毕业设计（论文）-冲击载荷作用下机构强度可靠性研究.doc

目 录第1章 绪论31.1研究可靠性的重要意义31.2可靠性研究发展概况31.3机构可靠性研究发展概况51.4 本文研究工作8第2章 机械零件及机构失效分析92.1失效分析与机械产品可靠性的关系92.2机械零件失效形式及诊断102.2.1失效形式的分类102.2.2失效形式的诊断102.3机械零件失效原因概述112.3.1零件的服役条件112.3.1.1受力状况112.3.1.2工作环境132.3.2设计、制造与零件失效142.3.2.1设计与零件失效142.3.2.2材料、制造工艺与零件失效142.3.3使用、维修与零件失效152.4 机构失效模式152.4.1 过量弹性变形失效162.4.1.1特征及判断162.4.1.2防止措施172.4.2 屈服失效172.4.2.1特征及判断182.4.2.2过载压痕损伤屈服失效的一种特殊形式182.4.2.3防止和改进措施182.4.3塑性断裂失效182.4.3.1特征及判断192.4.3.2改进措施192.4.4 脆性断裂失效202.4.4.1特征及判断202.4.4.2防止和改进措施202.4.5 疲劳断裂失效212.4.5.1疲劳失效行为特征212.4.5.2提高疲劳抗力的措施242.4.6 腐蚀疲劳失效242.4.6.1腐蚀疲劳损伤242.4.6.2提高机构元件腐蚀疲劳抗力的措施242.4.7 磨损失效252.5 小结25第3章 机构可靠性分析方法263.1 机构可靠性分析的基本过程263.2 机构元件可靠性分析的基本方法263.2.1 内力-强度干涉模型263.2.2均值一次二阶矩法FOSM27第4章 冲击载荷作用下机构屈服强度数学模型304.1问题的提出304.2冲击载荷与应变率314.3高应变率下材料力学性能324.4基于塑性分析概念的材料承载能力形状因子334.5冲击载荷作用下机构屈服强度计算模型354.6总结35第5章 插拔机构动作可靠性研究375.1插拔机构结构375.2插拔机构工作过程385.3插拔机构运动学分析405.3.1位置分析405.3.2速度和加速度分析425.3.2.1四连杆机构速度和加速度425.3.2.2弹簧角速度和角加速度435.3.2.3 弹簧内筒伸缩速度和加速度分析445.4插拔机构动力学分析445.4.1未绕过死点445.4.2绕过死点465.4.3 修正数学模型475.5液压阻尼器分析475.5.1液压阻尼器所受冲击力分析485.5.2液压阻尼器运动分析495.5.2.1振动微分方程495.5.2.2液压阻尼力505.5.2.3运动分析525.5.2.4影响因素525.5.2.5参数设计535.6插拔机构可靠性分析545.6.1导向插销强度可靠性545.6.1.1确定导向插销根部的应力分布545.6.1.2 确定导向插销材料在高应变率下的强度分布555.6.1.3计算导向插销的强度可靠度565.6.2闭启活门动作可靠性565.7 插拔机构可靠性试验575.7.1试验台设计575.7.1.1等效质量和撞击初速度计算575.7.1.2 可靠性试验动力学分析计算585.7.2加速度585.7.3可靠性试验595.8总结605.8.1理论研究605.8.2方法研究605.8.3 试验研究60参考文献6266第1章 绪论1.1研究可靠性的重要意义随着科学技术的发展，产品质量的含义也在不断地扩充。以前产品的质量主要指产品的性能，即产品出厂时的质量，而现在产品的质量已不仅仅局限于产品性能这一指标。目前，产品质量的定义是:满足使用要求所具备的特性，即适用性1。这表明产品的质量首先是指产品的某种特性，这种特性反映着用户的需求。概括起来产品质量特性包括:性能、可靠性、经济性和安全性四个方面。性能是产品的技术指标，是出厂时()产品应具有的质量特性。显然，能出厂的产品就应满足性能指标；可靠性是产品出厂后()所表现出来的一种质量特性，是产品性能的延伸和扩展；经济性是在确定的性能和可靠性水平下的总成本，包括购置成本和使用成本两部分；安全性则是产品在流通和使用过程中保证安全的程度。在上述产品质量特性所包含的四个方面中，可靠性占主导地位2。性能差，产品实际上是废品；性能好，也并不能保证产品的可靠性水平高。反之，可靠性水平高的产品在使用中不但能保证其性能的实现，而且故障发生的次数少，维修费用及因故障造成的损失也少，安全性也随之提高。由此可见，产品的可靠性是产品质量的核心，是生产厂家和用户努力追求的目标。在我国加人WTO之后，我国的经济要与国际接轨。我国的企业将参与国际市场的竞争，进人国际经济的大循环圈，这是经济发展的必然趋势。用户不仅要求产品性能好，更重要的是要求产品的可靠性水平高，这是产品占领市场的关键。美国人曾预言:今后只有那些具有高可靠性指标的产品及其企业，才能在日益激烈的国际贸易竞争中幸存下来。而日本人则断言:今后产品竞争的焦点是可靠性3。因此，产品的质量尤其是产品的动态质量(可靠性)就显得尤为重要。1.2可靠性研究发展概况可靠性学科从诞生至今已有50多年的历史。形成这门学科的起源就是因为传统的质量分析方法无法解释实际中出现的失效问题。二战期间，美国空军由于飞机故障事故而损失的飞机多达21000架，比被击落的还多1.5倍。运往远东的作战飞机上的电子设备经运输后有60%不能使用，在储存期间有50%失效，而在使用中失效率更高，而且难以维护。