Haben Sie sich jemals gefragt, warum Ihre vertraute Maschine plötzlich ausfällt? Dieser Artikel befasst sich mit den verborgenen Ursachen mechanischer Ausfälle, von Konstruktionsfehlern bis hin zu Materialmängeln. Sie erhalten praktische Tipps, um die Lebensdauer Ihrer Geräte zu verlängern und einen reibungsloseren Betrieb zu gewährleisten.
Die Ursachen für Ausfälle mechanischer Geräte sind vielfältig; einige sind auf inhärente Mängel in den Geräten selbst zurückzuführen, während andere mit Konstruktionsproblemen zusammenhängen, z. B. mit einer unangemessenen ursprünglichen Konstruktionsstruktur, Abmessungen, Koordination und Materialauswahl. Es gibt auch Probleme mit den Werkstoffen der Teile, wie z. B. ungleichmäßige Materialqualität, übermäßige innere Eigenspannungen und so weiter.
Herstellungsprobleme, wie technische Probleme bei der mechanischen Verarbeitung, beim Gießen, Schmieden, bei der Wärmebehandlung, beim Zusammenbau und bei Standardteilen während des Herstellungsprozesses, tragen ebenfalls zu Ausfällen bei. Darüber hinaus können Probleme bei der Montage, wie z. B. unsachgemäße Auswahl und Anpassung von Teilen sowie falsche Installation, zu Problemen führen. Und schließlich können auch Probleme bei der Inspektion und Prüfung zu Ausfällen von Geräten führen.
Ein mechanisches Teil gilt als ausgefallen, wenn es seine spezifizierte Funktion verliert. Ein Teil gilt als ausgefallen, wenn es in einen der beiden folgenden Zustände fällt: Es kann seine spezifizierte Funktion nicht mehr erfüllen, oder es kann nicht zuverlässig und sicher weiter verwendet werden.
Das Versagen von Teilen ist die Hauptursache für Ausfälle von Maschinen. Daher ist es von großer Bedeutung, die Ausfallmuster von Teilen zu untersuchen, die Ursachen für ihre Ausfälle zu ermitteln und Verbesserungsmaßnahmen zu ergreifen, um das Auftreten mechanischer Ausfälle zu verringern und die Lebensdauer von Maschinen zu verlängern.
Das Hauptmerkmal des Versagens mechanischer Teile ist die Abnutzung der Arbeitsflächen der Teile, die den größten Anteil an der Beschädigung der Teile ausmacht. Materialkorrosion und Alterung sind eine weitere unvermeidliche Art des Versagens während des Arbeitsprozesses von Teilen, aber ihr Anteil ist im Allgemeinen viel geringer. Diese beiden Versagensarten fassen im Wesentlichen die Hauptversagensarten von mechanischen Teilen unter normalen Einsatzbedingungen zusammen.
Andere Formen des Versagens, wie zum Beispiel Ermüdungsbruch und Verformung von Teilen, obwohl sie in der Praxis häufig vorkommen und als die gefährlichsten Formen des Versagens gelten, sind meist auf Herstellungs- und Konstruktionsfehler oder unsachgemäße Wartung und Verwendung von Maschinen zurückzuführen.
Die Fehleranalyse bezieht sich auf die Untersuchung und das Studium der Merkmale und Regeln von Phänomenen oder Prozessen wie Verschleiß, Bruch, Verformung und Korrosion von Teilen, um die Hauptursachen von Fehlern zu ermitteln und geeignete Kontrollmethoden anzuwenden.
Zweck der Fehleranalyse ist es, eine zuverlässige Grundlage für die Formulierung technischer Reparaturpläne zu schaffen und bestimmte Faktoren, die zu Ausfällen führen, zu kontrollieren, um die Ausfallraten zu verringern und die Lebensdauer der Geräte zu verlängern.
Darüber hinaus kann die Fehleranalyse auch Feedback-Informationen für die Konstruktion und Herstellung von Geräten liefern und objektive Beweise für die Identifizierung von Unfällen liefern.
1) Abnutzungsmuster der Komponenten
Es ist bekannt, dass grundlegende Einheiten wie Teile und Komponenten Maschinen wie Autos und Traktoren bilden. Reibungspaare, die aus vielen Teilen bestehen, wie z. B. Lager, Zahnräder und Kolben-Zylinder-Baugruppen, erfahren eine gewisse Reibung und Abnutzung, bis sie schließlich unter dem Einfluss äußerer Kräfte und Umweltfaktoren wie Hitze und Chemikalien versagen.
Unter allen mechanischen Ausfällen machen verschleißbedingte Fehler einen erheblichen Anteil aus. Daher ist es wichtig, die Verschleißmuster der Komponenten und der dazugehörigen Paare zu verstehen.
a) Typische Abnutzungskurve von Komponenten
Verschleiß ist eine Art progressiver Fehler. So unterscheiden sich zum Beispiel die durch Zylinderverschleiß verursachten Fehler von plötzlichen Fehlern wie Keilriemenrissen oder Kondensatorausfällen, da letztere plötzliche Fehler sind, während die durch Verschleiß verursachten Fehler allmähliche Fehler sind.
b) Zulässige Abnutzung und Grenzverschleiß
2) Abrasive Abnutzung
Abrasiver Verschleiß, auch bekannt als Partikelverschleiß, tritt auf, wenn sich harte Partikel zwischen den Kontaktflächen von Reibungspaaren befinden oder wenn die Härte des Materials auf einer Seite deutlich höher ist als auf der anderen, was zu einem Verschleißphänomen führt, das ähnlich wie Zerspanung.
Es handelt sich dabei um eine Art von mechanischem Verschleiß, der durch sichtbare Schneidspuren auf der Kontaktfläche gekennzeichnet ist. Von allen Verschleißarten macht der abrasive Verschleiß etwa 50% aus und ist damit die häufigste und schädlichste Form des Verschleißes.
Die hohe Abnutzungsrate und -intensität verkürzt die Lebensdauer der mechanischen Geräte erheblich und führt zu einem hohen Energie- und Materialverbrauch.
Je nach Beanspruchung und Auswirkung auf die Reibfläche kann der Abrieb in drei Arten unterteilt werden: meißelnd, schleifend mit hoher Belastung und kratzend mit geringer Belastung.
a) Mechanismus der Abrasionsabnutzung
Die mechanische Wirkung von Schleifpartikeln beinhaltet zwei Prozesse: zum einen den Mikroschneidprozess entlang der Reibfläche durch die Schleifpartikel, zum anderen die wechselnde Kontaktbelastung der Oberflächenschicht durch die Partikel, die zu ständig wechselnden dichten Abdrücken auf der Oberflächenschicht und schließlich zur Erosion durch Oberflächenermüdung führt.
Zu den Quellen für abrasive Partikel gehören Staub und Sand von außen, eingedrungene Späne, mitgeschleppte Flüssigkeiten, Oberflächenverschleiß, harte Oberflächenpunkte der Materialstruktur und Einschlüsse. Ein bemerkenswertes Merkmal des abrasiven Verschleißes ist, dass die Verschleißoberfläche parallel zur Richtung der Relativbewegung winzige Rillen mit spiralförmigen, kreisförmigen oder gekrümmten kleinen Spänen und etwas Pulver aufweist.
b) Maßnahmen zur Verringerung des Abriebverschleißes
Abrasiver Verschleiß wird durch die mechanische Einwirkung von abrasiven Partikeln auf die Oberfläche der Reibpaarung verursacht. Daher können Strategien zur Verringerung oder Beseitigung von abrasivem Verschleiß unter den folgenden zwei Aspekten betrachtet werden.
i) Verringerung des Eintrags von Schleifmitteln
Verhindern Sie das Eindringen von externen Schleifmitteln in die Reibpaarungen von mechanischen Geräten und beseitigen Sie die beim Einlaufvorgang entstehenden Späne umgehend.
Zu den spezifischen Maßnahmen gehören der Einbau von Luftfiltern und Kraftstoff-/Ölfiltern, der Einbau von staubdichten Abdichtungen, die Installation von Magnetit, Späneauffangräumen und Ölverschmutzungsanzeigen im Schmiersystem sowie die regelmäßige Reinigung und der Austausch von Luft-, Kraftstoff- und Ölfiltern.
ii) Verbesserung der Verschleißfestigkeit von Bauteiloberflächen
Erstens können Materialien mit guter Verschleißfestigkeit ausgewählt werden.
