第8章-機器設(shè)備壽命估算課件

第8章機器設(shè)備壽命估算第1節(jié)概述第2節(jié)磨損壽命第3節(jié)疲勞壽命理論及應(yīng)用第4節(jié)損傷零件壽命估算第8章機器設(shè)備壽命估算第1節(jié)概述1第1節(jié)概述機器設(shè)備的壽命是指設(shè)備從開始使用到淘汰的整個時間過程。導(dǎo)致設(shè)備淘汰的原因，可能是由于自然磨損使得設(shè)備不能正常工作，或技術(shù)進步使得設(shè)備功能落后，或經(jīng)濟上不合算等。設(shè)備的壽命分：自然壽命、技術(shù)壽命和經(jīng)濟壽命。第1節(jié)概述機器設(shè)備的壽命是指設(shè)備從開始使用到淘汰2一、自然壽命自然壽命(物理壽命、使用壽命)，指設(shè)備在規(guī)定的使用條件下，從投入使用開始到因物質(zhì)損耗而報廢所經(jīng)歷的時間。自然壽命受有形磨損影響，引起設(shè)備有形磨損的原因很多，如摩擦損耗、疲勞損耗、腐蝕、蠕變、沖擊、溫度、日照、霉變等。一、自然壽命自然壽命(物理壽命、使用壽命)，指設(shè)備在3簡單機器可能只受一種形式的損傷，其自然壽命一般根據(jù)所受損傷的形式來計算。以摩擦損耗為主的機器，自然壽命是根據(jù)其磨損壽命確定；受疲勞載荷作用的機器設(shè)備，自然壽命是根據(jù)疲勞壽命來確定。復(fù)雜機器往往同時承受多種損傷。對設(shè)備的正確使用、維護和修理可以延長其自然壽命。反之，使用不當(dāng)、不良的維護和修理會縮短設(shè)備的自然壽命。簡單機器可能只受一種形式的損傷，其自然壽命一般根據(jù)所受損傷的4二、技術(shù)壽命技術(shù)壽命：設(shè)備從投入使用到因技術(shù)落后而被淘汰所經(jīng)歷的時間。第Ⅱ種無形磨損可以縮短技術(shù)壽命，設(shè)備通過現(xiàn)代化改造可以延長其技術(shù)壽命。二、技術(shù)壽命技術(shù)壽命：設(shè)備從投入使用到因技術(shù)落后而被5（二）無形磨損無形磨損指由于科技進步而不斷出現(xiàn)性能更加完善、生產(chǎn)效率更高的設(shè)備，使原有設(shè)備價值降低；或生產(chǎn)相同結(jié)構(gòu)的設(shè)備，由于工藝改進或生產(chǎn)規(guī)模擴大等原因，使得其重置價值不斷降低，導(dǎo)致原有設(shè)備價值的貶值。1.第Ⅰ種無形磨損：由于相同結(jié)構(gòu)設(shè)備重置價值的降低而使原有設(shè)備價值的貶值。

2.第Ⅱ種無形磨損：由于出現(xiàn)性能更加完善、效率更高的設(shè)備而使原有設(shè)備在技術(shù)上顯得陳舊和落后所產(chǎn)生的無形磨損。

（二）無形磨損6三、經(jīng)濟壽命經(jīng)濟壽命：指設(shè)備從投入使用到因繼續(xù)使用不經(jīng)濟而退出使用所經(jīng)歷的時間。經(jīng)濟壽命受有形磨損和無形磨損的共同影響。設(shè)備到了自然壽命后期，由于設(shè)備不斷老化，必須支出的維修費用、能源消耗費用也越來越高，依據(jù)設(shè)備的維持費用來決定設(shè)備的更新周期即為設(shè)備的經(jīng)濟壽命。三、經(jīng)濟壽命經(jīng)濟壽命：指設(shè)備從投入使用到因繼續(xù)使用不7第Ⅰ種無形磨損會引起設(shè)備更新成本的降低，因此，更新設(shè)備比維護舊設(shè)備更合算。第Ⅱ種無形磨損也會直接影響設(shè)備的經(jīng)濟壽命，在技術(shù)進步情況下，由于新的效率更高的設(shè)備的出現(xiàn)，繼續(xù)使用舊設(shè)備在經(jīng)濟上并不合算。第Ⅰ種無形磨損會引起設(shè)備更新成本的降低，因此，更新設(shè)備比維護8第2節(jié)磨損壽命磨損主要發(fā)生在具有相對運動的零部件上，如軸承、齒輪、機床軌道等，其后果是破壞零部件的配合尺寸和強度，當(dāng)磨損量超過允許極限時，導(dǎo)致設(shè)備失效。它是機器設(shè)備實體性損耗的主要形式之一。據(jù)統(tǒng)計，世界上1/3以上的能源消耗在各種摩擦損耗上，80%的機器零部件是由于磨損而報廢。第2節(jié)磨損壽命磨損主要發(fā)生在具有相對運動的零部件上，如軸承9一、磨損的基本概念磨損是指固體相對運動時，在摩擦作用下，摩擦面上物質(zhì)不斷耗損的現(xiàn)象。這種磨損是諸多因素相互影響的復(fù)雜過程，是伴隨摩擦而產(chǎn)生的必然結(jié)果。其主要表現(xiàn)形式為物體尺寸或幾何形狀的改變、表面質(zhì)量的變化。它使機器零件喪失精度，并影響其使用壽命和可靠性。主要針對第Ⅰ種有形磨損。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：軸和軸承之間、齒輪牙齒的磨損、機床的導(dǎo)軌。

一、磨損的基本概念磨損是指固體相對運動時，在摩擦作10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和強度，當(dāng)磨損量超過允許極限的時候，會導(dǎo)致設(shè)備的失效。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11(一)正常的磨損過程分為三個階段：即初期磨損階段(第Ⅰ階段)、正常磨損階段(第Ⅱ階段)和急劇磨損階段(第Ⅲ階段)。二、典型的磨損過程其中S是軸和孔之間的間隙。(一)正常的磨損過程分為三個階段：即初期磨損階段(第Ⅰ階段)121.初期磨損階段(第Ⅰ階段)：

