機器設備壽命估算第六章課件

1、機電設備評估基礎機電設備評估基礎主講：朱蕊主講：朱蕊廣西科技大學鹿山學院廣西科技大學鹿山學院第六章機器設備壽命估算第六章機器設備壽命估算第一節(jié)概述第一節(jié)概述 機器設備的壽命分為自然壽命、技術壽命機器設備的壽命分為自然壽命、技術壽命和經(jīng)濟壽命。和經(jīng)濟壽命。 所謂自然壽命，也叫物理壽命、使用所謂自然壽命，也叫物理壽命、使用壽命，設備在規(guī)定的使用條件下，從投入壽命，設備在規(guī)定的使用條件下，從投入使用到因為物質損耗而報廢所經(jīng)歷的時間，使用到因為物質損耗而報廢所經(jīng)歷的時間，受受有形磨損有形磨損的影響。的影響。技術壽命是設備從投入使用到因為技術壽命是設備從投入使用到因為技技術落后術落后而被淘汰所經(jīng)歷的時間

2、。第而被淘汰所經(jīng)歷的時間。第種無種無形磨損可以縮短設備的技術壽命，而對設形磨損可以縮短設備的技術壽命，而對設備進行技術改造可以延長其技術壽命。備進行技術改造可以延長其技術壽命。經(jīng)濟壽命，是指設備從投入使用到因經(jīng)濟壽命，是指設備從投入使用到因繼續(xù)使用繼續(xù)使用不經(jīng)濟不經(jīng)濟而退出使用所經(jīng)歷的時間。而退出使用所經(jīng)歷的時間。受到有形磨損和無形磨損的共同影響。受到有形磨損和無形磨損的共同影響。 【例題例題多選題多選題】機器的壽命是指設備從開機器的壽命是指設備從開始使用到被淘汰的整個時間過程。受有形始使用到被淘汰的整個時間過程。受有形磨損影響的壽命有（）。磨損影響的壽命有（）。A.物理壽命物理壽命B.使用壽

3、命使用壽命C.經(jīng)濟壽命經(jīng)濟壽命D.技術壽命技術壽命E.自然壽命自然壽命第二節(jié)磨損壽命第二節(jié)磨損壽命這里的磨損是指固體相對運動時，在摩擦的這里的磨損是指固體相對運動時，在摩擦的作用下，摩擦面上的物質不斷耗損的現(xiàn)象。主要作用下，摩擦面上的物質不斷耗損的現(xiàn)象。主要就是由于使用而發(fā)生的實物形態(tài)的磨損，它發(fā)生就是由于使用而發(fā)生的實物形態(tài)的磨損，它發(fā)生在具有相對運動的零部件之間，比如：軸和軸承在具有相對運動的零部件之間，比如：軸和軸承之間、齒輪牙齒的磨損、機床的導軌。之間、齒輪牙齒的磨損、機床的導軌。磨損的原因：一是相對運動，二是摩擦，其磨損的原因：一是相對運動，二是摩擦，其影響后果是破壞了零部件配合尺寸

4、和強度，當磨影響后果是破壞了零部件配合尺寸和強度，當磨損量超過允許極限的時候，會導致設備的失效。損量超過允許極限的時候，會導致設備的失效。 二、典型的磨損過程二、典型的磨損過程（一）正常的磨損過程分為三個階段：即初期磨損階段（第階段）、正常磨損階段（第階段）和急劇磨損階段（第階段）。 （二）磨損過程及磨損方程階段階段范圍范圍特點特點磨損方程磨損方程初期磨損初期磨損階段階段（第（第階階段）段）O1到到A，對應的對應的時間是時間是 時間很短，磨損速度很時間很短，磨損速度很快?？?。正常磨損正常磨損階段階段（第（第階階段）段）A點到點到B點，對點，對應的時應的時間是間是 磨損進入正常期，磨損磨損進入正

5、常期，磨損速度緩慢，情況穩(wěn)定，速度緩慢，情況穩(wěn)定，磨損量隨時間均勻的增磨損量隨時間均勻的增加，二者成為線性關系，加，二者成為線性關系，曲線中的曲線中的AB段是一條段是一條斜直線。斜直線。急劇磨損急劇磨損階段階段（第（第階階段）段）B點以點以后的階后的階段段磨損速度加快，磨損量磨損速度加快，磨損量急劇上升，造成機器設急劇上升，造成機器設備的精度、技術性能和備的精度、技術性能和生產效率明顯下降生產效率明顯下降沒有第三階段的磨損方程。沒有第三階段的磨損方程。 tg，就是直線的斜率叫做磨損強度，它等，就是直線的斜率叫做磨損強度，它等于單位時間磨損的厚度，所以磨損強度越于單位時間磨損的厚度，所以磨損強度