Zweitens: Bei Bauteilen, die verschleißfest sein müssen und Stoßbelastungen ausgesetzt sind, sind Wärmebehandlung und Oberflächenbehandlung kann verwendet werden, um die Eigenschaften der Oberfläche des Bauteils zu verbessern, die Oberflächenhärte zu erhöhen und die Härte des Schleifmittels zu übertreffen.
Drittens können bei Bauteilen mit weniger strengen Präzisionsanforderungen verschleißfeste Legierungen auf die Arbeitsfläche geschweißt werden, um die Verschleißfestigkeit zu verbessern.
3) Klebstoffverschleiß
Adhäsiver Verschleiß bezieht sich auf die Art von Verschleiß, die durch die Übertragung von Material von einer Reibfläche auf eine andere während einer Relativbewegung verursacht wird. Je nach dem Grad der Beschädigung der Oberfläche der Reibpaarung kann der adhäsive Verschleiß in fünf Typen eingeteilt werden: geringfügiger Verschleiß, Abschmieren, Fressen, Reißen und Festfressen.
① Mechanismus der Klebstoffabnutzung
Wenn die Reibpaarung unter hoher Belastung arbeitet, kann die durch schlechte Schmierung, hohe relative Bewegungsgeschwindigkeit und Reibung erzeugte Wärme nicht schnell genug abgeführt werden, was zu extrem hohen Oberflächentemperaturen führt.
In schweren Fällen kann die Oberflächenschicht des Metalls erweichen oder schmelzen, wodurch sich die Oberflächenfestigkeit verringert. Die unter hohem Druck stehenden Oberflächenvorsprünge haften aneinander und werden anschließend bei der Relativbewegung abgerissen. Dadurch wird Material von der schwächeren Oberfläche auf die stärkere Oberfläche übertragen, was zu katastrophalen Schäden an der Reibpaarung führt, wie z. B. Festfressen oder Kratzen.
② Maßnahmen zur Verringerung des Klebstoffverschleißes
a. Kontrolle der Oberflächenbeschaffenheit des Reibepaares
Je sauberer und glatter die Reibfläche ist, desto wahrscheinlicher ist ein adhäsiver Verschleiß, insbesondere wenn die Oberflächenrauhigkeit zu klein ist. Metalloberflächen haben oft Adsorptionsfilme, die durch plastische Verformung oder Temperaturerhöhungen von 100-200℃ unterbrochen werden können, was beides zu adhäsivem Verschleiß führen kann.
Um den Haftverschleiß zu verringern, sollte ein geeignetes Schmiermittel je nach Belastung, Temperatur, Geschwindigkeit und anderen Arbeitsbedingungen gewählt werden.
Dem Schmierstoff können auch Additive zugesetzt werden, um die erforderlichen Schmierbedingungen zu schaffen. Der Sauerstoff in der Atmosphäre kann einen schützenden Oxidfilm auf der Metalloberfläche bilden, der direkten Metallkontakt und Adhäsion verhindert und Reibung und Verschleiß verringert.
b. Kontrolle der Materialzusammensetzung und Mikrostruktur der Reibpaarungsoberfläche
Adhäsiver Verschleiß tritt am ehesten zwischen zwei metallischen Werkstoffen mit ähnlicher Materialzusammensetzung und Mikrostruktur auf, da sie stark dazu neigen, Mischkristalle oder intermetallische Verbindungen zu bilden.
Daher sollten die Materialien des Reibungspaares die geringste Tendenz zur Bildung von Mischkristallen aufweisen, d. h. sie sollten unterschiedliche Materialzusammensetzungen und Kristallstrukturen haben.
Die Beschichtung einer Oberfläche der Reibpaarung mit Metallen wie Blei, Zinn, Silber oder Kupfer oder mit weichen Legierungen kann die Beständigkeit gegen adhäsiven Verschleiß erhöhen. Die Verwendung von Materialien wie Babbitt-Metall oder Aluminiumbronze als Oberflächenmaterial von Lagerbuchsen kann deren Widerstand gegen adhäsiven Verschleiß verbessern. Paarungen aus Stahl und Gusseisen sind ebenfalls gut gegen adhäsiven Verschleiß geeignet.
c. Verbesserung der Wärmeübertragungsbedingungen
Durch die Auswahl von Materialien mit guter Wärmeleitfähigkeit und die Kühlung der Reibpaarung oder geeignete Maßnahmen zur Wärmeableitung kann die Temperatur während der Relativbewegung der Reibpaarung gesenkt werden, wobei die Festigkeit der Oberfläche der Reibpaarung erhalten bleibt.
4) Ermüdungsverschleiß
Ermüdungsverschleiß bezeichnet das Phänomen, bei dem mikroskopisch kleine Partikel eines Werkstoffs aufgrund von Ermüdungsrissen abfallen, die sich unter zyklischer Kontaktbelastung an lokalisierten Bereichen der Reibpaarungsoberfläche bilden. Je nach Kontakt und Relativbewegung zwischen den Reibpaarungen kann der Ermüdungsverschleiß in Rollkontakt-Ermüdungsverschleiß und Gleitkontakt-Ermüdungsverschleiß unterteilt werden.
① Mechanismus des Ermüdungsverschleißes
Der Prozess des Ermüdungsverschleißes ist der zerstörerische Prozess der Rissbildung und -ausdehnung sowie der Bildung und Ablösung mikroskopischer Partikel. Abrasiver Verschleiß und adhäsiver Verschleiß hängen mit dem direkten Kontakt mit der Oberfläche des Reibpaares zusammen. Wenn ein Schmiermittel die beiden Reibflächen trennt, kommen diese beiden Verschleißmechanismen nicht zum Tragen.
Ermüdungsverschleiß kann auch dann auftreten, wenn zwischen den Reibflächen ein Schmiermittel vorhanden ist und sie sich nicht direkt berühren, und zwar aufgrund der durch den Schmierölfilm übertragenen Belastung.
Im Gegensatz zu abrasivem Verschleiß und adhäsivem Verschleiß tritt Ermüdungsverschleiß nicht sofort auf, sondern nach einer bestimmten Anzahl von Belastungszyklen fallen mikroskopisch kleine Partikel ab, wodurch die Reibpaarung ihre Funktionsfähigkeit verliert. Die Mechanismen des Ermüdungsverschleißes lassen sich je nach Ort der Rissbildung in die beiden folgenden Fälle unterteilen.
a. Ermüdungsverschleiß durch Rollkontakt
Das Auftreten von unterschiedlich tiefen, stacheligen oder pockennarbigen Vertiefungen (Tiefe unter 0,1-0,2 mm) oder großflächigen Partikelablösungen auf der Oberfläche von relativen Wälzreibungspaaren, wie Wälzlagern und Getrieberädern, wird durch Wälzkontakt-Ermüdungsverschleiß verursacht, der auch als Pitting- oder Spalling-Verschleiß bezeichnet wird.
b. Gleitkontakt-Ermüdungsverschleiß
Bei zwei Objekten mit Gleitkontakt ist die Scherspannung in einer Tiefe von 0,786b unter der Oberfläche am höchsten (b ist die halbe Breite der ebenen Kontaktfläche), wo die plastische Verformung am stärksten ist. Wiederholte Verformungen unter zyklischen Belastungen schwächen die lokale Festigkeit an der Materialoberfläche, und Risse treten zuerst hier auf.
Die kombinierte Wirkung von Scherspannung durch Gleitreibung und Normalbelastung verlagert die maximale Scherspannung von 0,786b auf eine tiefere Oberfläche, was zu gleitendem Ermüdungsverschleiß führt. Die Tiefe der abgeschälten Schicht beträgt typischerweise 0,2-0,4 mm.
② Strategien zur Verringerung oder Beseitigung von Ermüdungsverschleiß
Die Strategien zur Verringerung oder Beseitigung von Ermüdungsverschleiß beinhalten die Kontrolle der Faktoren, die die Rissbildung und -ausbreitung beeinflussen, hauptsächlich in den beiden folgenden Aspekten.
a. Richtige Auswahl des Materials und Wärmebehandlung
Das Vorhandensein von nichtmetallischen Einschlüssen in Stahl kann leicht zu Spannungskonzentrationen führen, und an den Rändern dieser Einschlüsse ist die Wahrscheinlichkeit am größten, dass sich Risse bilden, wodurch die Lebensdauer des Materials bei Kontaktermüdung verringert wird. Auch die Mikrostruktur des Materials und innere Defekte haben einen großen Einfluss auf den Verschleiß.
