺口、改變?cè)O(shè)計(jì)、零件的升級(jí)使用 2.金屬部件的各種失效模式 （ 1） 過量變形 : 力和溫度或者力或溫度引起彈性變形；屈服；壓痕：蠕變：沖擊變形 （ 2） 表面損傷 : 粘著磨損；磨粒磨損：腐蝕磨損：形變磨損：沖擊磨損： f. 微振磨損； g.陣接觸疲勞磨損： .剝落 ； （ 3） 腐蝕 : a均勻腐蝕： b縫隙腐蝕： c電池作用腐蝕： d 點(diǎn)腐蝕； e品間腐蝕： f選擇浸出： g沖蝕：氣蝕：氫損傷： 生物腐蝕；應(yīng)力腐蝕；微振腐蝕 3 斷裂 7 （ 1） 延性斷裂 （ 2） 脆性斷裂 （ 3） 沖擊斷裂 4 疲勞斷裂 高溫疲勞；高周疲勞；。低周疲勞；熱疲勞；接觸疲勞；沖擊疲勞：陣腐蝕疲勞；微振疲勞 5 應(yīng)力持久斷 6 蠕變一疲勞復(fù)合斷裂 2.2 常用失效分析方法及技術(shù) 2.2.1 失效分析的思路 失效分析思路是對(duì)于己經(jīng)發(fā)生的事故考慮從什么地方開始，沿著什么樣的程序去分析研究故障現(xiàn)象的因果關(guān)系，確定事故原因，完成分析任務(wù)。斷裂失效分析思路一般是：斷裂失效事故一故障件裂紋或斷口分析力學(xué)性能分析顯微組織分析結(jié)構(gòu)受力分析使用維護(hù)分析。必要時(shí)可進(jìn)行工藝分析、材料成分分析、環(huán)境分析 、相結(jié)構(gòu)分析和殘余應(yīng)力分析。 1 失效分析的具體過程 （ 1） 調(diào)查研究 向機(jī)器操作者調(diào)查破壞過程，觀察破壞現(xiàn)場(chǎng)，了解破壞構(gòu)件在機(jī)器的部位和工作情況。 向生產(chǎn)工人和技術(shù)人員調(diào)查構(gòu)件的生產(chǎn)工藝歷史和工藝參數(shù)。 向設(shè)計(jì)人員調(diào)查構(gòu)件的設(shè)計(jì)過程和設(shè)計(jì)計(jì)算。 外觀檢查，觀察破壞構(gòu)件的外形特征。 服役條件、工作環(huán)境等的綜合分析。 （ 2） 斷口分析、破面分析、變形量測(cè)定 斷裂試樣的正確選擇及切取。 斷口的宏觀分析。 斷口的微觀分析。 （ 3） 內(nèi)在質(zhì)量的檢驗(yàn) 低倍檢驗(yàn)：主要檢查夾雜、氣孔等低倍檢查項(xiàng)目。 8 金相組織分析：檢查破斷零件的裂紋分布及走向，金相組織是否正常。 材料的化學(xué)成分分析：主要復(fù)驗(yàn)材料的化學(xué)成分是否合乎零件的要求，以及雜質(zhì)、偏析和可能引起問題的微量元素在材料中的含量及大致分布。 機(jī)械性能測(cè)定：主要復(fù)驗(yàn)材料的常規(guī)機(jī)械性能是否合格，據(jù)構(gòu)件破壞部位的幾何形狀、應(yīng)力分布情況、負(fù)載的變化等情況與該類情況下的靜動(dòng)機(jī)械性能比較。 （ 4） 判明失效的原因：據(jù)上面的調(diào)查研究及實(shí)驗(yàn)檢查結(jié)果，綜合 分析造成構(gòu)件失效的原因。 （ 5） 提出改進(jìn)措施 （ 6） 實(shí)際運(yùn)行考驗(yàn) 常用失效分析技術(shù) 失效分析技術(shù)是指在各種失效分析方法中具體所采用的分析技術(shù)和手段。