6、越大，表明材料耐磨性越差。大，表明材料耐磨性越差。簡化的磨損方程：簡化的磨損方程：S=S0+ttg由于第由于第階段，也就是初期磨損階段，階段，也就是初期磨損階段，這段時間很短，如果將其忽略不計，于是這段時間很短，如果將其忽略不計，于是就得到了這個簡化的磨損方程。就得到了這個簡化的磨損方程。 【提示提示】由設備磨損規(guī)律的分析可知：由設備磨損規(guī)律的分析可知：1.如果設備使用合理，加強維護，可以如果設備使用合理，加強維護，可以延長設備正常使用階段的期限，保證加工延長設備正常使用階段的期限，保證加工質量并提高經(jīng)濟效益。質量并提高經(jīng)濟效益。2.對設備應該進行定期檢查。為了避免對設備應該進行定期檢查。為了

7、避免使設備遭到破壞，在進入第三階段之前就使設備遭到破壞，在進入第三階段之前就進行修理，不是等到發(fā)生急劇磨損后才修進行修理，不是等到發(fā)生急劇磨損后才修理。理。3.機器設備在第機器設備在第階段的磨損與時間或階段的磨損與時間或加工零件的數(shù)量成正比，因此設備的磨損加工零件的數(shù)量成正比，因此設備的磨損可通過試驗或統(tǒng)計分析方法，計算出正?？赏ㄟ^試驗或統(tǒng)計分析方法，計算出正常條件下的磨損率和使用壽命。條件下的磨損率和使用壽命。 （三）磨損壽命（三）磨損壽命1.設備的正常壽命設備的正常壽命T是第是第階段和第階段和第階段時間之和。階段時間之和。Tt1t2（64）2.簡化后簡化后 式中：式中：smax最大允許磨損

8、量。最大允許磨損量。（四）磨損率（四）磨損率磨損率是指實際磨損量和極限磨損量之比。用表示。磨損率是指實際磨損量和極限磨損量之比。用表示。 式中：式中：m磨損率；磨損率； s實際磨損量。實際磨損量。 三、剩余磨損壽命的計算三、剩余磨損壽命的計算 【例例61】已知磨損強度為已知磨損強度為0.5mm/年，設年，設備運行備運行3年后，磨損率為年后，磨損率為1/4，求設備的剩，求設備的剩余壽命和極限磨損量。余壽命和極限磨損量。 【例例62】某起重機卷筒的主要損耗形式某起重機卷筒的主要損耗形式是鋼絲繩與卷筒摩擦對卷筒的磨損。該卷是鋼絲繩與卷筒摩擦對卷筒的磨損。該卷筒原始壁厚為筒原始壁厚為20mm，現(xiàn)在壁厚

9、為，現(xiàn)在壁厚為18.5mm。根據(jù)起重機卷筒的報廢標準，筒壁的最大根據(jù)起重機卷筒的報廢標準，筒壁的最大磨損允許極限是原筒壁厚度的磨損允許極限是原筒壁厚度的20%。該起。該起重機已運行重機已運行4年，試估算卷筒的剩余磨損壽年，試估算卷筒的剩余磨損壽命和磨損率。命和磨損率。 【例題例題單選題單選題】已知磨損強度為已知磨損強度為1mm/年，年，且設備運行且設備運行5年后，磨損率為年后，磨損率為1/4，則該設，則該設備的剩余壽命為（）年，極限磨損量為備的剩余壽命為（）年，極限磨損量為（）（）mm。A.20、10B.15、20C.20、20D.15、10第三節(jié)疲勞壽命理論及應用第三節(jié)疲勞壽命理論及應用 一

10、、基本概念一、基本概念（一）應力（一）應力1.內力：物體的一部分對另一部分的機械作內力：物體的一部分對另一部分的機械作用。用。2.應力：應力就是單位面積上的內力。應力：應力就是單位面積上的內力。：正應力，法向應力，與截面垂直，正應：正應力，法向應力，與截面垂直，正應力表示零件內部相鄰兩截面間拉伸和壓縮的作用；力表示零件內部相鄰兩截面間拉伸和壓縮的作用；：切應力，剪應力，與截面平行，切應力表：切應力，剪應力，與截面平行，切應力表示相互錯動的作用，正應力和切應力的向量和稱示相互錯動的作用，正應力和切應力的向量和稱為總應力。為總應力。正應力和切應力是度量零件正應力和切應力是度量零件強度強度的兩個物理

11、的兩個物理量，常用單位是兆帕（量，常用單位是兆帕（MPa）。）。 （二）應變（二）應變1.應變是外力作用引起的形狀和尺寸的應變是外力作用引起的形狀和尺寸的相對改變，是一個相對數(shù)。相對改變，是一個相對數(shù)。2.當外力去掉以后，物體能完全恢復到當外力去掉以后，物體能完全恢復到原來的狀態(tài)，那么這就叫做原來的狀態(tài)，那么這就叫做彈性應變彈性應變；如；如果只能部分恢復到原來的狀態(tài)，那么殘留果只能部分恢復到原來的狀態(tài)，那么殘留下來的那一部分變形稱為下來的那一部分變形稱為塑性應變塑性應變。【提示提示】與正應力對應的是線應變，與正應力對應的是線應變，與切應力對應的是角應變。與切應力對應的是角應變。 （三）材料強度