Im Allgemeinen verbessern kleine, gleichmäßige Körner und kugelförmig verteilte Karbide die Ermüdungslebensdauer im Walzkontakt. Wenn der Kohlenstoffgehalt in Martensit liegt bei 0,4%-0,5% unter den gleichen Bedingungen von ungelösten Karbiden, die Festigkeit und Zähigkeit des Materials sind ausgewogen, und die Kontaktermüdungslebensdauer ist hoch.
Für ungelöst Karbide, eine geeignete Wärmebehandlung, um sie weniger, feiner und gleichmäßiger zu verteilen, kann zur Beseitigung von Ermüdungsrissen beitragen. Eine Erhöhung der Härte innerhalb eines bestimmten Bereichs erhöht auch die Widerstandsfähigkeit gegen Kontaktermüdung.
Zum Beispiel, Lagerstahl Die Oberflächenhärte erreicht ihre maximale Verschleißfestigkeit bei etwa 62HRC. Für Getriebezähne ist ein Härtebereich von 58-62HRC optimal.
Darüber hinaus ist es wichtig, dass die Härte zwischen zwei sich berührenden Wälzkörpern übereinstimmt. Bei Wälzlagern beispielsweise sollten Laufbahn und Wälzkörper eine ähnliche Härte aufweisen, oder der Wälzkörper sollte etwa 10% härter sein als die Laufbahn.
b. Richtige Auswahl der Oberflächenrauhigkeit
Die Erfahrung zeigt, dass eine angemessene Verringerung der Oberflächenrauheit ein wirksames Mittel zur Verbesserung des Verschleißschutzes ist. Wird beispielsweise die Oberflächenrauheit eines Wälzlagers von Ra 0,40μm auf Ra 0,20μm reduziert, kann die Lebensdauer um das 2-3fache erhöht werden; wird sie von Ra 0,20μm auf Ra 0,10μm reduziert, kann die Lebensdauer verdoppelt werden.
Eine Verringerung der Rauheit unter Ra 0,05μm hat jedoch kaum Auswirkungen auf die Lebensdauer. Die Anforderungen an die Oberflächenrauhigkeit hängen mit der Kontaktspannung auf der Oberfläche zusammen. Wenn die Kontaktspannung hoch ist oder die Oberflächenhärte hoch ist, ist in der Regel ein kleinerer Wert für die Oberflächenrauheit erforderlich.
Darüber hinaus sind der Zustand der Oberflächenspannung, der Grad der Passgenauigkeit und die Art der Schmieröl können alle die Geschwindigkeit des Ermüdungsverschleißes beeinflussen. Typischerweise können übermäßige Oberflächenbelastungen, zu kleine oder zu große Passungsabstände oder korrosive Substanzen, die während des Betriebs vom Schmieröl erzeugt werden, den Ermüdungsverschleiß verstärken.
5) Korrosive Abnutzung
① Mechanismus des korrosiven Verschleißes
Während des Reibungsprozesses reagieren Metalle gleichzeitig chemisch oder elektrochemisch mit dem umgebenden Medium, was zur Bildung und Ablösung von Korrosionsprodukten auf der Metalloberfläche führt. Dieses Phänomen wird als korrosiver Verschleiß bezeichnet.
Es handelt sich dabei um ein Verschleißphänomen, das durch die Kombination von Korrosion und mechanischem Verschleiß entsteht, so dass sich sein Mechanismus von dem von abrasivem Verschleiß, adhäsivem Verschleiß und Ermüdungsverschleiß unterscheidet. Es handelt sich um einen äußerst komplexen Verschleißprozess, der häufig bei hohen Temperaturen oder in feuchten Umgebungen auftritt und eher unter Bedingungen mit speziellen Medien wie Säuren, Laugen und Salzen auftritt.
Je nach dem korrosiven Medium und den Eigenschaften des Werkstoffs wird der korrosive Verschleiß im Allgemeinen in zwei Kategorien unterteilt: Oxidationsverschleiß und korrosiver Verschleiß in speziellen Medien.
a. Oxidationsverschleiß
Diese Art von Verschleiß, bekannt als Oxidationsverschleiß, tritt auf, wenn der Oxidfilm, der sich auf der Reibungsfläche durch die Einwirkung von Sauerstoff in der Luft oder im Schmiermittel gebildet hat, durch mechanische Reibung schnell entfernt wird. Die überwiegende Mehrheit der in der Industrie verwendeten Metalle kann bei Oxidation einen Oberflächenoxidfilm bilden, und die Eigenschaften dieser Oxidfilme haben einen erheblichen Einfluss auf den Verschleiß.
Wenn sich auf der Metalloberfläche eine dichte, intakte Oxidschicht bildet, die fest mit dem Substrat verbunden ist, und diese Schicht eine gute Verschleißfestigkeit aufweist, ist der Verschleiß gering.
Wenn die Verschleißfestigkeit des Films jedoch schlecht ist, wird der Verschleiß stark sein. Beispielsweise bilden sowohl Aluminium als auch rostfreier Stahl leicht eine Oxidschicht, aber die Verschleißfestigkeit der Oxidschicht auf der Oberfläche von Aluminium ist schlecht, während die von rostfreiem Stahl gut ist, daher hat rostfreier Stahl eine höhere Oxidationsverschleißfestigkeit als Aluminium.
b. Korrosiver Verschleiß in speziellen Medien
Die Verschleißform, bei der die durch die Einwirkung von Elektrolyten wie Säuren und Laugen in der Umgebung auf der Reibfläche gebildeten Korrosionsprodukte durch mechanische Reibung schnell entfernt werden, wird als korrosiver Verschleiß in speziellen Medien bezeichnet.
Der Mechanismus dieses Verschleißes ähnelt dem des Oxidationsverschleißes, aber die Verschleißrate ist viel höher. Die Beschaffenheit des Mediums, die Umgebungstemperatur, die Stärke der Korrosionsprodukte, die Adhäsion und andere Faktoren haben alle einen erheblichen Einfluss auf die Verschleißrate.
Diese Art von korrosivem Verschleiß ist sehr wahrscheinlich, z. B. bei Flüssigkeitstransportpumpen, die beim Transport von korrosiven Flüssigkeiten, insbesondere von Flüssigkeiten, die feste Partikel enthalten, alle Teile, die mit der Flüssigkeit in Berührung kommen, einem korrosiven Verschleiß unterziehen.
② Maßnahmen zur Verringerung des korrosiven Verschleißes
a. Auswahl des richtigen Materials und Behandlung der Oberfläche mit einem Oxidationsschutz. Stahl, der Elemente wie Chrom, Nickel, Molybdän und Wolfram enthält, kann ausgewählt werden, um die Oxidationsverschleißfestigkeit der Reibfläche zu erhöhen.
Alternativ können verstärkende Behandlungen, wie z. B. eine Spritze Hämmern und Walzpressen oder eine anodische Behandlung auf die Reibfläche aufgebracht werden, um eine dichte Struktur oder einen Oxidfilm auf der Metalloberfläche zu bilden, wodurch die Oxidationsverschleißfestigkeit verbessert wird.
b. Bei korrosivem Verschleiß unter Einwirkung bestimmter Medien kann die Verschleißrate durch Kontrolle der Entstehungsbedingungen des korrosiven Mediums, Auswahl geeigneter verschleißfester Werkstoffe und Änderung der Wirkungsweise des korrosiven Mediums verringert werden.
6) Fretting-Verschleiß
Reibungsverschleiß, der auftritt, wenn zwei feste Kontaktflächen Schwingungen mit geringer Amplitude ausgesetzt sind, tritt hauptsächlich an relativ stationären Bauteilschnittstellen auf, z. B. an Passfederverbindungsflächen, Press- oder Übergangspassflächen oder an Flächen, die durch Schrauben oder Nieten am Maschinenkörper verbunden sind. Als solches wird es oft übersehen.
Die Hauptgefahr des Reibungsverschleißes besteht in der Abnahme der Passgenauigkeit, der Verringerung des Übermaßes von Teilen mit Presspassung und sogar in deren Lockerung. Dies kann zum Lösen oder Trennen von Verbindungen und in schweren Fällen zu Unfällen führen. Fretting-Verschleiß kann auch eine Spannungskonzentration hervorrufen, die zu Ermüdungsbruch der Anschlüsse.
i) Mechanismus des Reibungsverschleißes
Fretting-Verschleiß ist ein zusammengesetzter Verschleißtyp, der abrasiven Verschleiß, adhäsiven Verschleiß und oxidativen Verschleiß umfasst. Er konzentriert sich in der Regel auf einen lokalen Bereich, in dem die Kontaktspannung dazu führt, dass sich mikroskopisch kleine Vorsprünge auf der Kontaktfläche plastisch verformen und zu Metallanhaftungen führen.