（1）這一段是從01到A，即初期磨損階段，也就是我們通常所說的磨合期。剛開始時，軸和孔之間的間隙是001，即Smin，到達A點時，成為S0，磨損是S0-Smin，時間是△t1。

（2）特點：零部件表面的宏觀幾何形狀和微觀幾何尺寸都發(fā)生明顯變化，磨損速度很快。1.初期磨損階段(第Ⅰ階段)：

（1）這一段是從01到A，即132.正常磨損階段(第Ⅱ階段)：

（1）這個階段從A點到B點，對應(yīng)的時間是△t2。

（2）特點：磨損進入正常期，磨損速度比以前要緩慢，磨損情況較穩(wěn)定，磨損量隨時間均勻的增加，二者成線性關(guān)系，或者是成正比例關(guān)系，也就是說曲線中的AB段是一條斜直線。2.正常磨損階段(第Ⅱ階段)：

（1）這個階段從A點到B點143.急劇磨損階段(第Ⅲ階段)：

（1）就是B點以后的階段。

（2）特點：由于零部件已經(jīng)達到它的使用壽命而繼續(xù)使用，破壞了正常磨損關(guān)系，于是磨損速度大大加快，磨損量急劇上升，造成機器設(shè)備的精度、技術(shù)性能和生產(chǎn)效率明顯下降。3.急劇磨損階段(第Ⅲ階段)：

（1）就是B點以后的階段。15由設(shè)備磨損規(guī)律的分析可知：

1.如果設(shè)備使用合理，加強維護，可延長設(shè)備正常使用階段的期限，保證加工質(zhì)量并提高經(jīng)濟效益。

2.對設(shè)備應(yīng)該進行定期檢查。為了避免使設(shè)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)生急劇磨損后才修理。

3.機器設(shè)備在第二階段的磨損與時間或加工零件的數(shù)量成正比，因此設(shè)備的磨損可通過試驗或統(tǒng)計分析方法，計算出正常條件下的磨損率和使用壽命。由設(shè)備磨損規(guī)律的分析可知：16

（二）磨損方程磨損方程把磨損量和時間的關(guān)系用函數(shù)關(guān)系定量的表示出來。

1.第Ⅰ階段磨損方程

（1）特點：時間很短，磨損快。一般將曲線簡化為直線；

（2）方程：

式中：S－配合間隙；

Smin－最小配合間隙，也就是初始間隙；

S0－第Ⅰ階段結(jié)束時的配合間隙；△t1－第Ⅰ階段磨損時間。（二）磨損方程磨損方程把磨損量和時間的關(guān)系用函數(shù)關(guān)系定量172.第Ⅱ階段磨損方程（1）第Ⅱ階段所對應(yīng)的磨損曲線AB段基本上為一條直線。

（2）對應(yīng)的磨損曲線方程式為：

式中：Smax－最大磨損極限；

△t2－第二階段磨損時間。2.第Ⅱ階段磨損方程18注意：（1）Smax叫做最大配合間隙更合適一些，就是磨損到正常壽命結(jié)束的時候，最大的間隙是多少。最大磨損極限應(yīng)該是：Smax-Smin。

（2）tgα，即直線的斜率叫做磨損強度，等于單位時間磨損的厚度，磨損強度越大，表明材料耐磨性越差。零件進入急劇磨損階段后，就不能正常使用，必須進行修復(fù)或者更換，故沒有第三階段的磨損方程。注意：193.簡化的磨損方程方程：

由于第一階段，即初期磨損階段，這段時間很短，如忽略不計，就得到了這個簡化的磨損方程。3.簡化的磨損方程20（三）磨損壽命

1.設(shè)備的正常壽命T是第一階段和第二階段時間之和。

T=△t1+△t2

2.簡化后

式中：△smax—最大允許磨損量

s0—第Ⅰ階段結(jié)束時的配合間隙（三）磨損壽命21

（四）磨損率磨損率是指實際磨損量和極限磨損量之比。用αm表示。

式中：αm——磨損率；

Δs——實際磨損量。（四）磨損率22三、剩余磨損壽命的計算對以磨損為主的機器或零部件，可以根據(jù)磨損曲線計算其剩余磨損壽命或磨損率。對新機器或零部件磨損壽命的估算，首先要確定材料的磨損強度tgα和最大磨損極限smax，則設(shè)備總的磨損壽命為：T=(smax－so)/tgα=Δsmax/tgα三、剩余磨損壽命的計算對以磨損為主的機器或零部件，可23對在用機器設(shè)備的磨損強度可根據(jù)歷史數(shù)據(jù)估算，首先應(yīng)確定實際磨損量Δs、已運行時間Δt，根據(jù)上述參數(shù)估算磨損強度tgα: tgα=Δs/Δt然后根據(jù)磨損方程計算剩余磨損壽命Ts

： Ts

=(Δsmax－Δs)/tgα 對在用機器設(shè)備的磨損強度可根據(jù)歷史數(shù)據(jù)估算，首先應(yīng)確定實際磨24[例1]已知磨損強度為每年0.5mm，設(shè)備運行三年后，磨損率為1/4，計算設(shè)備的剩余壽命和極限磨損量。解：總壽命為：年

剩余壽命為：12－3=9年

實際磨損量為：3×0.5=1.5mm

極限磨損量為：12×0.5=6mm[例1]已知磨損強度為每年0.5mm，設(shè)備運行三年后，25例2.某起重機卷筒主要損耗形式是鋼絲繩與卷筒摩擦對卷筒的磨損。該卷筒原始壁厚20mm，現(xiàn)在壁厚為18.5mm。根據(jù)起重機卷筒的報廢標準，筒壁最大磨損允許極限是原筒壁厚度的20%，該起重機已運行4年，估算卷筒的剩余磨損壽命和磨損率。解:(1)該卷筒極限磨損量ΔSmax：