12、（三）材料強度圖圖62所示為低碳鋼試棒在受軸向靜所示為低碳鋼試棒在受軸向靜拉力時，軸向負荷拉力時，軸向負荷P與絕對軸向變形與絕對軸向變形l的關的關系曲線。系曲線。 1.負荷較小時，材料的軸向變形與負荷成線性關負荷較小時，材料的軸向變形與負荷成線性關系；負荷超過系；負荷超過Pp后，呈非線性關系。保持線性關后，呈非線性關系。保持線性關系的最大負荷為系的最大負荷為比例極限負荷比例極限負荷Pp。與該點相對應。與該點相對應的應力稱為的應力稱為比例極限比例極限，用，用p表示，也就是應力與表示，也就是應力與應變?yōu)榫€性關系的最大應力。應變?yōu)榫€性關系的最大應力。2.負荷小于負荷小于Pe時，材料的變形為彈性變形，

13、大于時，材料的變形為彈性變形，大于Pe時則產生塑性變形，與該點相對應的應力為時則產生塑性變形，與該點相對應的應力為彈彈性極限性極限e。3.當負荷增大到一定值時，在負荷不增加或減小當負荷增大到一定值時，在負荷不增加或減小的情況下，試樣還繼續(xù)伸長，這種現(xiàn)象叫屈服。的情況下，試樣還繼續(xù)伸長，這種現(xiàn)象叫屈服。屈服階段的最小負荷是屈服點的負荷屈服階段的最小負荷是屈服點的負荷Ps，與之對，與之對應的應力稱為應的應力稱為屈服極限屈服極限，用，用s表示。表示。 【提示提示】對沒有出現(xiàn)明顯屈服現(xiàn)象的材料，對沒有出現(xiàn)明顯屈服現(xiàn)象的材料，用產生用產生0.2%殘余變形的應力作為條件屈服殘余變形的應力作為條件屈服極限。

14、極限。4.當負荷達到一個最大值當負荷達到一個最大值Pb，試樣的，試樣的某一截面開始急劇縮小，致使負荷下降，某一截面開始急劇縮小，致使負荷下降，該負荷為強度極限負荷。與之相對應的應該負荷為強度極限負荷。與之相對應的應力稱為力稱為強度極限或抗拉強度強度極限或抗拉強度，用，用b表示。表示。它是材料拉斷前的最大應力。它是材料拉斷前的最大應力。5.當負荷達到當負荷達到PK時，試樣斷裂。這個時，試樣斷裂。這個負荷稱為斷裂負荷。負荷稱為斷裂負荷?！咎崾咎崾尽壳O限屈服極限s、強度極限、強度極限b是是評價材料靜強度的重要指標。評價材料靜強度的重要指標。 【小結小結】 比例極限比例極限應力和應變、力和變形成線

15、性關系的最大應力和應變、力和變形成線性關系的最大應力，用應力，用p表示表示彈性極限彈性極限保持彈性變形的最大應力，超過它就不再保持彈性變形的最大應力，超過它就不再僅僅是彈性變形，還有塑性變形，用僅僅是彈性變形，還有塑性變形，用e表示表示屈服極限屈服極限開始出現(xiàn)屈服現(xiàn)象的應力，所謂屈服，就開始出現(xiàn)屈服現(xiàn)象的應力，所謂屈服，就是負荷不再增加，但試件還在繼續(xù)伸長是負荷不再增加，但試件還在繼續(xù)伸長的這種現(xiàn)象。屈服極限用的這種現(xiàn)象。屈服極限用s表示表示強度極限強度極限材料拉斷前的最大應力，也叫做抗拉強度，材料拉斷前的最大應力，也叫做抗拉強度，用用b表示表示斷裂負荷斷裂負荷 試件斷裂處的負荷試件斷裂處的負

16、荷 【例題例題單選題單選題】低碳鋼材料受軸向靜拉力，低碳鋼材料受軸向靜拉力，當應力小于（）時，軸向應變與應力成當應力小于（）時，軸向應變與應力成線性關系。線性關系。A.屈服極限屈服極限B.比例極限比例極限C.彈性極限彈性極限D.強度極限強度極限 （四）許用應力（四）許用應力 對于塑性材料（大多數(shù)結構鋼、鋁合金等）：對于脆性材料（高強度鋼、鑄鐵等）：定義定義許用應力是機械設計中，允許零件或構件承許用應力是機械設計中，允許零件或構件承受的最大應力值。受的最大應力值。公式公式 【例例63】45號鋼制圓桿承受拉伸載荷，號鋼制圓桿承受拉伸載荷，材料的屈服極限，安全系數(shù)材料的屈服極限，安全系數(shù)nS4，試計