Die Klebepunkte werden durch die wiederholte Einwirkung von Vibrationen mit geringer Amplitude abgeschert, und die abgescherten Oberflächen oxidieren. Da die sich berührenden Oberflächen nie den Kontakt verlieren, werden die Verschleißpartikel nicht so leicht ausgetrieben. Diese Partikel wirken durch die Vibrationen als Abrieb auf der Kontaktfläche, so dass der Fretting-Verschleiß eine Kombination aus adhäsivem, oxidativem und abrasivem Verschleiß ist.
ii) Maßnahmen zur Verringerung oder Beseitigung von Fretting-Verschleiß
Die praktische Erfahrung zeigt, dass MaterialeigenschaftenBelastung, Amplitudengröße und Temperatur sind die Hauptfaktoren, die den Reibungsverschleiß beeinflussen. Zu den wichtigsten Strategien zur Verringerung oder Beseitigung von Reibungsverschleiß gehören daher die folgenden:
a) Verbesserung der Materialeigenschaften
Die Wahl geeigneter Werkstoffpaarungen und die Erhöhung der Härte können den Reibungsverschleiß verringern. Im Allgemeinen sind Werkstoffe mit guten Antihafteigenschaften auch resistent gegen Reibungsverschleiß, während Paarungen wie Aluminium mit Gusseisen, Aluminium mit rostfreiem Stahl und Werkzeugstahl mit rostfreiem Stahl, die schlechte Antihafteigenschaften haben, anfälliger für Reibungsverschleiß sind.
Eine Erhöhung der Oberflächenhärte von Kohlenstoffstahl von 180HV auf 700HV kann den Fretting-Verschleiß um 50% reduzieren. Schwefel- oder Phosphatierungsbehandlungen der Oberfläche und Polytetrafluorethylen (PTFE)-Beschichtungen sind ebenfalls wirksame Maßnahmen zur Reduzierung des Reibungsverschleißes.
b) Belastung kontrollieren und Vorspannung erhöhen
Unter bestimmten Bedingungen nimmt der Fretting-Verschleiß mit der Belastung zu, aber die Steigerungsrate nimmt kontinuierlich ab. Nach Überschreiten einer bestimmten kritischen Last nimmt der Verschleiß ab. Daher kann die Kontrolle der Vorspannung oder des Übermaßes von Presspassungen den Fretting-Verschleiß wirksam verlangsamen.
c) Steueramplitude
Experimente haben gezeigt, dass bei einer kleinen Amplitude auch die Verschleißrate gering ist. Wenn die Amplitude jedoch zwischen 50-150μm liegt, steigt die Verschleißrate deutlich an. Daher sollte die Amplitude innerhalb von 30 μm wirksam kontrolliert werden.
d) Ordnungsgemäße Kontrolle der Temperatur
Bei kohlenstoffarmem Stahl über 0℃ nimmt der Verschleiß mit steigender Temperatur allmählich ab. Ein plötzlicher Rückgang des Verschleißes tritt bei 150-200℃ auf, aber wenn die Temperatur weiter ansteigt, nimmt der Verschleiß zu. Wenn die Temperatur von 135℃ auf 400℃ ansteigt, kann der Verschleiß bis zum 15-fachen ansteigen. Bei Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt liegt der Wendepunkt des Fretting-Verschleißes bei 130℃ unter konstanten Bedingungen. Oberhalb dieser Temperatur nimmt der Fretting-Verschleiß deutlich ab.
e) Wählen Sie ein geeignetes Schmiermittel
Experimente haben gezeigt, dass gewöhnliche flüssige Schmiermittel den Reibungsverschleiß nicht wirksam verhindern. Schmierfett mit hoher Viskosität, hohem Tropfpunkt und starker Scherfestigkeit hat eine gewisse Wirkung bei der Verhinderung von Reibungsverschleiß. Am wirksamsten sind Festschmierstoffe wie MoS2.
7) Kontrolle der Abnutzung
① Kontrollfaktoren
Die Faktoren, die sich auf den Verschleiß auswirken, sind komplex, lassen sich aber grob in vier Kategorien einteilen: Materialeigenschaften, Betriebsbedingungen, geometrische Faktoren und Arbeitsumgebung, wobei jede dieser Kategorien zahlreiche spezifische Elemente umfasst.
Es ist zu beachten, dass nicht jeder Verschleißprozess eine umfassende Berücksichtigung dieser Faktoren erfordert. Für einen bestimmten Verschleißzustand können einige Faktoren von entscheidender Bedeutung sein und müssen berücksichtigt werden, während andere möglicherweise nicht von Bedeutung oder sogar irrelevant sind.
② Allgemeine Überlegungen zur Auswahl von Verschleißteilmaterialien
Unabhängig von den Verschleißbedingungen ist die richtige Auswahl der Werkstoffe zur Kontrolle des Teileverschleißes und zur Gewährleistung der Produktqualität von entscheidender Bedeutung. Der erste Schritt bei der Auswahl des richtigen Werkstoffs umfasst ein detailliertes Verständnis der Betriebsbedingungen und der Umgebung des Teils. Auf dieser Grundlage werden die allgemeinen Leistungsanforderungen für das Teil bestimmt.
Im Allgemeinen lassen sich diese allgemeinen Leistungsanforderungen in zwei Hauptkategorien unterteilen: nicht-tribologische Leistungsanforderungen und tribologische Leistungsanforderungen. Die nicht-tribologischen Leistungsanforderungen können weiter in zwei Arten unterteilt werden: allgemeine Leistungsanforderungen und spezielle Leistungsanforderungen.
Nehmen wir ein Gleitlager als Beispiel. Als mechanisches Teil muss es eine gewisse Festigkeit, Plastizität, Bearbeitbarkeit und Kosteneffizienz aufweisen, was allgemeine Anforderungen an mechanische Teile sind.
Als Gleitlager sollte es jedoch auch eine angemessene Härte und eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweisen, was besondere Anforderungen im Rahmen der nicht-tribologischen Leistungsanforderungen sind.
Als Reibungskomponente sind natürlich die tribologischen Leistungsanforderungen am wichtigsten, daher ihre separate Klassifizierung. Dazu gehören in der Regel Oberflächenbeschädigungsbedingungen, Reibungskoeffizient, Verschleißrate und Betriebsgrenzen.
Die Bedingungen oder die Tendenz zur Oberflächenbeschädigung bei Gleitverschleiß hängen hauptsächlich von der Kompatibilität zwischen den beiden Werkstoffen ab. Wie bereits erwähnt, können zwei Metalle mit hoher gegenseitiger Löslichkeit stark aneinander haften oder verschweißen, was zu Kratzern oder Bindung führt. Dies gilt sowohl für Eisen- und Nickelbasislegierungen als auch für Titanlegierungen und Aluminiumlegierungen.
Für hochharte Werkstoffe, wie z. B. abgeschreckten Stahl mit einer Härte von über 60 HRC, gilt diese Einschränkung jedoch nicht, d. h. sie können unter selbstanpassenden Bedingungen verwendet werden.
Der Reibungskoeffizient muss in einigen Situationen besonders berücksichtigt werden, z. B. bei Bremsvorrichtungen, Spannen Geräte und einige Übertragungsgeräte. Im Allgemeinen bestimmt der Reibungskoeffizient die dynamische Leistung des Systems, die Oberflächenbelastung des Materials, die Oberflächentemperatur und die vom System benötigte Leistung.
Die Verschleißrate hat einen direkten Einfluss auf die Lebensdauer des Teils, und ihre Bedeutung für die Materialauswahl ist offensichtlich. Es ist wichtig zu betonen, dass die Verschleißmechanismen unter verschiedenen Betriebsbedingungen sehr unterschiedlich sein können.
Um die Verschleißrate verschiedener Verschleißmechanismen oder Verschleißarten zu verringern, sind die Anforderungen an die Werkstoffe nicht völlig gleich. Ein entscheidender Punkt bei der Auswahl von Werkstoffen für Verschleißteile besteht daher darin, zunächst den vorherrschenden Verschleißmechanismus zu bestimmen.
Unter Korrosionsschäden an Teilen versteht man den Verlust von Oberflächenmaterial, die Zerstörung der Oberflächenqualität und die Beschädigung der inneren Kristallstruktur, die durch die chemische oder elektrochemische Reaktion zwischen metallische Werkstoffe und dem umgebenden Medium, was letztlich zum Versagen des Teils führt.