對(duì)失效分析對(duì)象而言，失效分析技術(shù)從總體上可分為非破壞性和破壞性失效分析技術(shù)，具體可分為 感官檢查診斷技術(shù)、痕跡發(fā)現(xiàn)技術(shù) 、斷口和裂紋分析技術(shù)、化學(xué)成分分析技術(shù)、性能測(cè)試技術(shù)、無損檢驗(yàn)技術(shù)、宏觀殘余應(yīng)力測(cè)試等 1感官檢查診斷技術(shù) 失效分析與醫(yī)生看病或偵察案件相似，對(duì)信息資料既要單獨(dú)和分類推敲，又要綜合分析，通盤考慮，然后提出疑問、假設(shè)，進(jìn)一步有針對(duì)性地補(bǔ)充信息資料，多方考核，驗(yàn)證假 設(shè)，從眾多原因中，逐步確定取舍，從而得出可靠結(jié)論，并提出切實(shí)可行的預(yù)防措施，最后在實(shí)踐中進(jìn)一步驗(yàn)證。 感官檢查是一種直觀、簡(jiǎn)潔、使用方便、可靠性好的應(yīng)用技術(shù)。主要依靠人體感官功能和智力、經(jīng)驗(yàn)的結(jié)合來獲取、存儲(chǔ)、加工處理信息，達(dá)到分析目的。它主要包括視覺檢查、觸覺檢查、嗅覺檢查等。 2痕跡發(fā)現(xiàn)技術(shù) 失效分析中進(jìn)行宏觀、微觀分析時(shí)都離不開痕跡分析。通過痕跡分析，不僅可對(duì)事故和失效的發(fā)生、發(fā)展過程作出判斷，并可為事故和失效分析結(jié)論提供可靠的佐證和依據(jù)。所謂痕跡分析就是對(duì)表面形貌 （花樣）的變化、成分的 變化 （或材料的遷移）、顏色的變化、表層組織、性能的變化、殘余應(yīng)力的變化、以及表面污染狀態(tài)的變化等變化特征進(jìn)行診斷鑒別，找出變化的原因，為事故和機(jī)械失9 效分析提供線索和證據(jù)。其主要研究?jī)?nèi)容是： 研究機(jī)械表面上形成痕跡的物理、化學(xué)過程 （即機(jī)制）； 研究痕跡對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)及其功能的影響； 研究不同材料表面性能與痕跡的關(guān)系及其在機(jī)械失效分析中的應(yīng)用； 痕跡的理化檢驗(yàn)方法； 在一般情況下，痕跡分析程序是； 尋找、發(fā)現(xiàn)和顯現(xiàn)痕跡； 痕跡的提取、固定、顯現(xiàn)、清洗、記錄和保存； 鑒定痕跡 （這是痕跡分析的重點(diǎn)工作）一般原則是由表及里，由簡(jiǎn)而繁，先宏觀后微觀，先定性后定量。遵循形貌一成分組織結(jié)構(gòu)、性能的分析順序； 痕跡的模擬再現(xiàn)試驗(yàn)： 綜合性分析： 做分析結(jié)論并寫出有建設(shè)性意見的報(bào)告。 3斷口和裂紋分析技術(shù) 斷口和裂紋分析一般包括宏觀分析與微觀分析兩個(gè)方面。前者指用肉眼或 40 倍以下的放大鏡、實(shí)休顯微鏡對(duì)斷口或裂紋進(jìn)行觀察分析，可有效地確定斷裂起源和擴(kuò)展方向：后者指用光學(xué)顯微鏡、透射電鏡、掃描電鏡等對(duì)斷口或裂紋進(jìn)行觀察、鑒別與分析，可以有效地確定 斷裂類型與機(jī)理。宏觀分析和微觀分析是不可分割的整體，二者不可互相取代，只能互相補(bǔ)充、互相促進(jìn)。過分依賴微觀分析而不重視宏觀分析，只根據(jù)幾個(gè)微觀視場(chǎng)的特征就作出判斷，往往會(huì)導(dǎo)致全局性的判斷失誤；反之，忽視微觀分析只進(jìn)行宏觀分析，則可能得出膚淺乃至錯(cuò)誤的結(jié)論。斷口和裂紋分析技術(shù)一般包括： 分析對(duì)象的確定與顯示技術(shù)、觀察與照相記錄技術(shù)、識(shí)別與診斷技術(shù)、定性與定量分析技術(shù)及儀器與設(shè)備的使用技術(shù)等。 