ΔSmax=20mm×20%=4(mm)(2)該卷筒實際磨損量Δs:

Δs=20mm-18.5mm=1.5(mm)

例2.某起重機卷筒主要損耗形式是鋼絲繩與卷筒摩擦對卷筒的26

(3)磨損強度tgα： tgα=Δs/Δt=(20-18.5)/4=0.375(mm/年)

(4)剩余磨損壽命Ts: Ts=(Δsmax-Δs)/tgα=(4-1.5)/0.375=6.67(年)(5)磨損率:

αm=Δs/Δsmax=1.5/4=37.5%(3)磨損強度tgα：27二、典型的磨損過程1.典型的磨損過程分為三個階段：(1)初期磨損階段(第Ⅰ階段)：零部件表面的宏觀幾何形狀和微觀幾何尺寸都發(fā)生明顯變化，磨損速度很快。二、典型的磨損過程1.典型的磨損過程分為三個28初期磨損階段的磨損方程為：簡化為直線處理，磨損方程為：式中：S

－配合間隙；Smin

－最小配合間隙；So－第Ⅰ階段結(jié)束時的配合間隙；

Δt1－第Ⅰ階段磨損時間。初期磨損階段的磨損方程為：29

(2)正常磨損階段(第Ⅱ階段)：磨損情況比較穩(wěn)定，磨損量隨時間均勻增加，即二者成線性關(guān)系。

正常磨損階段的磨損方程：s=so+(t－Δt1)tgα

=so+(t－Δt1)(smax－so)/Δt2

(Δt1

≤t≤Δt1＋Δt1)

式中：smax－最大磨損極限；

Δt2

－第二階段磨損時間。

(2)正常磨損階段(第Ⅱ階段)：磨損情況比較穩(wěn)定，磨損量隨30(3)急劇磨損階段(第Ⅲ階段)：磨損量急劇上升，機器設(shè)備的精度、技術(shù)性能和生產(chǎn)效率明顯下降。在進入急劇磨損階段之前，應(yīng)該進行修理。2.簡化磨損方程

將第Ⅰ階段(初期磨損階段)忽略不計，即Δt1＝0，

so≈smin；

s＝so+

t×tgα

＝so+

t(smax－so)/Δt2

(3)急劇磨損階段(第Ⅲ階段)：磨損量急劇上升，機器設(shè)備313.磨損壽命：設(shè)備的正常磨損壽命T應(yīng)該是第一階段和第二階段時間之和。簡化后：剩余壽命為：

式中：ΔSmax－最大允許磨損量

3.磨損壽命：設(shè)備的正常磨損壽命T應(yīng)該是第一階段和324.磨損率磨損率指零件實際磨損量與極限磨損量之比，如第I階段忽略不計，按簡化的磨損方程則磨損率的計算公式：

αm＝(s－so)/(sm－so)

＝Δs/Δsmax 式中:αm

－磨損率;

Δs－實際磨損量。

Δsmax－最大允許磨損量4.磨損率33三、剩余磨損壽命的計算對以磨損為主的機器或零部件，可以根據(jù)磨損曲線計算其剩余磨損壽命或磨損率。對新機器或零部件磨損壽命的估算，首先要確定材料的磨損強度tgα和最大磨損極限smax，則設(shè)備總的磨損壽命為：T=(smax－so)/tgα=ΔSmax/

tgα三、剩余磨損壽命的計算對以磨損為主的機器或零34對在用機器設(shè)備的磨損強度可根據(jù)歷史數(shù)據(jù)估算，首先應(yīng)確定實際磨損量Δs、已運行時間Δt，根據(jù)上述參數(shù)估算磨損強度tgα: tgα=Δs/Δt

然后根據(jù)磨損方程計算剩余磨損壽命

Ts: Ts

=(Δsmax－Δs)/tgα

對在用機器設(shè)備的磨損強度可根據(jù)歷史數(shù)據(jù)估算，首先應(yīng)確定實35

例1.已知磨損強度為0.5mm/年，設(shè)備運行三年后，磨損率為

1/4,求剩余壽命及極限磨損量。解：總壽命:3/(1/4)=12(年)剩余壽命:12－3=9(年)極限磨損量:12×0.5=6(mm)例1.已知磨損強度為0.5mm/年，設(shè)備運行三年后，磨損36例2.某起重機卷筒主要損耗形式是鋼絲繩與拳筒摩擦對卷筒的磨損。該卷筒原始壁厚20mm，現(xiàn)在壁厚為18.5mm。根據(jù)起重機卷筒的報廢標準，筒壁最大磨損允許極限是原筒壁厚度的20%，該起重機已運行4年，估算卷筒的剩余磨損壽命和磨損率。解:(1)

該卷筒極限磨損量ΔSmax

：

ΔSmax=20mm×20%=4(mm)(2)該卷筒實際磨損量

Δs:

Δs=20mm-18.5mm=1.5(mm)

例2.某起重機卷筒主要損耗形式是鋼絲繩與拳筒摩擦對卷37

(3)

磨損強度tgα： tgα=Δs/Δt=(20-18.5)/4=0.375(mm/年)

(4)

剩余磨損壽命Ts: Ts=(ΔSmax-Δs)/tgα=(4-1.5)/0.375=6.67(年)

(5)磨損率:

αm=Δs/ΔSmax=1.5/4=37.5%(3)磨損強度tgα：38第3節(jié)疲勞壽命理論及應(yīng)用

一、基本概念

(一)應(yīng)力

應(yīng)力是機械零件的材料內(nèi)任一點處由于外力作用或不均勻加熱或永久變形產(chǎn)生的單位截面積上的內(nèi)力。應(yīng)力用內(nèi)力與截面積的比值表示。應(yīng)力在垂直于截面方向的分量：正應(yīng)力(法向應(yīng)力),用σ表示；在平行于截面方向的分量：切應(yīng)力(剪應(yīng)力),用τ表示。重點內(nèi)容，甚至是全書的重點。第3節(jié)疲勞壽命理論及應(yīng)用一、基本概念重點內(nèi)容39