Die Korrosionsschäden an Metallteilen weisen folgende Merkmale auf: Die Schäden gehen immer von der Oberflächenschicht des Metalls aus und werden oft von äußeren Veränderungen wie Grübchen, Flecken und Rissen begleitet. Das beschädigte Metall wandelt sich in Verbindungen wie Oxide oder Hydroxide um und bildet korrosive Substanzen, die teilweise an der Metalloberfläche haften, wie eine Eisenoxidschicht, die an einem verrosteten Stahlplatte.
1) Arten von Korrosion Schaden
Basierend auf dem Mechanismus der Wechselwirkung zwischen Metall und Medium lassen sich die Korrosionsschäden an mechanischen Teilen in zwei Hauptkategorien einteilen: chemische Korrosion und elektrochemische Korrosion.
① Chemische Korrosion von mechanischen Teilen
Unter chemischer Korrosion versteht man die Korrosion, die durch die chemische Reaktion zwischen Metall und Medium ohne die Erzeugung elektrischer Ströme verursacht wird, wenn das Medium nicht leitend ist.
Die Medien, die chemische Korrosion verursachen, haben im Allgemeinen zwei Formen: gasförmige Korrosion, die in trockener Luft, Hochtemperaturgasen und anderen Medien auftritt, und Korrosion in Nichtelektrolytlösungen, die in organischen Flüssigkeiten, Benzin, Schmierölen und anderen Medien auftritt.
Bei Kontakt mit dem Metall bilden sie durch chemische Reaktionen einen Oberflächenfilm, der die Teile korrodieren lässt, da der Film ständig abfällt und sich regeneriert.
Die meisten Metalle können an der Luft bei Raumtemperatur spontan oxidieren. Sobald sich jedoch eine Oxidschicht auf der Oberfläche bildet, wird sie zu einem Schutzfilm, wenn sie den Stoffaustausch zwischen dem Metall und dem Medium wirksam isolieren kann. Wenn die Oxidschicht die Oxidationsreaktion nicht wirksam verhindern kann, wird das Metall weiterhin oxidiert und erleidet Korrosionsschäden.
② Elektrochemische Korrosion von Metallteilen
Elektrochemische Korrosion tritt auf, wenn Metalle mit Elektrolytsubstanzen in Kontakt kommen. Die meisten Metallkorrosionen fallen unter elektrochemische Korrosion. Kennzeichnend für die elektrochemische Korrosion von Metallen ist, dass das Medium, das die Korrosion verursacht, ein leitfähiger Elektrolyt ist, wobei während des Korrosionsprozesses elektrische Ströme erzeugt werden. Die elektrochemische Korrosion ist häufiger und wesentlich stärker als die chemische Korrosion.
2) Strategien zur Verringerung oder Beseitigung von Korrosionsschäden an mechanischen Teilen
① Richtige Materialauswahl
Wählen Sie geeignete korrosionsbeständige Materialien je nach Umgebungsbedingungen und Verwendung, z. B. legierte Stähle die Elemente wie Nickel, Chrom, Aluminium, Silizium, Titan usw. enthalten. Versuchen Sie, wenn möglich, Materialien wie Nylon, Kunststoff und Keramik zu verwenden.
② Rationeller Strukturentwurf
Bei der Gestaltung von Bauteilstrukturen sind einheitliche Bedingungen über die gesamte Fläche anzustreben, wobei ein rationelles Design, eine vereinfachte Form und eine angemessene Oberflächenrauheit anzustreben sind. Der Kontakt zwischen Metallen mit erheblichen Potenzialunterschieden sollte ebenso vermieden werden wie strukturelle Spannungskonzentration, thermische Belastung, Flüssigkeitsstagnation und -ansammlung, lokale Überhitzung und ähnliche Phänomene.
③ Auftragen der Schutzbeschichtung
Bedecken Sie die Metalloberfläche mit einer korrosionsbeständigen Metallschutzschicht, z. B. einer verzinkten, verchromten oder molybdänbeschichteten Schicht, um das Metall vom Medium zu isolieren und Korrosion zu verhindern. Nicht-metallisch Schutzschichten und chemische Schutzschichten, wie z. B. Ölfarben, Polyvinylchlorid, Glasfasern usw., können ebenfalls aufgebracht werden.
Alternativ kann die Metalloberfläche durch chemische oder elektrochemische Verfahren wie Phosphatieren, Bläuen, Passivieren, Oxidieren usw. mit einer dünnen Schicht einer Verbindung überzogen werden.
④ Elektrochemischer Schutz
Die elektrochemische Korrosion wird durch die Bildung eines Anoden- und eines Kathodenbereichs in einer Metallelektrolytlösung verursacht, wodurch eine gewisse Potenzialdifferenz entsteht und eine chemische Batterie gebildet wird. Beim elektrochemischen Schutz werden die zu schützenden mechanischen Teile mit einem Gleichstrom polarisiert, um diese Potenzialdifferenz zu beseitigen.
Wenn ein bestimmtes Potenzial erreicht wird, kann die Korrosion des geschützten Metalls minimiert oder sogar beseitigt werden. Diese Methode setzt voraus, dass das Medium leitfähig und kontinuierlich ist.
⑤ Hinzufügen von Korrosionsinhibitoren
Die Zugabe einer geringen Menge von Korrosionsinhibitoren zum korrosiven Medium kann die Korrosion verringern. Je nach ihren chemischen Eigenschaften werden Korrosionsinhibitoren in anorganische und organische Typen unterteilt.
Anorganische Inhibitoren wie Kaliumdichromat, Natriumnitrat, Natriumsulfit usw. können eine Schutzschicht auf der Metalloberfläche bilden, die sie vom Medium isoliert. Organische Verbindungen können an der Metalloberfläche adsorbieren, wodurch die Metallauflösung verringert und Reduktionsreaktionen gehemmt werden, wodurch die Metallkorrosion abgeschwächt wird.
Beispiele sind Aminsalze, Agar, Tierleim, Alkaloide usw. Bei der Verwendung von Korrosionsinhibitoren zum Korrosionsschutz ist besonders auf deren Art, Konzentration und Wirkungsdauer zu achten.
⑥ Veränderte Umweltbedingungen
Bei dieser Methode werden korrosive Stoffe aus der Umgebung entfernt, z. B. durch Zwangsbelüftung, Entfeuchtung oder Beseitigung schädlicher Gase wie Schwefeldioxid, um Korrosionsschäden zu verringern.
1) Arten von Frakturen
Unter einem Bruch versteht man das Brechen eines Teils nach wiederholten Belastungszyklen oder Energielasten aufgrund bestimmter Faktoren. Die Oberfläche, die nach dem Bruch eines Teils entsteht, wird als Bruchfläche bezeichnet. Es gibt viele Arten von Brüchen, die eng mit der Ursache des Bruchs zusammenhängen, von denen in der Technik fünf Arten unterschieden werden.
① Überlastungsfraktur
Diese Art von Bruch tritt auf, wenn eine äußere Kraft die Grenzspannung überschreitet, die der kritische Querschnitt eines Teils aushalten kann. Die Bruchfläche sieht ähnlich aus wie die Bruchfläche bei einem Materialzugversuch. Bei duktilen Werkstoffen wie Stahl kommt es vor dem Bruch zu einer spürbaren plastischen Verformung, und die Bruchfläche weist eine Einschnürung auf, die wie ein Becher-Kegel aussieht und als duktiler Bruch bezeichnet wird.
Die Ursache des Versagens sollte unter Aspekten wie Konstruktion, Material, Verfahren, Betriebsbelastung und Umgebung analysiert werden. Bei spröden Werkstoffen wie Gusseisen gibt es vor dem Bruch wenig bis gar keine plastische Verformung, und der Bruch entwickelt sich sehr schnell.
Die Bruchfläche ist glatt, hell und steht senkrecht zur Normalspannung, was als Sprödbruch bezeichnet wird. Da es keine offensichtlichen Vorläufer von Sprödbrüchen gibt, treten Unfälle plötzlich auf, was sie zu einer sehr gefährlichen Form von Bruchschäden macht. Derzeit konzentriert sich der Großteil der Bruchforschung auf den Sprödbruch.
② Korrosionsfraktur
Diese Art von Bruch tritt auf, wenn ein Teil unter dem Einfluss korrosiver Medien einer Wechselbeanspruchung ausgesetzt wird, die geringer ist als seine Zugfestigkeit, was im Laufe der Zeit zu einem Bruch führt. Das makroskopische Erscheinungsbild der Bruchfläche weist selbst bei duktilen Werkstoffen spröde Merkmale auf.