4化學(xué)成分分析技術(shù) 在失效分析中，常常需要對(duì)失效零件的材料成分 （包括定牌號(hào)、全成分或部分成分）、外來物 （如 擦痕或?yàn)R射附著物）、表面沉積物、腐蝕生成物及氧化物等進(jìn)行定性或定量的分析，以便為最終的失效分析結(jié)論提供依據(jù)。 常規(guī)分析技術(shù) 10 該技術(shù)主要用于分析失效零件名義或宏觀區(qū)域的材料成分，其主要方法有： 濕法化學(xué)分析：可準(zhǔn)確分析含量較大的金屬，陰離子的有無及其濃度； 半定量發(fā)射光譜和原子吸收光譜：用于分析合金成分； 燃燒法：用于測(cè)定金屬中的碳、硫、氫、氮、氧的含量； 點(diǎn)滴法：可簡(jiǎn)單地定性分析金屬中的合金元素、沉淀物、腐蝕產(chǎn)物、土壤等； 紅外、紫外光譜：用于檢測(cè)有機(jī)物質(zhì)。 表面及微區(qū)分析技術(shù) 在失效分析中，相對(duì)于名義或宏觀區(qū)域的成分分析，失效零件的材料的表面成分及失效源區(qū)的微區(qū)成分分析更為重要，尤其是對(duì)表面損傷或者由于諸如夾雜、成分偏析等造成的失效。目前主要的分析儀器有：俄歇電子譜儀、離子探針、電子探針、射線能譜儀、射線波長(zhǎng)譜儀等。在掃描電鏡上可裝置俄歇電子譜儀、射線能譜儀、射線波長(zhǎng)譜儀等，以滿足微區(qū)成分分析的需要。 5性能測(cè)試技術(shù) 對(duì)于一些重大的、復(fù)雜的斷裂或變形失效，往往必須作力學(xué)性能方面的試驗(yàn)分析工作，優(yōu)先考慮的試驗(yàn)有硬度試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)等，若上述試 驗(yàn)不足以說明結(jié)論意見時(shí)，可進(jìn)一步取樣作其它性能試驗(yàn)，如拉伸試驗(yàn)、，、耐磨性及腐蝕敏感性試驗(yàn)等。 6無損檢驗(yàn)技術(shù) 無損檢驗(yàn)就是應(yīng)用一些物理現(xiàn)象，在不改變材料或零件形狀和性能 （包括機(jī)械性能和化學(xué)性質(zhì)）條件下，迅速可靠地確定其表面或內(nèi)部裂縫和其他缺陷的大小、數(shù)量和位置的方法。在失效分析中應(yīng)用無損檢測(cè)技術(shù)的目的在于： 檢查失效件的同批服役件、庫(kù)存件，防止同類事故的發(fā)生，若能查出第二件、第三件，則更有利于失效性質(zhì)及失效原因的分析判斷； 某些容器、管道、殼體，甚至一些復(fù)雜形狀的系 統(tǒng)裝置出現(xiàn)裂紋或泄露時(shí)，常需要借助于無損檢測(cè)技術(shù)來確定其確切部位，以便取樣分析或采取相應(yīng)的補(bǔ)救措施； 在脆性破壞中，利用無損檢驗(yàn)技術(shù)來檢測(cè)監(jiān)視臨界裂紋長(zhǎng)度，防止發(fā)生脆斷。 11 無損檢驗(yàn)是一門系統(tǒng)而復(fù)雜的新興學(xué)科，其檢驗(yàn)方法己有十多類，有的正在不斷完善，并向著自動(dòng)化，提高性能及靈敏度，使用電視裝置等方面發(fā)展 （如 射線探傷、磁力探傷、超聲波探傷等），有的還在發(fā)展中。根據(jù)無損探傷的原理，其檢驗(yàn)方法大致可分為五類：放射性探傷、電磁探傷、聲試驗(yàn)法探傷、滲透法探傷和熱試驗(yàn)法探傷。 