（一）應(yīng)力假設(shè)一根粉筆，兩端用手一拉，就斷了，這說明粉筆中間有力在傳遞，如果沒有力就不會斷裂，粉筆內(nèi)部有力量就叫內(nèi)力。這個內(nèi)力的大小還不足以決定是否是粉筆會發(fā)生斷裂破壞，但是應(yīng)力的大小是破壞的主要依據(jù)。1.內(nèi)力：物體的一部分對另一部分的機械作用。2.應(yīng)力：應(yīng)力就是單位面積上的內(nèi)力。σ:正應(yīng)力，法向應(yīng)力，與截面垂直Τ:切應(yīng)力，剪應(yīng)力，與截面平行正應(yīng)力和切應(yīng)力是度量零件強度的兩個物理量，常用單位：兆帕（MPa）。（一）應(yīng)力假設(shè)一根粉筆，兩端用手一拉，就斷了，這說明粉筆中40正應(yīng)力表示零件內(nèi)部相鄰兩截面間拉伸和壓縮的作用；切應(yīng)力表示相互錯動的作用。正應(yīng)力和切應(yīng)力的向量和稱為總應(yīng)力。正應(yīng)力表示零件內(nèi)部相鄰兩截面間拉伸和壓縮的作用；切應(yīng)力表示相41（二）應(yīng)變1.應(yīng)變是外力作用引起的形狀和尺寸的相對改變。2.注意：

第一，形狀改變比如鉚釘受剪切力作用后，截面由圓形變?yōu)闄E圓形或不規(guī)則的形狀，尺寸的改變比如桿受拉后伸長，受壓后縮短；

第二，應(yīng)變和變形不同，變形量是絕對量，如伸長了1毫米，而應(yīng)變是伸長量與原來長度的比值，沒有單位。（二）應(yīng)變423.當(dāng)外力去掉以后，如果物體的變形能完全消除，物體能完全恢復(fù)到原來的狀態(tài)，就是原來的尺寸和形狀，那么這就叫做彈性應(yīng)變；如果只能部分恢復(fù)到原來的狀態(tài)，那么殘留下來的那一部分變形稱為塑性變形。相應(yīng)的應(yīng)變就叫塑性應(yīng)變。也叫殘余變形。與正應(yīng)力對應(yīng)的是線應(yīng)變，與切應(yīng)力對應(yīng)的是角應(yīng)變。

3.當(dāng)外力去掉以后，如果物體的變形能完全消除，物體能完全恢復(fù)43（三）材料強度一般，決定材料的強度，就用這種材料制成一定尺寸、一定粗糙度的光滑的試件，也叫試樣、試棒。然后在相應(yīng)的材料試驗機上做試驗。低碳鋼試棒在受軸向靜拉力時，軸向負荷P與絕對軸向變形Δl的關(guān)系曲線，圖8-2。1.負荷較小時，材料的軸向變形與負荷成線性關(guān)系；負荷超過Pp后，呈非線性關(guān)系。保持線性關(guān)系的最大負荷為比例極限負荷Pp。與該點相對應(yīng)的應(yīng)力稱為比例極限σp，也就是應(yīng)力與應(yīng)變?yōu)榫€性關(guān)系的最大應(yīng)力。（三）材料強度44第8章-機器設(shè)備壽命估算ppt課件452.負荷小于Pe時，材料的變形為彈性變形，大于Pe時則產(chǎn)生塑性變形，與該點相對應(yīng)的應(yīng)力為彈性極限σe。

3.當(dāng)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。屈服階段的最小負荷是屈服點的負荷Ps，與之對應(yīng)的應(yīng)力稱為屈服極限σs。

對沒有出現(xiàn)明顯屈服現(xiàn)象的材料，用產(chǎn)生0.2%殘余變形的應(yīng)力作為條件屈服極限。2.負荷小于Pe時，材料的變形為彈性變形，大于Pe時則產(chǎn)生塑464.當(dāng)負荷達到一個最大值Pb，試樣的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(yīng)的應(yīng)力稱為強度極限或抗拉強度σb。它是材料拉斷前的最大應(yīng)力。

5.當(dāng)負荷達到PK時，試樣斷裂。這個負荷稱為斷裂負荷。屈服極限σs、強度極限σb是評價材料靜強度的重要指標。

4.當(dāng)負荷達到一個最大值Pb，試樣的某一截面開始急劇縮小，致476.小結(jié)：

（1）比例極限σP：是應(yīng)力和應(yīng)變、力和變形成線性關(guān)系的最大應(yīng)力；

（2）彈性極限σe：保持彈性變形的最大應(yīng)力，超過它就不再僅僅是彈性變形，還有塑性變形；

（3）屈服極限σs：是開始出現(xiàn)屈服現(xiàn)象的應(yīng)力，所謂屈服，就是負荷不再增加，但試件還在繼續(xù)伸長的這種現(xiàn)象，有一些材料，比如鑄鐵，高強度鋼，沒有明顯的屈服現(xiàn)象，那我們就以產(chǎn)生0.2%殘余變形的應(yīng)力作為條件屈服極限。

（4）強度極限σb：是指材料拉斷前的最大應(yīng)力，也叫做抗拉強度；

（5）試件斷裂處的負荷叫做斷裂負荷。

其中，必須掌握的就是屈服極限σs和強度極限σb，這是評價材料靜強度的重要指標。6.小結(jié)：

（1）比例極限σP：是應(yīng)力和應(yīng)變、力和變形成線48（四）許用應(yīng)力

1.定義：許用應(yīng)力是機械設(shè)計中，允許零件或構(gòu)件承受的最大應(yīng)力值。除了考慮屈服極限，而且還要考慮生產(chǎn)的安全性。