Risse entstehen oft an der Oberfläche und sind von mehreren Ursachen geprägt. An der Oberfläche der Risse können Korrosionsmerkmale beobachtet werden.
③ Niedrig belasteter Sprödbruch
Es gibt zwei Arten: Eine davon ist, wenn unsachgemäße Herstellungsverfahren oder niedrige Betriebstemperaturen das Material spröde machen, was zu Sprödbruch bei geringer Belastung führt.
Häufige Beispiele sind die Anlasssprödigkeit und die Tieftemperatursprödigkeit von Stahl. Die andere Art ist der wasserstoffinduzierte Sprödbruch, der auftritt, wenn ein Teil unter einer Spannung unterhalb der Streckgrenze des Werkstoffs durch den Einfluss von Wasserstoff bricht.
Der Ursprung des Risses bei wasserstoffinduziertem Sprödbruch liegt knapp unter der Oberfläche und ist nicht ein einzelner Punkt, sondern ein kleiner Fleck. Der Bereich, in dem sich der Riss ausbreitet, erscheint als oxidierte körnige Partikel, die in scharfem Kontrast zum Bruchbereich stehen, und die Bruchfläche ist makroskopisch glatt.
④ Kriechbruch
Wenn ein Metallteil über einen längeren Zeitraum einer konstanten Temperatur und Spannung ausgesetzt ist, kommt es langsam zu einer plastischen Verformung, selbst bei einer Spannung, die unter der Streckgrenze des Materials liegt, was schließlich zum Bruch des Teils führt.
In der Nähe der Kriechbruchfläche kommt es zu einer erheblichen Verformung mit vielen Rissen, hauptsächlich intergranulären Brüchen. Die Bruchfläche weist eine Oxidschicht auf, und manchmal sind auch Kriechhohlräume zu beobachten.
⑤ Ermüdungsbruch
Ein Ermüdungsbruch ist eine Brucherscheinung, die nach einer bestimmten Anzahl von zyklischen Belastungen oder Wechselbeanspruchungen des Metallteils auftritt. Beim Versagen mechanischer Teile machen Ermüdungsbrüche einen großen Teil aus, etwa 50% bis 80%.
Wellen, Zahnräder, Pleuelstangen von Verbrennungsmotoren und andere sind wechselnden Belastungen ausgesetzt, und die meisten ihrer Brüche sind Ermüdungsbrüche.
Die makroskopischen Merkmale von Ermüdungsbruchoberflächen lassen sich eindeutig in drei Bereiche unterteilen: den Ermüdungsursprungsbereich, den Ermüdungsrissausbreitungsbereich und den Momentanbruchbereich. Der Ermüdungsursprungsbereich ist der Bereich, in dem sich der Ermüdungsriss anfänglich bildet und der in der Regel auf der Oberfläche des Bauteils auftritt.
Wenn jedoch die Materialoberfläche gehärtet ist oder innere Defekte vorliegen, kann die Ermüdung auch direkt unter der Oberfläche oder im Inneren des Teils auftreten. Der Ursprungsbereich der Ermüdung ist oft ein kleiner Bereich mit einer glatten und sauberen Oberfläche, in dem keine Ermüdungsspuren zu erkennen sind.
Das auffälligste Merkmal im Bereich der Ermüdungsrissausbreitung sind die makroskopischen Ermüdungsstreifen und mikroskopischen Ermüdungslinien. Die Ermüdungsstreifen bilden in etwa konzentrische Kreise oder Bögen um den Ermüdungsursprung, die sich wie Wellen im Wasser senkrecht zur Rissfortpflanzungsrichtung nach außen ausbreiten.
Der Momentanbruchbereich ist der Schnellbruchbereich, der auftritt, wenn sich der Ermüdungsriss auf eine kritische Größe ausdehnt. Seine makroskopischen Eigenschaften ähneln dem Schnellbruchbereich und den Scherlippen bei statischer Belastung Zugfraktur.
Die makroskopischen Erscheinungsbilder verschiedener Arten von Bruchflächen sind in den Abbildungen 1-4 dargestellt. Durch die Untersuchung der Bruchflächen von gebrochenen Teilen kann auf die Art und den Typ des Bruchs geschlossen und die Ursache des Schadens ermittelt werden, so dass Präventivmaßnahmen ergriffen werden können.
2) Analyse des Bruchversagens und Gegenmaßnahmen
①Fracture Failure Analysis - Die Schritte sind wie folgt:
a. Felduntersuchung
Nach einem Bruch ist es wichtig, die Umstände vor und nach dem Bruch unverzüglich zu untersuchen und zu dokumentieren, ggf. auch mit Fotos oder Videos. Die Fragmente des gebrochenen Teils müssen sorgfältig aufbewahrt werden, um Oxidation, Korrosion und Kontamination zu verhindern.
Sie sollten nicht bewegt oder gereinigt werden, bevor die Bruchmerkmale identifiziert und fotografiert worden sind. Die Arbeitsbedingungen, die Betriebssituation und die Umgebung zum Zeitpunkt des Bruchs sollten ebenfalls gründlich untersucht und aufgezeichnet werden.
b. Analyse der primären Versagenskomponente
Wenn eine Schlüsselkomponente bricht, kann dies oft zum Bruch anderer zugehöriger Komponenten führen. In solchen Fällen ist es von entscheidender Bedeutung, eine klare Reihenfolge der Ereignisse festzulegen und die primäre Bruchkomponente genau zu identifizieren, da sonst die Analyseergebnisse verfälscht werden könnten.
Die primäre Bruchkomponente kann zerbrochen sein, und ihre Bruchstücke sollten gesammelt und wieder zusammengesetzt werden, um den ersten Riss, den Hauptriss, zu identifizieren.
Beginnen Sie mit einer makroskopischen Analyse des Bruchs, indem Sie den Bruch mit bloßem Auge oder einer schwachen Lupe (20x oder weniger) betrachten und analysieren. Reinigen Sie das beschädigte Teil vor der Analyse von Ölflecken.
Rost auf dem Riss kann chemisch oder elektrochemisch entfernt werden, um die Oxidschicht zu entfernen. Beobachten Sie sorgfältig die Morphologie des Bruchs, die Lage des Risses und das Verhältnis zwischen dem Bruch und der Verformungsrichtung, um die Beziehung zwischen dem Riss und den beteiligten Kräften sowie die Lage des Rissursprungs zu bestimmen.
Ermitteln Sie die Ursache und Art des Bruchs, um eine Grundlage für die mikroskopische Analyse zu schaffen.
Führen Sie anschließend eine mikroskopische Analyse des Bruchs mit einem metallografischen Mikroskop oder einem Elektronenmikroskop durch, um die Beziehung zwischen der Bruchmorphologie und der Mikrostruktur, die Veränderungen in den mikroskopischen Bereichen während des Bruchvorgangs, die Art, Form und Verteilung der metallografischen Struktur des Bruchs und der Einschlüsse sowie die Mikrohärte und den Ursprung des Risses weiter zu analysieren.
d. Inspektion
Prüfen Sie die metallographische Struktur, die chemische Zusammensetzung und die mechanischen Eigenschaften, um zu untersuchen, ob makroskopische oder mikroskopische Defekte im Material vorhanden sind, die Verteilung und Entwicklung von Rissen und ob die metallographische Struktur normal ist. Prüfen Sie, ob die chemische Zusammensetzung des Metalls den Anforderungen entspricht und ob die regulären mechanischen Eigenschaften zufriedenstellend sind.
e. Bestimmen Sie die Fehlerursache
Bei der Bestimmung der Ursache für das Versagen eines Teils sind Faktoren wie das Material des Teils, das Herstellungsverfahren, der Belastungszustand, die Montagequalität, die Jahre der Nutzung, das Medium und die Temperatur in der Arbeitsumgebung sowie der Nutzungszustand ähnlicher Teile zu berücksichtigen. Kombinieren Sie diese Faktoren mit den makroskopischen und mikroskopischen Merkmalen des Bruchs, um ein genaues Urteil zu fällen und die primären und sekundären Ursachen für das Bruchversagen zu ermitteln.