7宏觀殘余應(yīng)力測(cè)試 金屬零件經(jīng)各種冷熱加工 （如切削、磨削加工、裝配、冷拔、熱處理等）之后，其內(nèi)部或多或少都存在殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力的存在對(duì)材料的疲勞、耐腐蝕、尺寸穩(wěn)定性都有影響，甚至在服役過程中引起相變。據(jù)最近的調(diào)查分析，由于殘余應(yīng)力影響或?qū)е碌臋C(jī)械零件失效達(dá) 80以上。因此在失效分析中，常需對(duì)機(jī)械零部件的殘余應(yīng)力進(jìn)行測(cè)定。宏觀殘余應(yīng)力測(cè)定方法很多，如電阻應(yīng)變片法、光彈性復(fù)膜法、脆性涂料法、射線法及聲學(xué)法等。 面對(duì)如此繁多的失效分析實(shí)驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)，在進(jìn)行某項(xiàng)具體的失效分析時(shí)該選用哪些檢測(cè)技術(shù)，應(yīng)根據(jù)失效現(xiàn)象的復(fù)雜程度，同 時(shí)考慮失效分析的深度、時(shí)間性和經(jīng)濟(jì)性；即要依據(jù)失效分析的實(shí)際需要，檢測(cè)技術(shù)的適用性和經(jīng)濟(jì)性選用實(shí)驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)。 系統(tǒng)分析方法 隨著科技的不斷進(jìn)步，設(shè)備日益復(fù)雜龐大，其失效因素除物的因素外，還包括人的許多因素 （如管理不善、判斷失誤、操作過失、責(zé)任心不強(qiáng)等）和軟件方面的因素 （如計(jì)算機(jī)程序錯(cuò)誤）。龐大復(fù)雜的設(shè)備可能的失效原因常常不止一個(gè)或幾個(gè)，而是十個(gè)、甚至更多；若僅用物理失效方法難于解決復(fù)雜系統(tǒng)的失效分析任務(wù)。而且目前一般的失效分析都是 “手工”操作，分析耗時(shí)長(zhǎng)，對(duì)核電站泄漏之類需在較短時(shí)間作 出判斷和處理的情況很難勝任。因此，對(duì)復(fù)雜而緊迫的設(shè)備失效分析，必須應(yīng)用系統(tǒng)工程的思想和方法。 失效分析的系統(tǒng)工程方法有許多種，其中最常見的有：故障樹分析法（ FTA）、特征一因素圖分析法、失效模式與后果分析法 （ FMEA）、事件時(shí)序樹分析法 （ ETA）等。 此外，日本石川發(fā)明的特征一因素圖分析法是將己表現(xiàn)出來的失效或異常現(xiàn)象 （即表現(xiàn)出的結(jié)果稱作特征）和引起這些現(xiàn)象的那些因素，用“魚骨”結(jié)構(gòu)12 聯(lián)系起來，通過分析找出這些現(xiàn)象的直接原因。事件時(shí)序樹分析法從認(rèn)為是失效原因的初始事件出發(fā)，按時(shí)間順序追蹤，到設(shè)備 或系統(tǒng)失效的最終事件為止 （相當(dāng) FTA 的頂端事件），按零件的功能和應(yīng)用的順序，把在阻止事件發(fā)生上是成功的或失敗的事件展開成樹形圖。 ETA 是從原因到結(jié)果，正好與 FTA 相反。 . 本章小結(jié) 本章主要介紹了失效分析的基本概念、失效的主要來源及模式、常用的失效分析方法及技術(shù)和失效的系統(tǒng)分析方法。