2.公式：

(1)對于塑性材料(大多數(shù)結(jié)構(gòu)鋼、鋁合金等)，(2)對于脆性材料(高強度鋼、鑄鐵等)，ns、nb是安全系數(shù)。注意：第一，最大應(yīng)力小于許用應(yīng)力；第二，許用應(yīng)力，不同的材料公式是不同的；第三，安全系數(shù)是大于1的數(shù)，不同的行業(yè)是不同的，大的可以到10。ns、nb是不等的。

（四）許用應(yīng)力

1.定義：許用應(yīng)力是機械設(shè)計中，允許零件或49[例3]45號鋼制圓桿承受拉伸載荷Q＝5×104N，材料的屈服極限σs=300Mpa，安全系數(shù)ns=4，試計算該圓桿的直徑?？扇A桿的直徑為30mm。

注意：第一，實際是等于29.13×10-3m，即上述答案。第二是單位的換算。[例3]45號鋼制圓桿承受拉伸載荷Q＝5×104N，材料的50二、疲勞及疲勞壽命1.靜應(yīng)力：就是應(yīng)力的大小和方向不隨時間而改變。（上述討論的內(nèi)容）2.交變應(yīng)力：指應(yīng)力的大小和方向隨時間呈周期性的變化的應(yīng)力。如手折鐵絲。3.疲勞壽命：材料在疲勞破壞前所經(jīng)歷的應(yīng)力循環(huán)數(shù)稱為疲勞壽命。二、疲勞及疲勞壽命51三、疲勞壽命曲線

1.疲勞壽命曲線：就是S-N曲線(1)種類：應(yīng)力—壽命曲線(σ—N(應(yīng)力循環(huán)數(shù))曲線)，應(yīng)變—壽命曲線(δ—N曲線)。(2)數(shù)學(xué)表達式：

σm·

N=C式中：m、C——材料常數(shù)。三、疲勞壽命曲線52第8章-機器設(shè)備壽命估算ppt課件532.小結(jié)：

(1)水平起始點M對應(yīng)的應(yīng)力值σ叫做疲勞極限。

①疲勞極限：是可以承受無限次應(yīng)力循環(huán)而不會發(fā)生疲勞破壞的最大應(yīng)力。

②疲勞極限比材料靜強度極限要低得多。

(2)疲勞極限的數(shù)值不僅和材料有關(guān)，還和循環(huán)特征有關(guān)，對稱循環(huán)條件下，最容易發(fā)生疲勞破壞，相應(yīng)的疲勞極限值最低，脈動循環(huán)好一點，所以，對一種材料的疲勞極限通常用σr表示，r這個下標代表循環(huán)特征，具體來說，對稱循環(huán)時，材料的疲勞極限用σ-1表示，而脈動循環(huán)時，材料的疲勞極限用σ0表示，σ-1小于σ0。2.小結(jié)：

(1)水平起始點M對應(yīng)的應(yīng)力值σ叫做疲勞極限54(3)對應(yīng)M點的橫坐標叫做循環(huán)基數(shù)，用符號N0表示，N0一般是107，也就是1000萬，但是對于具體的材料、具體的循環(huán)特征，N0有所不同。

①N0將S—N曲線分成兩部分。在N0點右邊的部分，是無限壽命區(qū)，如果承受的應(yīng)力小于疲勞極限，試件就可以承受無限次應(yīng)力循環(huán)而不發(fā)生疲勞破壞；②M點左邊的區(qū)域為有限壽命區(qū)，又稱條件疲勞極限，即當(dāng)材料所承受的最大應(yīng)力大于它的疲勞極限時，只能承受有限次應(yīng)力循環(huán)，而不能是無限次。越靠近縱坐標，即應(yīng)力越大，疲勞壽命越短。③N低于104～105時對應(yīng)的有限壽命區(qū)稱為低周疲勞區(qū)。

④在有限壽命區(qū)，應(yīng)力和循環(huán)次數(shù)的關(guān)系用方程:來表示。σm·

N=C(3)對應(yīng)M點的橫坐標叫做循環(huán)基數(shù)，用符號N0表示，N055[例4]某標準試件，已知σ-1=300Mpa，N0=107，m=9。試計算在對稱循環(huán)交變應(yīng)力σ1＝500Mpa和σ2＝260Mpa作用下的疲勞壽命。解：（1）此試件的疲勞極限σ-1=300Mpa，在高于對稱循環(huán)交變應(yīng)力σ1max=500Mpa作用下產(chǎn)生疲勞破壞，其疲勞壽命為：可以看出，應(yīng)力大了不到一倍，但疲勞壽命卻小了100倍，可見應(yīng)力對疲勞壽命的影響是相當(dāng)大的。[例4]某標準試件，已知σ-1=300Mpa，N0=1056（2）在對稱循環(huán)交變應(yīng)力σ2max=260Mpa作用下的疲勞壽命。

答：σ2max＜σ-1低于疲勞極限，在無限壽命區(qū)，零件的壽命是無限的。

如果計算結(jié)果比N0大，肯定是在無限壽命區(qū)，計算錯。（2）在對稱循環(huán)交變應(yīng)力σ2max=260Mpa作用下的疲勞57四、循環(huán)應(yīng)力的特性1.交變應(yīng)力的參數(shù)：

最大應(yīng)力σmax、最小應(yīng)力σmin、平均應(yīng)力σm、應(yīng)力幅σa、循環(huán)特征r。四、循環(huán)應(yīng)力的特性582.圖示：2.圖示：59r=-1，稱為對稱循環(huán)對稱循環(huán)的特點：(1)循環(huán)特征r等于-1；