②Bestimmen Sie die Gegenmaßnahmen
Nachdem Sie die Ursache des Bruchversagens ermittelt haben, sollten Sie Gegenmaßnahmen unter den folgenden Gesichtspunkten erwägen:
a. Entwurf
Versuchen Sie bei der Konstruktion von Bauteilen, die Spannungskonzentration zu minimieren, und wählen Sie die Materialien entsprechend dem Umgebungsmedium, der Temperatur und der Art der Belastung angemessen aus.
b. Prozess
Oberflächenveredelungen können die Ermüdungslebensdauer von Teilen erheblich verlängern, und geeignete Oberflächenbeschichtungen können durch Verunreinigungen verursachte Sprödbrüche verhindern. Bei der Wärmebehandlung bestimmter Werkstoffe kann das Einleiten eines Schutzgases in den Ofen deren Eigenschaften erheblich verbessern.
c. Installation und Verwendung
Erstens: Achten Sie auf eine korrekte Installation, um zusätzliche Belastungen und Vibrationen zu vermeiden, und verhindern Sie, dass wichtige Teile angestoßen oder zerkratzt werden. Zweitens: Achten Sie auf eine ordnungsgemäße Verwendung, schützen Sie die Betriebsumgebung des Geräts, verhindern Sie Korrosion durch korrosive Medien und vermeiden Sie übermäßige Temperaturunterschiede in verschiedenen Teilen des Geräts. Manche Geräte müssen beispielsweise während der Winterproduktion eine Zeit lang mit niedriger Drehzahl betrieben werden, und erst wenn alle Teile vorgewärmt sind, können sie unter Last arbeiten.
1) Grundkonzept der Bauteilverformung
Während des Betriebs mechanischer Geräte bezieht sich die Verformung auf Veränderungen der Größe oder Form eines Bauteils aufgrund der einwirkenden Kräfte. Übermäßige Verformung ist eine der wichtigsten Arten von mechanischem Versagen und ein deutliches Anzeichen für Verformungsbrüche.
Einige mechanische Komponenten können aufgrund ihrer Verformung zusätzliche Lasten auf die montierten Teile ausüben, den Verschleiß beschleunigen, die Beziehungen zwischen den verschiedenen Komponenten beeinträchtigen oder sogar zu katastrophalen Folgen wie Brüchen führen.
So können beispielsweise Verformungen wie die Biegung verschiedener Antriebswellen, die Durchbiegung oder Verdrehung des Hauptträgers eines Brückenkrans, die Torsionsverformung des Hauptträgers eines Autos oder die Verformung grundlegender Bauteile wie Zylinderblöcke oder Getriebegehäuse die Positionsgenauigkeit beeinträchtigen. Übersteigt das Ausmaß der Verformung die zulässigen Grenzen, verliert das Bauteil seine vorgesehene Funktion.
2) Arten der Teileverformung
① Elastische Verformung von Metallen
Unter elastischer Verformung versteht man den Teil der Verformung eines Metalls, der sich nach dem Wegfall äußerer Kräfte vollständig erholen kann.
Der Mechanismus der elastischen Verformung besteht darin, dass die Atome im Kristall unter äußerer Krafteinwirkung von ihrer ursprünglichen Gleichgewichtsposition abweichen, wodurch sich der Abstand zwischen den Atomen verändert und das Kristallgitter gedehnt oder verdreht wird.
Daher ist der Betrag der elastischen Verformung sehr gering und überschreitet im Allgemeinen nicht 0,10% bis 1,0% der ursprünglichen Länge des Materials. Außerdem entsprechen Metalle im Bereich der elastischen Verformung dem Hookeschen Gesetz, d. h. die Spannung ist direkt proportional zur Dehnung.
Viele metallische Werkstoffe werden bei Spannungen unterhalb der Elastizitätsgrenze verzögert elastisch verformt. Bei einer bestimmten Größe der Spannung wird die Probe eine bestimmte Gleichgewichtsdehnung aufweisen.
Diese Gleichgewichtsverformung tritt jedoch nicht sofort unter Spannung auf, sondern erfordert eine ausreichend lange Zeit der Spannung, um sich vollständig zu entwickeln. Nach dem Abbau der Spannung verschwindet die Gleichgewichtsverformung nicht sofort, sondern benötigt eine ausreichend lange Zeit, um vollständig zu verschwinden.
Das Phänomen, dass die Gleichgewichtsdehnung hinter der Spannung zurückbleibt, wenn das Material eine elastische Verformung erfährt, wird als Elastizitätsverzögerungsphänomen bezeichnet, das auch als elastischer Nacheffekt bezeichnet wird.
Teile wie Kurbelwellen, die kalt gerichtet wurden, verbiegen sich nach einiger Zeit wieder, was auf den elastischen Nacheffekt zurückzuführen ist. Der Weg zur Beseitigung des elastischen Nacheffekts führt über eine lange Zeit Glühenmit einer Glühtemperatur von 300 bis 450°C für Standardstahlteile.
Wenn ein Metallteil während seiner Verwendung eine übermäßige elastische Verformung erfährt, die über das zulässige Maß hinausgeht, beeinträchtigt dies den normalen Betrieb des Teils. Beispielsweise kann eine übermäßige elastische Verformung während des Betriebs einer Antriebswelle zu einer Verschlechterung des Zahneingriffs auf der Welle führen, was die Lebensdauer des Zahnrads und des Wälzlagers, das es trägt, beeinträchtigt.
Eine übermäßige elastische Verformung einer Werkzeugmaschinenführung oder -spindel führt zu einer Verringerung der Bearbeitungsgenauigkeit oder sogar dazu, dass die Anforderungen an die Bearbeitungsgenauigkeit nicht erfüllt werden. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, übermäßige elastische Verformungen beim Betrieb von mechanischen Geräten zu vermeiden.
② Plastische Verformung von Metallen
Unter plastischer Verformung versteht man die dauerhafte Verformung eines Metalls, die sich nach dem Wegfall der äußeren Kräfte nicht mehr zurückbilden lässt.
Die meisten in der Praxis verwendeten Metalle sind polykristallin, und die meisten sind Legierungen. Aufgrund des Vorhandenseins von Korngrenzen in Polykristallen, der unterschiedlichen Ausrichtungen der einzelnen Körner und des Vorhandenseins gelöster Atome und unterschiedlicher Phasen in Legierungen behindern und beschränken sie nicht nur die Verformung der einzelnen Körner, sondern behindern auch die Bewegung von Versetzungen erheblich.
Daher ist der Verformungswiderstand von Polykristallen höher als der von Einkristallen, was die Verformung komplexer macht. Daraus ergibt sich, dass je feiner das Korn ist, desto mehr Korngrenzen gibt es pro Volumeneinheit, wodurch der Widerstand gegen plastische Verformung größer ist, was eine höhere Festigkeit bedeutet.
Die plastische Verformung von Metallwerkstoffen führt zu Veränderungen in ihrer Organisationsstruktur und ihren Eigenschaften. Große plastische Verformungen zerstören die Isotropie von Polykristallen und führen zu Anisotropie; sie verursachen auch Kaltverfestigung in Metallen.
Gleichzeitig ist die Verformung jedes einzelnen Korns und innerhalb jedes Korns während der plastischen Verformung von Polykristallen aufgrund der unterschiedlichen Kornorientierungen und der blockierenden Wirkung der Korngrenzen ungleichmäßig.
Daher ist die elastische Erholung der einzelnen Körner nach Wegfall der äußeren Kraft unterschiedlich, was zur Entstehung von Eigenspannungen oder Eigenspannung im Metall. Außerdem erhöht die plastische Verformung die Reaktivität der Atome, was zu einer Verringerung der Korrosionsbeständigkeit des Metalls führt.
Die plastische Verformung führt zu Veränderungen der Abmessungen und Formen verschiedener Teile mechanischer Komponenten, was eine Reihe negativer Folgen nach sich zieht. Die plastische Verformung einer Werkzeugmaschinenspindel beispielsweise garantiert keine Bearbeitungsgenauigkeit, was zu einem Anstieg der Ausschussrate führt und die Spindel sogar unbrauchbar machen kann.
Obwohl die lokale plastische Verformung eines Teils nicht so offensichtlich ist wie die allgemeine plastische Verformung, ist auch sie eine wichtige Ursache für das Versagen eines Teils. Passfederverbindungen, Keilwellenverbindungen, Anschläge und Stifte verursachen aufgrund des statischen Drucks in der Regel eine lokale plastische Verformung an der Kontaktfläche eines oder beider zusammengehörender Teile.
Mit zunehmender Verformung beim Strangpressen, insbesondere bei Teilen, die sich rückwärts bewegen können, kann es zu Stößen kommen, die den Prozess des Aufbrechens der ursprünglichen Steckverbindung verstärken, was wiederum zu einem mechanischen Versagen des Teils führt.