17、算，試計算該圓桿的直徑。該圓桿的直徑。 正確答案正確答案 可取圓桿的直徑為可取圓桿的直徑為30mm。 【2011考題考題單選題單選題】疲勞強度設計中，一疲勞強度設計中，一般用（）進行疲勞強度的驗算。般用（）進行疲勞強度的驗算。A.屈服極限屈服極限B.屈服極限除以安全系數(shù)得到的許用屈服極限除以安全系數(shù)得到的許用應力應力C.強度極限除以安全系數(shù)得到的許用強度極限除以安全系數(shù)得到的許用應力應力D.安全系數(shù)表示的強度判斷安全系數(shù)表示的強度判斷 二、疲勞及疲勞壽命二、疲勞及疲勞壽命 靜應力：靜應力就是應力的大小和方向不隨時間而改變。靜應力：靜應力就是應力的大小和方向不隨時間而改變。交變應力：它是指應力的

18、大小和方向隨時間呈周期性的變化交變應力：它是指應力的大小和方向隨時間呈周期性的變化的應力。疲勞壽命：材料在疲勞破壞前所經(jīng)歷的應力循環(huán)次的應力。疲勞壽命：材料在疲勞破壞前所經(jīng)歷的應力循環(huán)次數(shù)稱為疲勞壽命。數(shù)稱為疲勞壽命。【提示提示】根據(jù)應力循環(huán)次數(shù)分為高周疲勞和低周疲勞，根據(jù)應力循環(huán)次數(shù)分為高周疲勞和低周疲勞，在機械工程中最常見的疲勞是高周疲勞。鍋爐受到的是低周在機械工程中最常見的疲勞是高周疲勞。鍋爐受到的是低周疲勞（第八章）疲勞（第八章） 三、疲勞壽命曲線三、疲勞壽命曲線1.零件的疲勞壽命與零件的應力水平有關，它們零件的疲勞壽命與零件的應力水平有關，它們之間的關系可以用疲勞壽命曲線表示（之間的

19、關系可以用疲勞壽命曲線表示（SN曲線）曲線）（1）種類：應力）種類：應力壽命曲線（壽命曲線（N曲線），應曲線），應變變壽命曲線（壽命曲線（N曲線）。曲線）。（2）數(shù)學表達式：）數(shù)學表達式：mNC（67）式中：式中：m、C材料常數(shù)。材料常數(shù)?！拘〗Y小結1】水平起始點水平起始點M對應的應力值對應的應力值叫做疲勞極限。疲勞極叫做疲勞極限。疲勞極限：是可以承受無限次應力循環(huán)而不會發(fā)生疲勞破壞的最大應力。限：是可以承受無限次應力循環(huán)而不會發(fā)生疲勞破壞的最大應力。疲勞極限比材料靜強度極限要低得多。疲勞極限比材料靜強度極限要低得多。【小結小結2】對應對應M點的橫坐標叫做點的橫坐標叫做循環(huán)基數(shù)循環(huán)基數(shù)，用符號

20、，用符號N0來表示，來表示，N0一般是一般是107，但是對于具體的材料、具體的循環(huán)特征，但是對于具體的材料、具體的循環(huán)特征，N0有所有所不同。不同。在在N0點右邊的部分，是無限壽命區(qū)，如果承受的應力小于點右邊的部分，是無限壽命區(qū)，如果承受的應力小于疲勞極限，試件就可以承受無限次應力循環(huán)而不發(fā)生疲勞破壞；疲勞極限，試件就可以承受無限次應力循環(huán)而不發(fā)生疲勞破壞；N0點左邊的區(qū)域為有限壽命區(qū)，又稱為條件疲勞極限，即點左邊的區(qū)域為有限壽命區(qū)，又稱為條件疲勞極限，即當材料所承受的最大應力大于它的疲勞極限時，只能承受有限次當材料所承受的最大應力大于它的疲勞極限時，只能承受有限次應力循環(huán)，而不能是無限次。應

21、力循環(huán)，而不能是無限次。N低于低于104105時對應的有限壽命區(qū)稱為低周疲勞區(qū)。時對應的有限壽命區(qū)稱為低周疲勞區(qū)。在有限壽命區(qū)，應力和循環(huán)次數(shù)的關系用方程在有限壽命區(qū)，應力和循環(huán)次數(shù)的關系用方程mNC來來表示。表示。【提示提示】SN曲線是由標準試件測試得出的，對于實際零件尺寸曲線是由標準試件測試得出的，對于實際零件尺寸和表面狀態(tài)與試件有差異，常存在由圓角、鍵槽等引起的應力集和表面狀態(tài)與試件有差異，常存在由圓角、鍵槽等引起的應力集中，所以，在使用時必須引入中，所以，在使用時必須引入應力集中系數(shù)應力集中系數(shù)K、尺寸系數(shù)、尺寸系數(shù)、和表、和表面系數(shù)面系數(shù)。 【例題例題多選題多選題】下列關于疲勞壽命曲