(2)最大應(yīng)力和最小應(yīng)力大小相等，符號相反；

(3)平均應(yīng)力等于0；(4)應(yīng)力幅σa=最大應(yīng)力σmax。r=-1，稱為對稱循環(huán)對稱循環(huán)的特點：60r=0，稱為脈動循環(huán)脈動循環(huán)的特點：(1)循環(huán)特征r等于0；

(2)應(yīng)力幅等于平均應(yīng)力，都等于二分之一最大應(yīng)力；

(3)最小應(yīng)力等于0。r=0，稱為脈動循環(huán)脈動循環(huán)的特點：61靜應(yīng)力特點：(1)最大應(yīng)力等于最小應(yīng)力，等于平均應(yīng)力；

(2)應(yīng)力幅等于0；(3)循環(huán)特征。靜應(yīng)力特點：623.對稱循環(huán)的特點：（1）循環(huán)特征r等于-1；

（2）最大應(yīng)力和最小應(yīng)力大小相等，符號相反；

（3）平均應(yīng)力等于0；（4）應(yīng)力幅σa=最大應(yīng)力σmax。4.脈動循環(huán)的特點：（1）循環(huán)特征r等于0；

（2）應(yīng)力幅等于平均應(yīng)力，都等于二分之一最大應(yīng)力；

（3）最小應(yīng)力等于0。3.對稱循環(huán)的特點：635.靜應(yīng)力特點：

（1）最大應(yīng)力等于最小應(yīng)力，等于平均應(yīng)力；

（2）應(yīng)力幅等于0；（3）循環(huán)特征。提醒兩點：第一，r等于+1，說明是靜應(yīng)力，靜應(yīng)力也是交變應(yīng)力的一個特例，即循環(huán)特征等+1；第二，在靜應(yīng)力中，應(yīng)力幅等0，表明靜應(yīng)力中沒有表示變動的成分，反過來，應(yīng)力幅表示了交變應(yīng)力中動的成分。再看對稱循環(huán)，也是最典型的交變應(yīng)力，也是最危險的，相當(dāng)于把鐵絲來回折斷一樣，是最危險的，也最易發(fā)生破壞。在對稱循環(huán)中，平均應(yīng)力等于0，在靜應(yīng)力中，平均應(yīng)力等于最大。如果說，應(yīng)力幅表明交變應(yīng)力中變動的成分，那么就可以說，平均應(yīng)力表示交變應(yīng)力中靜的部分，一般的交變應(yīng)力指的這里看到的，實際上，既有靜的部分σm，也有動的部分σa，兩部分之和就是一般情況下的交變應(yīng)力。5.靜應(yīng)力特點：

（1）最大應(yīng)力等于最小應(yīng)力，等于平均應(yīng)力；646.舉例：

(1)σa=100Mpa，σm=0，求r。(2)已知平均應(yīng)力σm=

20Mpa，r=0，求σa,σmar,σmin。

6.舉例：

(1)σa=100Mpa，σm=0，657.疲勞極限曲線（1）A點表示對稱循環(huán)條件下的疲勞極限；（2）B點表示接近于0時的疲勞極限；即強度極限。（3）C點表示脈動循環(huán)的疲勞極限。在曲線內(nèi)部是無限壽命區(qū)，之外是有限壽命區(qū)。此曲線需要大量的試驗才能畫出，為了簡化，可把ACB三點或AB兩點連起來的折線來代替曲線，這樣雖然計算不精確，但是一方面可大大降低試驗的工作量，另一方面也更安全。圖8-4疲勞極限曲線7.疲勞極限曲線圖8-4疲勞極限曲線66五、疲勞極限零件或構(gòu)件要和試件的材料相同，才具有可比性，試件前面已經(jīng)說過，實際的零件和試件是不同的，其一，尺寸大小不同；其二表面狀態(tài)不同，零件粗糙度比試件大，這意味著在使用過程中會產(chǎn)生微觀裂紋等缺陷，因此，對零件的強度不影響；其三，還存在引起應(yīng)力集中的因素，如有圓角，鍵槽、螺紋，即破壞是從最薄弱環(huán)節(jié)開始，所以設(shè)計時要考慮應(yīng)力集中系數(shù)K，尺寸系數(shù)ε，表面狀態(tài)系數(shù)β?？紤]零件的應(yīng)力循環(huán)特征、尺寸效應(yīng)、表面狀態(tài)應(yīng)力集中等因素的零件疲勞極限如表8-1所示。五、疲勞極限67第8章-機器設(shè)備壽命估算ppt課件68（一）有效應(yīng)力集中系數(shù)K有效應(yīng)力集中系數(shù)是指在相同試驗條件下，光滑試件與有應(yīng)力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)。應(yīng)力集中是由于構(gòu)件截面尺寸突然變化而引起應(yīng)力局部增大的現(xiàn)象。在等截面構(gòu)件中，應(yīng)力是均勻分布的，如圖所示的一根軸，在截面突然變小的地方就會引起應(yīng)力集中，如食品塑料袋在缺口處就容易撕開。（一）有效應(yīng)力集中系數(shù)K69（二）尺寸系數(shù)ε尺寸系數(shù)是指在相同情況下，尺寸為d的零件的疲勞極限與標準試件的疲勞極限之比。（三）表面狀態(tài)系數(shù)β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標準試件時β＜1.0；用表面強化方法，如表面熱處理和表面冷加工硬化等，可使β大于1.0。一般的小于1。（二）尺寸系數(shù)ε70（四）不對稱循環(huán)度系數(shù)Ψ

指應(yīng)力循環(huán)特征對疲勞極限的影響系數(shù)，Ψσ、Ψτ分別表示彎曲和扭轉(zhuǎn)時的情況。

對于對稱循環(huán)的情況，即r=-1時，對于脈動循環(huán)的情況，即r=0時，

疲勞強度的安全條件，即交變應(yīng)力作用下，零件構(gòu)件強度是什么呢，前面講過，最大應(yīng)力小于許用應(yīng)力，此時，安全系數(shù)n必須大于等使用的安全系數(shù)[n]，而這個安全系數(shù)就是零件的疲勞極限σ-1k除以最大應(yīng)力σmax,注意這個最大應(yīng)力是交變應(yīng)力，發(fā)生在危險截面。（四）不對稱循環(huán)度系數(shù)Ψ