3) Gründe für die Verformung von Teilen
Die Hauptursachen für die Verformung von Teilen sind die folgenden:
1) Arbeitsstress
Wenn die durch äußere Lasten verursachte Arbeitsspannung die Streckgrenze des Bauteilmaterials überschreitet, kommt es zu einer dauerhaften Verformung des Bauteils.
2) Arbeitstemperatur
Mit zunehmender Temperatur steigen die thermischen Schwingungen der Atome im Metallmaterial nimmt die kritische Scherfestigkeit ab, und es kommt leichter zu einer Gleitverformung, wodurch die Streckgrenze des Materials verringert wird. Oder wenn das Teil ungleichmäßig erwärmt wird und erhebliche Temperaturunterschiede aufweist, können große thermische Spannungen zu Verformungen führen.
3) Residual Innerer Stress
Sowohl bei der Grob- als auch bei der Feinbearbeitung werden die Teile inneren Spannungen ausgesetzt, was sich auf ihre statische Festigkeit und Maßhaltigkeit auswirkt. Dies senkt nicht nur die Elastizitätsgrenze des Teils, sondern führt auch zu einer plastischen Verformung, die die Eigenspannung verringert.
4) Interne Sachmängel
Innere Verunreinigungen, harte Stellen und eine ungleichmäßige Spannungsverteilung im Material können zu einer Verformung des Teils während des Gebrauchs führen. Es ist erwähnenswert, dass die Verformung eines Teils nicht unbedingt unter dem Einfluss eines einzigen Faktors auf einmal auftritt. Vielmehr handelt es sich in der Regel um das kumulative Ergebnis des Zusammenwirkens mehrerer Faktoren.
Um die Verformung von Bauteilen zu verhindern, müssen daher Maßnahmen in den Bereichen Konstruktion, Herstellungsverfahren, Verwendung, Wartung und Reparatur ergriffen werden, um die oben genannten Faktoren zu vermeiden und zu beseitigen und so die Verformung der Bauteile in akzeptablen Grenzen zu halten.
Im Gebrauch ist eine Verformung der Teile unvermeidlich. Daher reicht es bei der Generalüberholung von Maschinen nicht aus, nur den Verschleiß der Passflächen zu überprüfen. Auch die Positioniergenauigkeit muss sorgfältig überprüft und repariert werden, insbesondere bei Maschinen, die zum ersten Mal einer größeren Überholung unterzogen werden.
Der Überprüfung und Reparatur von Verformungen muss besondere Aufmerksamkeit gewidmet werden, da die Verformung von Teilen unter dem Einfluss von Eigenspannung in der Regel innerhalb von 12 bis 20 Monaten abgeschlossen ist.
4) Strategien zur Verhinderung und Verringerung der Verformung von mechanischen Teilen
In der tatsächlichen Produktion ist die Verformung mechanischer Teile unvermeidlich. Die Ursachen für die Verformung sind vielfältig, daher sollten Maßnahmen zur Verringerung der Verformung Aspekte wie Konstruktion, Verarbeitung, Reparatur und Verwendung berücksichtigen.
i) Gestaltung
Bei der Konstruktion sollte nicht nur die Festigkeit der Teile berücksichtigt werden, sondern auch die Steifigkeit der Teile sowie Fragen im Zusammenhang mit Herstellung, Montage, Verwendung, Demontage und Reparatur.
a. Wählen Sie das geeignete Material unter Berücksichtigung seiner Verarbeitungseigenschaften wie Fließfähigkeit und Schrumpfung beim Gießen; die Fälschbarkeit und Kaltstaucheigenschaften beim Schmieden; die Kalt- und Warmrissneigung beim Schweißen; die Zerspanbarkeit bei der maschinellen Bearbeitung; die Härtbarkeit und Sprödigkeit bei der Wärmebehandlung, usw.
b. Wählen Sie die geeignete Struktur, ordnen Sie die Komponenten logisch an und verbessern Sie die Belastungsbedingungen der Teile. Vermeiden Sie z. B. scharfe Ecken und Kanten und ersetzen Sie sie durch abgerundete Ecken, Fasen, bohren Sie Bearbeitungslöcher oder verdicken Sie Teile in Bereichen mit erheblichen Dickenunterschieden; ordnen Sie die Position von Löchern gut an, machen Sie aus Sacklöchern Durchgangslöcher; erwägen Sie bei komplex geformten Teilen die Verwendung einer kombinierten Struktur, einer eingelegten Struktur usw.
c. Bei der Gestaltung sollte auch auf die Anwendung neuer Technologien, neuer Verfahren und neuer Techniken geachtet werden. neue Materialienum die inneren Spannungen und Verformungen während der Herstellung zu verringern.
ii) Verarbeitung
Während der Verarbeitung sollte eine Reihe von Maßnahmen ergriffen werden, um Verformungen zu verhindern und zu verringern.
a. Das Rohmaterial sollte einer Alterungsbehandlung unterzogen werden, um seine Eigenspannung zu beseitigen.
b. Bei der Formulierung des Bearbeitungsverfahrens für mechanische Teile sollten Maßnahmen zur Verringerung der Verformung sowohl bei der Anordnung der Arbeitsgänge und -schritte als auch bei den Prozessanlagen und -vorgängen ergriffen werden. Zum Beispiel sollte nach dem Prinzip der Trennung von Grob- und Feinbearbeitung eine Lagerzeit dazwischen liegen, um den Abbau von inneren Spannungen zu erleichtern.
c. Die Umwandlung von Referenzen sollte während der Verarbeitung und Reparatur von mechanischen Teilen minimiert werden, versuchen, den Prozess Referenz für die Reparatur verwenden, reduzieren Fehler durch uneinheitliche Referenzen während der Reparatur Verarbeitung verursacht.
Bei Teilen, die einer Wärmebehandlung unterzogen wurden, muss darauf geachtet werden, dass Bearbeitungszugaben reserviert, Bearbeitungsmaße angepasst und Vorverformungen vorgenommen werden.
Nachdem das Verformungsmuster der Teile bekannt ist, kann im Voraus eine umgekehrte Verformung hinzugefügt werden, der nach der Wärmebehandlung entgegengewirkt werden kann; es können auch Spannungen im Voraus hinzugefügt oder die Erzeugung und Veränderung von Spannungen gesteuert werden, so dass die endgültige Verformung den Anforderungen entspricht und der Zweck der Verformungsreduzierung erreicht wird.
iii) Reparatur
a. Um die bei der Reparatur auftretenden Spannungen und Verformungen zu minimieren, reicht es bei größeren mechanischen Reparaturen nicht aus, nur den Verschleißzustand der passenden Oberfläche zu überprüfen, sondern es muss auch die Positionsgenauigkeit der anderen Teile sorgfältig geprüft und repariert werden.
b. Angemessene Reparaturstandards sollten festgelegt werden, und einfache, zuverlässige und leicht zu bedienende Spezialwerkzeuge, Inspektionswerkzeuge und Messwerkzeuge sollten entwickelt werden. Zugleich sollte die Förderung neuer Reparaturtechnologien und -verfahren betont werden.
iv) Verwendung
a. Verstärkung des Gerätemanagements, strikte Durchsetzung von Sicherheitsverfahren, verstärkte Inspektion und Wartung mechanischer Geräte, um Überlastung und örtliche Überhitzung zu vermeiden.
b. Es ist auch wichtig, die Ausrüstung richtig zu installieren. Präzisionswerkzeugmaschinen sollten nicht für die Grobbearbeitung verwendet werden. Lagern Sie Ersatzteile und Zubehör sachgerecht.
Einfluss verschiedener Faktoren während der Nutzung
Mechanische Geräte verschlechtern sich oder altern aufgrund verschiedener Faktoren während der Nutzung allmählich, was zu Fehlfunktionen oder sogar zum Verlust der vorgesehenen Funktionalität führt. Zu den wichtigsten externen Faktoren gehören die folgenden:
Als Gründer von MachineMFG habe ich mehr als ein Jahrzehnt meiner Karriere der metallverarbeitenden Industrie gewidmet. Meine umfangreiche Erfahrung hat es mir ermöglicht, ein Experte auf den Gebieten der Blechverarbeitung, der maschinellen Bearbeitung, des Maschinenbaus und der Werkzeugmaschinen für Metalle zu werden. Ich denke, lese und schreibe ständig über diese Themen und bin stets bestrebt, in meinem Bereich an vorderster Front zu bleiben. Lassen Sie mein Wissen und meine Erfahrung zu einem Gewinn für Ihr Unternehmen werden.
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