22、線下列關于疲勞壽命曲線的說法中，正確的有（）。的說法中，正確的有（）。A.應力壽命曲線和應變壽命曲線應力壽命曲線和應變壽命曲線統(tǒng)稱為統(tǒng)稱為SN曲線曲線B.SN曲線依疲勞試驗數(shù)據(jù)畫出，在曲線依疲勞試驗數(shù)據(jù)畫出，在疲勞試驗中都以實際零件作為試件疲勞試驗中都以實際零件作為試件C.條件疲勞極限大于疲勞極限條件疲勞極限大于疲勞極限D.疲勞壽命疲勞壽命N低于低于106時對應的有限壽時對應的有限壽命區(qū)稱為低周疲勞區(qū)命區(qū)稱為低周疲勞區(qū)E.當當N小于循環(huán)基數(shù)時，根據(jù)該區(qū)域的小于循環(huán)基數(shù)時，根據(jù)該區(qū)域的疲勞壽命曲線所做的疲勞強度計算稱為有疲勞壽命曲線所做的疲勞強度計算稱為有限壽命計算限壽命計算 【例例64】某標準

23、試件，已知疲勞極限某標準試件，已知疲勞極限1300MPa，N0107，m9。試計算在。試計算在對稱循環(huán)交變應力對稱循環(huán)交變應力1500MPa和和2260MPa作用下的疲勞壽命。作用下的疲勞壽命。 正確答案正確答案（1）在對稱循環(huán)交變應力）在對稱循環(huán)交變應力max500MPa作用下的疲勞壽命。作用下的疲勞壽命。 （2）在對稱循環(huán)交變應力）在對稱循環(huán)交變應力 作作用下的疲勞壽命。用下的疲勞壽命。低于疲勞極限，在無限壽命區(qū)，零件低于疲勞極限，在無限壽命區(qū)，零件的壽命是無限的。的壽命是無限的?！咎崾咎崾尽科跇O限所對應的應力循環(huán)疲勞極限所對應的應力循環(huán)次數(shù)即為循環(huán)基數(shù)，通常為次數(shù)即為循環(huán)基數(shù)，通常為1

24、07。 四、循環(huán)應力的特四、循環(huán)應力的特性性（1）交變應力）交變應力的參數(shù)：最大應力的參數(shù)：最大應力max、最小應力、最小應力min、平均應力、平均應力、應力幅、循環(huán)特征。應力幅、循環(huán)特征。r1，稱之為對稱循環(huán)，稱之為對稱循環(huán) 循環(huán)應力循環(huán)應力特點特點對稱循環(huán)對稱循環(huán)應力應力循環(huán)特征循環(huán)特征r等于等于1；最大應力和最小應力大；最大應力和最小應力大小相等，符號相反；平均應力等于小相等，符號相反；平均應力等于0；應力幅；應力幅等于最大應力。等于最大應力。脈動循環(huán)脈動循環(huán)應力應力循環(huán)特征循環(huán)特征r等于等于0；應力幅等于平均應力，都；應力幅等于平均應力，都等于二分之一最大應力；最小應力等于等于二分之一

25、最大應力；最小應力等于0。靜應力靜應力循環(huán)特征循環(huán)特征r等于等于1；最大應力等于最小應力，；最大應力等于最小應力，等于平均應力；應力幅等于等于平均應力；應力幅等于0 。 【小結小結】疲勞極限的數(shù)值不僅和材料有關，疲勞極限的數(shù)值不僅和材料有關，還和循環(huán)特征有關，對稱循環(huán)條件下，最還和循環(huán)特征有關，對稱循環(huán)條件下，最容易發(fā)生疲勞破壞，相應的疲勞極限值最容易發(fā)生疲勞破壞，相應的疲勞極限值最低，脈動循環(huán)好一點，所以，對一種材料低，脈動循環(huán)好一點，所以，對一種材料的疲勞極限通常用的疲勞極限通常用r表示，表示，r這個下標代表這個下標代表循環(huán)特征，具體來說，對稱循環(huán)時，材料循環(huán)特征，具體來說，對稱循環(huán)時，材

26、料的疲勞極限用的疲勞極限用1表示，而脈動循環(huán)時，表示，而脈動循環(huán)時，材料的疲勞極限用材料的疲勞極限用0表示，表示，1小于小于0。（2）疲勞極限曲線）疲勞極限曲線A點表示對稱循環(huán)條件下的疲勞極限；點表示對稱循環(huán)條件下的疲勞極限；B點表示點表示接近于接近于0時的疲勞極限；時的疲勞極限；C點表示脈動循環(huán)的疲勞極限。點表示脈動循環(huán)的疲勞極限?！咎崾咎崾?】曲線上各點的疲勞壽命相等，這些曲線也稱等曲線上各點的疲勞壽命相等，這些曲線也稱等壽命曲線。壽命曲線?！咎崾咎崾?】工程上，常將這條曲線簡化為工程上，常將這條曲線簡化為ACB折線，或者折線，或者直接簡化為直接簡化為AB直線，雖降低了計算精確度，但更趨于