失效分析技術(shù)中主要介紹了感官檢查診斷技術(shù)、痕跡發(fā)現(xiàn)技術(shù)、斷口和裂紋分析技術(shù)、化學(xué)成分分析技術(shù)、性能測(cè)試技術(shù)、無損檢驗(yàn)技術(shù)、宏觀殘余應(yīng)力測(cè)試。失效的系統(tǒng)分析方法則主要介紹了 FTA及 FMEA 兩種方法。 第三章 MWM-V6 型柴油機(jī)曲軸斷裂原因分析 本章分析了 MWM-V6 型柴油機(jī)曲軸斷裂原因，結(jié)果表明鍛件過熱過燒是導(dǎo)致斷裂的直接原因；曲軸熱處理工藝不規(guī)范、不完善，曲軸工作潤(rùn)滑條件不良加速了曲軸斷裂。本章還對(duì)加強(qiáng)生產(chǎn)過程中的質(zhì)量管理和失效分析工作提出了意見 該 MWM-V6 型柴油機(jī)曲軸，作為某漁船主機(jī)，于 1997 年 11 月裝船作業(yè)，至 1998 年 1 月發(fā)生曲軸斷裂事故。斷裂發(fā)生于 B1 缸連桿軸頸，屬典型的早期斷裂。 該曲軸采用 42CrMo 電渣重熔鋼制造，其主要工藝流程為： 下料 -模鍛 -調(diào)質(zhì) -冷 加工 -中頻感應(yīng)淬火 -回火 -精磨。大約同期出廠的一批柴13 油機(jī)發(fā)生多起類似的斷軸事故。 其模鍛件由模鍛件廠供貨，其他工序在柴油機(jī)生產(chǎn)廠完成。中頻淬火只對(duì)軸頸平直段進(jìn)行，軸頸與曲柄連接的過渡圓角部位，因后續(xù)磨削工藝裝備尚未完善而不進(jìn)行中頻淬火處理。按技術(shù)條件規(guī)定軸頸經(jīng)表面淬火后，其硬度達(dá) 586HRC。 MWM 機(jī)型是我國(guó)近年來引進(jìn)的柴油機(jī)系列產(chǎn)品，目前正處于技術(shù)消化和應(yīng)用推廣階段，其生產(chǎn)過程中，因某些工藝環(huán)節(jié)尚存在不盡完善或不太合理的地方而影響產(chǎn)品質(zhì)量，導(dǎo)致個(gè)別零件早期失效，是在所難免的，屬于發(fā)展中的問題， 需在實(shí)踐中不斷改進(jìn)，日臻完善，完成國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程。但該 MWM-V6 機(jī)因曲軸斷裂，使整機(jī)壽命只有幾十個(gè)小時(shí)，當(dāng)屬嚴(yán)重的質(zhì)量事故。對(duì)此類事故，若不查明原因，采取改進(jìn)措施，防止類似事故重復(fù)發(fā)生，該產(chǎn)品將喪失其機(jī)械產(chǎn)品信譽(yù)和競(jìng)爭(zhēng)能力。 3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析 3.1.1 斷裂宏觀檢查 該連桿軸頸靠近斷口 一端嚴(yán)重磨損，表面粗糙，呈焦油色，該區(qū)域內(nèi)的斷口表面也呈焦油色。 整個(gè)斷口表面較粗糙，部分呈粗糙的貝紋花樣，貝紋間隔為3-5mm,屬疲勞斷裂區(qū)；部分為靜段區(qū)，呈暗灰色，其中兩處有石狀斷口特征。疲勞區(qū)約占斷口總面積 62%。 3.1.2 軸頸表面殘余應(yīng)力測(cè)定 軸頸表面殘余應(yīng)力測(cè)定 利用 射線方法測(cè)（ 211）衍射譜線半高寬 確定軸頸表面殘余應(yīng)力，測(cè)試結(jié)果表明，在過渡圓角未淬火部位出現(xiàn)殘余拉應(yīng)力約 35MPa，己淬火表面均為殘余壓應(yīng)力，軸頸中段殘余壓應(yīng)力平均為 800MPa，如圖3.8。 