指應(yīng)力循環(huán)特征對疲勞極限的影響系數(shù)71[例5]某機器中使用的軸，其危險截面上的最大彎曲應(yīng)力σmax＝80Mpa,最小彎曲應(yīng)力σmin＝-80Mpa,該截面的尺寸系數(shù)εσ＝0.84，表面狀態(tài)系數(shù)β＝0.93，有效應(yīng)力集中系數(shù)Kσ＝1.88，軸所使用的材料的彎曲疲勞極限σ-1=245Mpa，若規(guī)定安全系數(shù)[n]＝2。試校核該軸是否安全？解:即該軸承受對稱循環(huán)交變彎曲應(yīng)力。（2）考慮尺寸系數(shù)、表面狀態(tài)系數(shù)以及應(yīng)力集中系數(shù)后，該軸的對稱循環(huán)疲勞極限為：[例5]某機器中使用的軸，其危險截面上的最大彎曲應(yīng)力σmax72（3）該軸段的安全系數(shù)

結(jié)論：該軸不安全。（3）該軸段的安全系數(shù)

73六、疲勞損傷積累理論疲勞損傷積累理論認為：當(dāng)零件所受應(yīng)力高于疲勞極限時，每一次載荷循環(huán)都對零件造成一定量的損傷，且這種損傷是可積累的；當(dāng)損傷積累到臨界值時，零件將發(fā)生疲勞破壞。其理論和計算方法很多，有線性和非線性兩種。線性疲勞損傷積累理論認為，每一次循環(huán)載荷產(chǎn)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，最具代表性的理論是帕姆格倫－邁因納(Palmgren-Miner)定理。非線性疲勞損傷積累理論認為，每一次損傷是非獨立的，每一次循環(huán)載荷形成的損傷與已發(fā)生的載荷大小及次數(shù)有關(guān)，其代表性的理論有柯爾頓(Corten)理論、多蘭(Dolam)理論。目前，應(yīng)用最多的是線性疲勞損傷積累理論。六、疲勞損傷積累理論疲勞損傷積累理論認為：當(dāng)零件所受應(yīng)74邁因納(Palmgren-Miner)定理設(shè)在載荷譜中，有應(yīng)力幅為σ1、σ2…σi…等各級應(yīng)力，其循環(huán)數(shù)分別為n1、n2…ni…。從材料的S－N曲線，可以查到對應(yīng)于各級應(yīng)力的達到疲勞破壞的循環(huán)數(shù)N1、N2…Ni…。根據(jù)疲勞損傷積累為線性關(guān)系的理論，比值ni/Ni為材料受到應(yīng)力σi的損傷率。發(fā)生疲勞破壞，即損傷率達到100%的條件為:

這就是線性損傷積累理論(帕姆格倫一邁因納定理)的表達式。邁因納(Palmgren-Miner)定理設(shè)在載荷75令N為以循環(huán)數(shù)表示的疲勞壽命，則上式可改寫為：

式中ni/N代表應(yīng)力為σi的循環(huán)數(shù)在載荷譜的總循環(huán)數(shù)中所占的比例，可從載荷譜中求得；Ni是對應(yīng)于σi的循環(huán)次數(shù)，可從σ－N曲線求得。線性損傷積累理論與實際情況并不完全符合，疲勞破壞時，∑ni/Ni并不恰等于1。但該理論簡單、比較接近實際，故得到廣泛應(yīng)用。令N為以循環(huán)數(shù)表示的疲勞壽命，則上式可改寫為：76例6.某零件的載荷譜中，有三種交變載荷，對應(yīng)的應(yīng)力幅分別為σ1、σ2、σ3，其出現(xiàn)的頻度分別為10%、60%、30%，如果已查到對應(yīng)于三個應(yīng)力達到疲勞破壞的循環(huán)次數(shù)分別為103、104和106，計算該零件在上述載荷譜作用下達到疲勞破壞的循環(huán)次數(shù)。解:根據(jù)邁因納定理:

該零件在給定載荷譜作用下，可以承受6238次循環(huán)。例6.某零件的載荷譜中，有三種交變載荷，對應(yīng)的應(yīng)力幅分別77七、疲勞壽命理論的應(yīng)用在機器設(shè)備中，幾乎所有機器設(shè)備的結(jié)構(gòu)部分都承受疲勞載荷，它們的主要失效形式是疲勞破壞，如起重機的主梁、飛機的機體等的失效。一般來講，設(shè)備的結(jié)構(gòu)壽命是決定整個設(shè)備自然使用壽命的基礎(chǔ)，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結(jié)，可申請整車報廢。在機器設(shè)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。七、疲勞壽命理論的應(yīng)用在機器設(shè)備中，幾乎所有機器設(shè)備的7820世紀90年代以后生產(chǎn)的新設(shè)備，其主要結(jié)構(gòu)件一般都已進行過疲勞壽命設(shè)計，這些設(shè)備在設(shè)計時就確定了設(shè)備的設(shè)計使用壽命。這個設(shè)計壽命是根據(jù)設(shè)備可能承受載荷的強度和頻度來確定的。但在實際使用中，機器設(shè)備所承受的實際載荷可能與設(shè)計時考慮的情況有很大不同。因此，在評估中，重要設(shè)備的實際疲勞損傷程度和剩余壽命，需要根據(jù)設(shè)備所承受的實際載荷使用疲勞壽命理論進行計算確定。早期生產(chǎn)的機器設(shè)備，設(shè)計時一般只進行強度計算，未進行疲勞壽命計算。設(shè)備的安全系數(shù)較大，很多已超過服役年齡仍在繼續(xù)使用。疲勞壽命理論可以用來估算這些設(shè)備的剩余物理壽命，這無論對于評估還是企業(yè)的安全生產(chǎn)都非常重要。20世紀90年代以后生產(chǎn)的新設(shè)備，其主要結(jié)構(gòu)件一般都已進行過791.對于已進行疲勞壽命設(shè)計的機器設(shè)備，考慮到使用時機器設(shè)備所承受的實際載荷可能與設(shè)計情況不同，對于重要設(shè)備的評估，必須根據(jù)設(shè)備所承受的實際載荷，使用疲勞壽命理論對設(shè)備的實際疲勞損傷程度和剩余壽命進行計算?；静襟E： (1)統(tǒng)計計算危險斷面各種載荷所對應(yīng)的名義應(yīng)力σi及作用次數(shù)ni (2)根據(jù)S-N曲線確定每一載荷所對應(yīng)的應(yīng)力水平σi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(yīng)力水平σi下的損傷率ni/Ni (4)計算總損傷率∑ni/Ni。1.對于已進行疲勞壽命設(shè)計的機器設(shè)備，考慮到使用時機器設(shè)80例7.某起重機部件，每天各種載荷所對應(yīng)的危險斷面應(yīng)力及其出現(xiàn)次數(shù)見表，循環(huán)基數(shù)No=107次。該部件已運行380天，計算疲勞損傷率?在負荷強度相同的情況下，該起重機的總壽命和剩余疲勞壽命?序號應(yīng)力σi(MPa)每天出現(xiàn)次數(shù)(次/天)對應(yīng)的疲勞破壞循環(huán)次數(shù)Ni123651.0×104219894.15×104313528