27、安全。直線，雖降低了計算精確度，但更趨于安全。 五、疲勞極限五、疲勞極限考慮零件的應力循環(huán)特征、尺寸效應、表面考慮零件的應力循環(huán)特征、尺寸效應、表面狀態(tài)應力集中等因素的零件疲勞極限如表狀態(tài)應力集中等因素的零件疲勞極限如表61所所示。示。表表61零件疲勞極限零件疲勞極限rk 和和rk的計算公式的計算公式應力循環(huán)情況應力循環(huán)情況彎曲或拉壓時的彎曲或拉壓時的rk扭轉時的扭轉時的rk恒幅對稱循環(huán)恒幅對稱循環(huán)（r1）恒幅脈動循環(huán)恒幅脈動循環(huán)（r0）恒幅不對稱循恒幅不對稱循環(huán)環(huán)注：注：K、K為有效應力集中系數(shù)；為有效應力集中系數(shù)；、為為尺寸系數(shù)；尺寸系數(shù)；為表面狀態(tài)系數(shù)；為表面狀態(tài)系數(shù)；、為不為不對稱循環(huán)

28、系數(shù)；對稱循環(huán)系數(shù)；r為最小應力為最小應力max與最大應力與最大應力min的比值。的比值。有效應有效應力集中力集中系數(shù)系數(shù)K指在相同試驗條件下，光滑試件與有應力指在相同試驗條件下，光滑試件與有應力集中的試件的疲勞極限之比（其確定方法集中的試件的疲勞極限之比（其確定方法有實驗法和計算法兩種）。有實驗法和計算法兩種）。尺寸系尺寸系數(shù)數(shù)在相同情況下，尺寸為在相同情況下，尺寸為d的零件的疲勞極的零件的疲勞極限與標準試件的疲勞極限之比。限與標準試件的疲勞極限之比。表面狀表面狀態(tài)系數(shù)態(tài)系數(shù)經(jīng)過某種加工的零件的疲勞極限與標準試經(jīng)過某種加工的零件的疲勞極限與標準試件的疲勞極限之比。表面粗糙度的值高于件的疲勞極

29、限之比。表面粗糙度的值高于標準試件時標準試件時1.0；用表面強化方法，如；用表面強化方法，如表面熱處理和表面冷加工硬化等，可使表面熱處理和表面冷加工硬化等，可使大于大于1.0。不對稱不對稱循環(huán)度循環(huán)度系數(shù)系數(shù)指應力循環(huán)特征對疲勞極限的影響系數(shù)，指應力循環(huán)特征對疲勞極限的影響系數(shù)，、分別表示彎曲和扭轉時的情況。分別表示彎曲和扭轉時的情況。 【例例65】某機器中使用的軸，其危險某機器中使用的軸，其危險截面上的最大彎曲應力截面上的最大彎曲應力max80Mpa,最最小彎曲應力小彎曲應力min80Mpa,該截面的尺寸該截面的尺寸系數(shù)系數(shù)0.84，表面狀態(tài)系數(shù)，表面狀態(tài)系數(shù)0.93，有，有效應力集中系數(shù)效

30、應力集中系數(shù)K1.88，軸所使用的材，軸所使用的材料的彎曲疲勞極限料的彎曲疲勞極限1245Mpa，若規(guī)，若規(guī)定安全系數(shù)定安全系數(shù)n2。試校核該軸是否安全？。試校核該軸是否安全？ 正確答案正確答案（1）maxminr1即該軸承受對稱循環(huán)交變彎曲應力。即該軸承受對稱循環(huán)交變彎曲應力。（2）軸的對稱循環(huán)疲勞極限為：）軸的對稱循環(huán)疲勞極限為： （3）該軸段的安全系數(shù)）該軸段的安全系數(shù) 結論：該軸不安全。結論：該軸不安全。 【例題例題單選題單選題】下列關于疲下列關于疲勞極限曲線（見圖）的說法中，勞極限曲線（見圖）的說法中，錯誤的是（）。錯誤的是（）。 A.疲勞極限曲線上各點的疲勞極限曲線上各點的疲勞壽命

31、相等疲勞壽命相等B.疲勞極限曲線與縱軸的疲勞極限曲線與縱軸的交點交點A表示對稱循環(huán)的疲勞極表示對稱循環(huán)的疲勞極限限C.疲勞極限曲線與橫軸的疲勞極限曲線與橫軸的交點交點B表示脈動循環(huán)的疲勞極表示脈動循環(huán)的疲勞極限限D.在工程上，常將疲勞極在工程上，常將疲勞極限曲線簡化為折線甚至直線，限曲線簡化為折線甚至直線，這種簡化降低了計算精度，但這種簡化降低了計算精度，但更趨于安全更趨于安全 六、疲勞損傷積累理論六、疲勞損傷積累理論疲勞損傷積累理論認為，當零件所受疲勞損傷積累理論認為，當零件所受的應力高于疲勞極限時，每一次應力循環(huán)的應力高于疲勞極限時，每一次應力循環(huán)都會對零件造成一定量的損傷，這種損傷都會對