14 圖 3.8 連桿軸頸表面淬火后沿長(zhǎng)度分布?xì)堄鄳?yīng)力 . 討論 上述結(jié)果表明，該曲軸鍛造過燒，導(dǎo)致晶界氧化物和晶界開裂等不可消除的缺陷，是構(gòu)成石狀斷口的本質(zhì)原因。又因終鍛溫度過高導(dǎo)致大量非金屬夾雜物質(zhì)點(diǎn)沿晶界析出，嚴(yán)重地削弱了晶界結(jié)合力，造成 材料疲勞強(qiáng)度的嚴(yán)重?fù)p 傷。 裂紋源于曲柄連桿軸頸的過渡圓角處，此處存在應(yīng)力集中：測(cè)得圓角半徑， 6.5，根據(jù)應(yīng)力集中手冊(cè)，該處彎曲應(yīng)力集中系數(shù)為 (b) 1.93，扭轉(zhuǎn)應(yīng)力集中系數(shù) K 1.58。顯然，這里應(yīng)該進(jìn)行強(qiáng)化。 洛氏硬度的測(cè)試結(jié)果表明，該軸的表面淬火硬度較技術(shù)要求低約 25，導(dǎo)致材料的疲勞極限也損失約 25；同時(shí)熱處理工藝中對(duì)曲柄軸頸圓角處沒有進(jìn)行淬火處理。從抗疲勞失效的角度考慮，圓角部位是最應(yīng)該強(qiáng)化的地方，但在本曲軸上卻成為最削弱的地方。冶金因素造成的材料損傷與軸頸結(jié)構(gòu)強(qiáng)度特點(diǎn)的迭加，必然 在圓角部位首先形成裂紋。 前己述及，該曲軸工作過程中潤(rùn)滑不良，軸頸磨損嚴(yán)重，這也必然導(dǎo)致軸頸所受扭矩增大，對(duì)于扭轉(zhuǎn)載荷來說，連桿軸頸成為最薄弱環(huán)節(jié)，裂紋形成后向軸頸內(nèi)部擴(kuò)展并表現(xiàn)出剪應(yīng)力起主導(dǎo)作用的裂紋特征，形成斜斷口 。 當(dāng)裂紋擴(kuò)展到接近最終裂紋尺寸時(shí)，將會(huì)引起過量變形，從而影響運(yùn)動(dòng)精度，隨之而來的是震動(dòng)和噪音加大，磨損加劇，局部溫升，抱軸等，以致殘留的軸頸15 截面被扭斷。軸頸上和斷口上的局部焦油色就是在這一過程中形成的。 . 對(duì)改進(jìn)柴油機(jī)曲軸質(zhì)量的意見 目前國(guó)產(chǎn)柴油機(jī)曲軸斷裂 （尤其早 期斷裂）仍是普遍存在的問題。導(dǎo)致斷軸的原因主要是冷、熱加工以及配件質(zhì)量和使用維護(hù)等方面的問題。除這些直接原因外，在生產(chǎn)管理方面存在的問題，如對(duì)影響產(chǎn)品質(zhì)量的各環(huán)節(jié)的管理，充分發(fā)揮質(zhì)檢部門的作用，強(qiáng)化失效分析及信息反饋工作等，對(duì)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品斷裂控制有更重要的影響。以本文的曲軸斷裂為例，熱加工缺陷固然是失效的直接原因，但存在如此缺陷的斷件又是如何從鑄鍛廠流入到柴油機(jī)廠的？本應(yīng)報(bào)廢的鍛件又是如何跟隨正品鍛件走完全部工藝流程，并通過檢驗(yàn)出廠的？同批進(jìn)廠鍛坯的曲軸連續(xù)發(fā)生的數(shù)起類似早期斷裂事故，想到我們需要消化吸收新技術(shù) 以趕超先進(jìn)水平，看來充分發(fā)揮質(zhì)量管理部門的職能，強(qiáng)化生產(chǎn)各環(huán)節(jié)和管理部門的質(zhì)量意識(shí)是何等重要 。 