9.3×106410155

9.9×10658089＞107例7.某起重機部件，每天各種載荷所對應(yīng)的危險斷面應(yīng)力及其出81解:(1)根據(jù)每天各種載荷出現(xiàn)的次數(shù)和已運行天數(shù)，計算各種載荷作用次數(shù)噸，填入表中；(2)計算每一應(yīng)力水平σi下的損傷率ni/Ni，填入表中；(3)計算總損傷率∑ni/Ni

序號應(yīng)力σi

(MPa)每天出現(xiàn)次數(shù)(次/天)對應(yīng)的疲勞破壞循環(huán)次數(shù)Ni對應(yīng)載荷的總作用次數(shù)ni對應(yīng)應(yīng)力水平下的損傷率ni/Ni123651.0×1041.9×1030.190219894.15×1043.42×1030.0823135289.3×1051.06×1040.0114101559.9×1062.09×1040.00258089＞1073.38×104不產(chǎn)生疲勞損傷

∑ni/Ni=0.285(i=1,2,3,4,5)解:序號應(yīng)力σi每天出現(xiàn)次數(shù)對應(yīng)的疲勞破對應(yīng)載荷的總對應(yīng)82(4)計算剩余疲勞壽命?？偸褂脡勖?380/0.285=1333(天)剩余疲勞壽命=1333－380=953(天)(4)計算剩余疲勞壽命。832.對于未進行疲勞壽命計算的機器設(shè)備，疲勞壽命理論可以用來估算這些設(shè)備的剩余物理壽命，其基本程序如下:(1)確定危險斷面。有限壽命計算需要先知道應(yīng)力值。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(yīng)力的變化規(guī)律，并對這個截面進行疲勞壽命計算。如危險截面不能完全肯定，則應(yīng)對幾個可能截面進行計算分析。(2)確定應(yīng)力。計算每一個載荷對應(yīng)的應(yīng)力值。(3)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)計算。統(tǒng)計每一個載荷所對應(yīng)的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。2.對于未進行疲勞壽命計算的機器設(shè)備，疲勞壽命理論可以用84(4)確定各系數(shù)。考慮實際零件形狀、尺寸及表面狀態(tài)，確定應(yīng)力集中系數(shù)K、尺寸系數(shù)ε、表面系數(shù)β及不對稱循環(huán)系數(shù)ψ。(5)計算修正后的應(yīng)力。根據(jù)應(yīng)力集中系數(shù)K、尺寸系數(shù)ε和表面系數(shù)β計算修正后零件的疲勞極限。(6)計算疲勞損傷或疲勞壽命。查與σi對應(yīng)的Ni,并計算疲勞損傷或疲勞壽命。(4)確定各系數(shù)。考慮實際零件形狀、尺寸及表面狀態(tài)，確定85第4節(jié)損傷零件壽命估算常規(guī)疲勞壽命計算都是在假定材料沒有任何缺陷的條件下進行的。但是，在評估中所遇到的設(shè)備，特別是在役設(shè)備通常帶有某些缺陷，如使用中形成的裂紋或制造中形成的裂紋、夾渣等。這些缺陷的存在，并不意味著設(shè)備已喪失其使用價值。一般說，它還有一定的安全使用壽命。故在評估一些造價很高的大型結(jié)構(gòu)件及大型壓力容器等設(shè)備的價值時，要求評估人員能科學(xué)地計算其剩余自然壽命。估算存在缺陷設(shè)備的剩余自然壽命，一般以斷裂力學(xué)理論為基礎(chǔ)，采用斷裂韌性試驗和無損檢測技術(shù)手段進行。

第4節(jié)損傷零件壽命估算常規(guī)疲勞壽命計算都是在假定材料沒有任86一、疲勞斷裂的基本理論斷裂力學(xué)理論認為：零件的缺陷在循環(huán)裁荷作用下會逐步擴大，當(dāng)缺陷擴大到臨界尺寸后將發(fā)生斷裂破壞。這個過程被稱為疲勞斷裂過程。疲勞斷裂過程大致可分四個階段，即：1.成核(10-3～10-4，第一階段)2.微觀裂紋擴展(10-2～10-1mm，第二階段)3.宏觀裂紋擴展(1mm～臨界裂紋尺寸，第三階段)4.斷裂(第四階段)其中，第一階段為裂紋萌生階段，