32、零件造成一定量的損傷，這種損傷是可以積累的；當損傷積累到臨界值時，是可以積累的；當損傷積累到臨界值時，零件將發(fā)生疲勞破壞。零件將發(fā)生疲勞破壞。線性損傷積累理論認為，每一次循環(huán)線性損傷積累理論認為，每一次循環(huán)載荷所產生的疲勞損傷是相互獨立的，總載荷所產生的疲勞損傷是相互獨立的，總損傷是每一次疲勞損傷的線性累加（帕姆損傷是每一次疲勞損傷的線性累加（帕姆格倫格倫邁因納定理）。邁因納定理）。損傷率達到損傷率達到100%時，發(fā)生疲勞損壞。時，發(fā)生疲勞損壞。令令N為以循環(huán)數(shù)表示的疲勞壽命，上式可以改寫為：為以循環(huán)數(shù)表示的疲勞壽命，上式可以改寫為：【例例66】某零件承受三種交變載荷某零件承受三種交變載荷P1

33、、P2和和P3的作用。對的作用。對應的應力幅為應的應力幅為1、2和和3，出現(xiàn)的頻率為，出現(xiàn)的頻率為10%、60%和和30%。應力應力1、2和和3單獨作用下的疲勞壽命分別為單獨作用下的疲勞壽命分別為103、104和和106次。試計算在上述載荷作用下達到疲勞破壞時的總循環(huán)次次。試計算在上述載荷作用下達到疲勞破壞時的總循環(huán)次數(shù)。數(shù)。正確答案正確答案 即，在上述載荷作用下達到疲勞破壞時的總即，在上述載荷作用下達到疲勞破壞時的總循環(huán)次數(shù)為循環(huán)次數(shù)為6238次。次。 【例題例題單選題單選題】某零件設計使用壽命某零件設計使用壽命10年，年，設計時考慮兩種交變載荷設計時考慮兩種交變載荷P1和和P2，對應的，對

34、應的疲勞極限分別為疲勞極限分別為103和和105，P1出現(xiàn)的頻度出現(xiàn)的頻度為為30%，P2出現(xiàn)的頻度為出現(xiàn)的頻度為70%。而實際使。而實際使用時，用時，P1出現(xiàn)的頻度為出現(xiàn)的頻度為70%，P2出現(xiàn)的頻出現(xiàn)的頻度為度為30%。若每天總使用次數(shù)不變，估計。若每天總使用次數(shù)不變，估計零件的實際使用壽命為（）年。零件的實際使用壽命為（）年。A.1.42B.3.25C.4.37D.6.50 七、疲勞壽命理論的應用七、疲勞壽命理論的應用機器設備主要失效形式是疲勞破壞。一般來講，設備機器設備主要失效形式是疲勞破壞。一般來講，設備的結構壽命是決定整個設備自然使用壽命的基礎，如起重的結構壽命是決定整個設備自然使

35、用壽命的基礎，如起重機報廢標準中規(guī)定：主梁報廢即標志著安全使用壽命的終機報廢標準中規(guī)定：主梁報廢即標志著安全使用壽命的終結，可申請整車報廢。在機器設備評估中，疲勞壽命理論結，可申請整車報廢。在機器設備評估中，疲勞壽命理論主要用于估算疲勞壽命和疲勞損傷。主要用于估算疲勞壽命和疲勞損傷。1.對于重要設備的評估，我們必須根據(jù)設備所承受的對于重要設備的評估，我們必須根據(jù)設備所承受的實際載荷，使用疲勞壽命理論對設備的實際疲勞損傷程度實際載荷，使用疲勞壽命理論對設備的實際疲勞損傷程度和剩余壽命進行計算。其基本步驟如下：和剩余壽命進行計算。其基本步驟如下：（1）統(tǒng)計計算危險斷面各種載荷所對應的名義應力）統(tǒng)計

36、計算危險斷面各種載荷所對應的名義應力i及作用次數(shù)及作用次數(shù)ni；（2）根據(jù)）根據(jù)SN曲線確定每一載荷所對應的應力水平曲線確定每一載荷所對應的應力水平i下，達到疲勞破壞的循環(huán)次數(shù)下，達到疲勞破壞的循環(huán)次數(shù)Ni；（3）根據(jù)疲勞損傷積累理論計算每一應力水平）根據(jù)疲勞損傷積累理論計算每一應力水平i下下的損傷率的損傷率ni/Ni；（4）計算總損傷率。）計算總損傷率。 【例例67】某起重機部件，每天各種載荷所對應某起重機部件，每天各種載荷所對應的危險斷面應力及其出現(xiàn)次數(shù)如表所示，循環(huán)基的危險斷面應力及其出現(xiàn)次數(shù)如表所示，循環(huán)基數(shù)數(shù)N0107次。該部件已經(jīng)運行次。該部件已經(jīng)運行380天，試計算其天，試計算其