3.4 本章小結(jié) 1 該曲軸因鍛造過燒造成晶界氧化物和晶界開裂等不可消除的缺陷，這也是造成石狀斷口的原因；終鍛溫度過高導(dǎo)致大量非金屬夾雜物質(zhì)點(diǎn)沿晶界析出，嚴(yán)重削弱了晶界結(jié)合力，損傷了材料的疲勞強(qiáng)度；這是該曲軸早期斷裂的直接原因。 2 該曲軸熱處理工藝不規(guī)范，非淬火帶超差，淬火帶硬度不足；熱處理工藝不完善，在曲柄軸頸過渡圓角處存在應(yīng)力集中的地方，也就是在未淬火帶上，造成拉應(yīng)力。 3 該曲軸工作過程中 潤(rùn)滑條件不良。 第 4 章 軸類零件失效的系統(tǒng)分析 16 本章簡(jiǎn)要介紹了系統(tǒng)分析方法中的故障樹分析法，并采用故障樹分析法對(duì)軸類零件的斷裂原因進(jìn)行了系統(tǒng)分析，列出了軸類零件斷裂的各種可能原因。本章也討論了故障樹和專家系統(tǒng)的關(guān)系。 軸類零件幾乎是任何機(jī)械設(shè)備中不可缺少的重要核心零件，其主要功能是支承旋轉(zhuǎn)零件或通過旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞動(dòng)力或運(yùn)動(dòng)。軸類零件失效將導(dǎo)致機(jī)械設(shè)備不能正常運(yùn)行，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至危及人的生命。 軸類零件均要經(jīng)歷設(shè)計(jì)、選材、各種冷熱加工和裝配等工藝過程，其失效可能是由其中任一工藝 的某個(gè)環(huán)節(jié)失誤引起，因而軸類零件可能的失效原因往往不止一個(gè)或幾個(gè)，而是幾十個(gè)甚至更多；失效也經(jīng)常不是由某一種原因引起，而是多種原因復(fù)合作用的結(jié)果；這就要求對(duì)軸類零件的失效作系統(tǒng)分析。 4 故障樹分析法 4.1.1 FTA 的背景和基本概念 FTA 來自數(shù)學(xué)圖論中樹的概念和電子計(jì)算機(jī)的算法符號(hào)，是將系統(tǒng)、子系統(tǒng)、零部件、工藝因素、人為因素和零件結(jié)構(gòu)、性能等內(nèi)因、外因聯(lián)系起來作成的分層次因果樹形關(guān)系圖。 4.1.2 FTA 的表示法 在 FTA 中，可以把一個(gè)準(zhǔn)備分析的設(shè)備稱為一個(gè)系統(tǒng)，把組成該設(shè)備的零部 件稱作系統(tǒng)的組元；也可以將一個(gè)零件所經(jīng)歷的加工工藝過程和服役過程作為一個(gè)系統(tǒng) FTA 用于分析各種組元狀態(tài) （即事件）間的邏輯關(guān)系。表示狀態(tài)正常變化的事件是正常事件：反之，狀態(tài)變化未能實(shí)現(xiàn)組元的預(yù)定功能，或出現(xiàn)非預(yù)期的狀態(tài)變化的事件就是異常事件，也稱故障事件，簡(jiǎn)稱事件 （ E）。本文將以軸類零件的工藝過程作為一個(gè)系統(tǒng)。 故障樹分析法所用符號(hào)分兩類：事件符號(hào)，邏輯符號(hào)。其主要符號(hào)說明 4.1.3 FTA 舉例 以焊接件為例解釋 FTA 的意義如下。