37、疲勞損傷率。在負荷強度相同的情況下，該起重疲勞損傷率。在負荷強度相同的情況下，該起重機的剩余疲勞壽命為多少？機的剩余疲勞壽命為多少？某起重機零件其危險截面所對應的應力和出某起重機零件其危險截面所對應的應力和出現(xiàn)次數(shù)如下：現(xiàn)次數(shù)如下：序號序號應力（應力（MPa）每天出現(xiàn)次每天出現(xiàn)次數(shù)數(shù)對應的疲勞破對應的疲勞破壞循環(huán)次數(shù)壞循環(huán)次數(shù)123651.0104219894.151043135289.31554101559.910658089107 正確答案（1）計算各種載荷的作用次數(shù)ni；序號序號應力（應力（MPa）總工作日總工作日每天出現(xiàn)每天出現(xiàn)次數(shù)次數(shù)對應載荷的總循對應載荷的總循環(huán)次數(shù)環(huán)次數(shù)12363

38、80天51.9103219893.421033135281.061044101552.09104580893.38104 （2）計算每一應力水平下的損傷率；序號序號應力應力（MPa）每天出每天出現(xiàn)次數(shù)現(xiàn)次數(shù)對應的疲勞對應的疲勞破壞循環(huán)次破壞循環(huán)次數(shù)數(shù)Ni對應載荷的對應載荷的總作用次數(shù)總作用次數(shù)ni對應應力水對應應力水平下的損傷平下的損傷率率123651.01041.91030.190219894.151043.421030.0823135289.31051.061040.0114101559.91062.091040.002580891073.38104不產生疲勞損傷 （3）計算總損傷率： 剩

39、余壽命1333380953天 2.對于未進行疲勞壽命計算的機器設備，疲勞壽命理論可對于未進行疲勞壽命計算的機器設備，疲勞壽命理論可以用來估算這些設備的剩余物理壽命，其基本步驟如下：以用來估算這些設備的剩余物理壽命，其基本步驟如下：（1）確定危險斷面。有限壽命計算需要先知道應力）確定危險斷面。有限壽命計算需要先知道應力值。計算時，首先分析承受載荷的情況，確定危險截面及值。計算時，首先分析承受載荷的情況，確定危險截面及其所承受應力的變化規(guī)律，并對這個截面進行疲勞壽命計其所承受應力的變化規(guī)律，并對這個截面進行疲勞壽命計算。如危險截面無法完全確定，則應對幾個可能截面進行算。如危險截面無法完全確定，則應

40、對幾個可能截面進行計算分析。計算分析。（2）確定應力。計算每一個載荷對應的應力值。）確定應力。計算每一個載荷對應的應力值。（3）計算應力循環(huán)次數(shù)。統(tǒng)計每一個載荷所對應的）計算應力循環(huán)次數(shù)。統(tǒng)計每一個載荷所對應的應力循環(huán)次數(shù)。應力循環(huán)次數(shù)。（4）確定各系數(shù)?？紤]實際零件的形狀、尺寸及表）確定各系數(shù)?？紤]實際零件的形狀、尺寸及表面狀態(tài)，確定應力集中系數(shù)面狀態(tài)，確定應力集中系數(shù)K、尺寸系數(shù)、尺寸系數(shù)、表面系數(shù)、表面系數(shù)及及不對稱循環(huán)系數(shù)不對稱循環(huán)系數(shù)。（5）計算修正后的應力。根據(jù)應力集中系數(shù)）計算修正后的應力。根據(jù)應力集中系數(shù)K、尺、尺寸系數(shù)寸系數(shù)和表面系數(shù)和表面系數(shù)計算修正后零件的疲勞極限。計算修

41、正后零件的疲勞極限。（6）計算疲勞損傷或疲勞壽命。查與）計算疲勞損傷或疲勞壽命。查與i對應的對應的Ni，并計算疲勞損傷或疲勞壽命。并計算疲勞損傷或疲勞壽命。第四節(jié)損傷零件壽命估算第四節(jié)損傷零件壽命估算 有些缺陷的存在，并不意味著設備已喪失其使有些缺陷的存在，并不意味著設備已喪失其使用價值。一般來說，它還有一定的安全使用壽命。用價值。一般來說，它還有一定的安全使用壽命。估算存在缺陷設備的剩余自然壽命，一般以估算存在缺陷設備的剩余自然壽命，一般以斷裂力學理論為基礎，采用斷裂韌性試驗和無損斷裂力學理論為基礎，采用斷裂韌性試驗和無損檢測技術手段進行。檢測技術手段進行。一、疲勞斷裂的基本過程一、疲勞斷裂的基本過程斷裂力學理論認為：零件的缺陷在循環(huán)載荷斷裂力學理論認為：零件的缺陷在循環(huán)載荷的作用下會逐步擴大，當缺陷擴大到臨界尺寸后的作用下會逐步擴大，當缺陷擴大到臨