焊接構(gòu)件破裂原因的分類； 17 圖 4-1 焊接構(gòu)件破裂原因 的部分 FTA 圖 上圖為焊接構(gòu)件破裂故障樹的一部分，其意義為：“材料問題”或 “施焊問題”是焊接構(gòu)件破裂的可能原因；“材質(zhì)不良”，“焊接性不良”或 “材料管理不善”導(dǎo)致 “材料問題”：“技術(shù)不成熟”，“焊接條件錯(cuò)誤”，“過大約束”，“焊接工藝對(duì)材料不適當(dāng)”或 “預(yù)熱，后熱不當(dāng)”導(dǎo)致 “施焊問題” 顯然，該部分故障樹可以采用上面的描述方式轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)可利用的形式，為進(jìn)一步建立焊接件破裂原因診斷專家系統(tǒng)提供知識(shí)庫(kù)基礎(chǔ) 。 18 4.2 軸件失效地系統(tǒng)分析 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 4 3 討論 系統(tǒng)分析的首要任務(wù)是獲取信息，而不是建立系統(tǒng)模型。如果獲取的知識(shí)不準(zhǔn)確、不完善，建立的相應(yīng)的系統(tǒng)模型不會(huì)很有效；因而知識(shí)獲取是專家系統(tǒng)開發(fā)的一道關(guān)鍵工序 X23， M7在失效分析中，利用故障樹法建造的故障樹可為專家系統(tǒng)的知識(shí)庫(kù)提供基礎(chǔ)。在以后工作中不斷收集各種失效原因的概率，就可進(jìn)行可靠性定量分析，然后提出相應(yīng)的改進(jìn)措施以降低故障發(fā)生的概率。這樣建立的專家系統(tǒng)可為生產(chǎn)廠家提供加工前的可靠性分析，采用合理的工藝過程，減少事故的發(fā)生。 由于軸類零件在各種機(jī)械設(shè)備中的重要地位，對(duì)其進(jìn)行 徹底、全面的分析是十分有意義的；本文進(jìn)行了軸類零件失效原因的系統(tǒng)分析，由于缺乏各種可能原因的概率，文中沒有進(jìn)行定量分析；相信隨著科技的突飛猛進(jìn)，新情況、新問題的不斷出現(xiàn)，軸類零件失效系統(tǒng)必將逐步完善并得到更多的應(yīng)用。 4 4 小結(jié) 由于軸類零件加工工序較復(fù)雜，失效原因也較復(fù)雜，本文采用故障樹分析法給出了軸件失效的各種可能原因。軸類零件失效的系統(tǒng)分析為其工業(yè)生產(chǎn)提供了可靠性分析的依據(jù)。另外，故障樹也為專家系統(tǒng)的建立提供了知識(shí)庫(kù)基礎(chǔ)。 本論文得到的主要結(jié)論： 1. MWM-V6 型柴油機(jī)曲軸斷裂的直接原因是 鍛件過熱過燒造成的晶界氧化物和晶界開裂；斷口為石狀斷口。曲軸熱處理工藝不規(guī)范、不完善，曲軸工作潤(rùn)滑條件不良加速了曲軸斷裂。 2. 由于軸類零件加工工序較復(fù)雜，失效原因也較復(fù)雜，本文采用故障樹分析法給出了軸類零件失效的各種可能原因。軸類零件失效的系統(tǒng)分析為其工業(yè)生產(chǎn)提供了可靠性分析的依據(jù)。另外，故障樹也為專家系統(tǒng)的建立提供了知識(shí)庫(kù)基礎(chǔ)。 關(guān)于今后工作的建議： 本文所做的故障樹分析為專家系統(tǒng)的知識(shí)庫(kù)提供了基礎(chǔ)，但由于缺乏各種失效原因的概率，暫時(shí)無法進(jìn)行故障樹的定量分析，因此，建議今后收集積累各種失效原因的出 現(xiàn)幾率，并利用此故障樹進(jìn)一步建立軸類零件失效分析的專家系31 統(tǒng)。同時(shí)建議建造軸類零件各類失效原因的改進(jìn)措施的知識(shí)庫(kù)，編制出專家系統(tǒng)的計(jì)算機(jī) 程序，并利用該程序?qū)崿F(xiàn)判斷軸類零件失效原