这些事实引起了美国军方对可靠性问题的高度重视，于1952年在成立了可靠性问题研究委员会的基础上，建立了政府的职能管理部门，即国防部电子设备可靠性顾问团，简称AGREE (Advisory Group on Reliability of Electronic Equipment)。AGREE于1957年发表了著名的电子设备可靠性报告。这个报告较完整地阐述了研制及生产过程中对产品的可靠性指标进行试验、验证和鉴定的方法，提出了电子产品在生产、包装、运输、储备等方面需要注意的问题和要求等，这个报告被公认为是电子产品可靠性理论和方法的奠基性文件。从此，可靠性学科逐渐发展成为一门独立的学科。机械可靠性是可靠性学科的一个重要组成部分。A.M.Freudenthal教授是早期从事结构可靠性研究的代表人物之一。1947年他在文献4中，提出了用于构件静强度可靠性设计的应力-强度干涉模型，利用该模型可以进行构件的可靠性设计。此后，他在结构可靠性与风险率的分析以及疲劳与断裂的研究等方面一直处于领先地位，发表了很多具有代表性的论著5-8。文献9-10对结构可靠性设计与应用方面做了比较全面的论述。尽管影响机械设备和系统可靠性的因素太多，难以控制，而且产品的批数量较少，试验费用较大，从事可靠性研究的学者仍通过大量的工作，如文献11、12给出了常用应力、强度分布的各种组合下可靠性的计算公式，并对一些难于解析的可靠性计算公式给出了数表，供设计时使用。E.B.Haugen13创造了统计代数运算，为可靠性设计的应用奠定了理论基础。1975年，E.B.Haugen等14在Machine Design杂志上连续发表关于机械可靠性设计理论及应用方面的论文，列举了很多应用实例。疲劳破坏是机械零件的主要失效形式之一，据统计约有80%的零件失效都是疲劳破坏，因此对疲劳问题的研究受到广泛重视。从60年代开始，F.B.Stulen15，D.Kececioglu16，和A.M.Freudenthal7，将应力-强度干涉模型用于疲劳强度的可靠性设计中。在70年代前后，D.Kececioglu，E.B.Haugen等人提出了一整套基于干涉模型的疲劳强度可靠性设计方法17-19，并在工程上得到广泛的应用。1980年，E.B.Haugen出版了比较全面的概率机械设计专著20。可以说，在20世纪70年代，除了计算机和环境科学之外，可靠性、安全性和风险估计是发展较快的应用科学之一。美国70年代将可靠性技术引入汽车、发电设备、拖拉机和发电机等机械产品中。80年代，美国Rome航空发展中心专门作了一次非电子设备可靠性应用情况的调查分析，指出了非电子设备的可靠性设计非常困难。美国国防部可靠性分析中心(RAC)收集和出版了非电子零部件的可靠性数据手册。日本以民用产品为主，大力推进机械可靠性的应用研究，主要强调实用，大大地促进了日本的机电产品的可靠性水平的提高。前苏联对机械可靠性的研究十分重视，在其20年的科技规划中，将提高机械产品的可靠性和寿命作为重点任务之一，并制定了很多以机械产品为主的国家标准，用以推进可靠性技术的应用。80年代，我国开始重视机械可靠性的研究。从1986年起，原机电部已经发布了6批限期考核的机电产品可靠性指标的清单，前后共有879种产品已经进行了可靠性指标的考核。在进行机械零件的可靠性设计时，强度分布的确定是非常重要的。强度数据的获得需要投入大量的人力、物力和财力，特别是疲劳强度的分布数据更是如此。对这项基础性工作，各国都非常重视，我国投入了大量的人力和经费，花费了几年的时间，获得了一批非常珍贵的疲劳试验数据，并经统计处理后给出了分布的统计参数供设计时使用21，22。在美国，D.Kececioglu等学者给出了指定应力下疲劳寿命的分布，并做了大量的材料试验23。日本材料学会1984年出版了可靠性论文集，其中大部分都是报道关于金属材料及粉末冶金等材料的疲劳和断裂试验数据及统计处理结果。1.3机构可靠性研究发展概况广义的机械可靠性包括结构可靠性和机构可靠性两大方面。结构可靠性的研究略迟于电子可靠性的研究，开始于60年代，到80年代已形成了比较系统的理论和方法。目前，结构可靠性的研究工作主要涉及到结构系统主要失效模式的确定和提高失效模式失效概率的计算精度等问题。美国的A.H.S Ang和Fred Moses、丹麦的Ditievesen、和我国的冯元生和赵国藩等等在这方面均作出了杰出贡献。机构可靠性是机械可靠性中的一大新的分支，与结构和机械刚、强度可靠性问题不同之处在于，它侧重于研究运动副或机构系统在规定的条件下和规定的时间内，完成预定运动功能(轨迹、速度、精度、定位、性态等)的能力。与结构可靠性相比，机构可靠性的研究起步较晚，从70年代末期才开始研究，到80年代才有了一些基础。到目前为止，关于机构可靠性方面的研究文献还相对较少。机构可靠性涉及的内容相当广泛，冯元生、羊妗等24，25根据机构的特点和机构可能失效的类别，在提出了一种机构失效模式的初步分类框架。在机构中，磨损问题最为突出，据统计在一般机械中， 由于机构中运动副零件的磨损失效约为总失效比例的,30%-80%。飞机操纵机构、螺旋桨中的铰链接头、减速器的轴和轴瓦等等都有大量的因磨损失效而引起事故的实例。这种情况促使人们最早对机构磨损的可靠性问题开展了研究。前苏联学者于1978-1979年最早开创了机构磨损可靠性研究的先河，对机构磨损的理论、实验以及应用统计方面的问题开展了研究。1998年任和等26在冯元生建立的磨损失效极限状态方程的基础上，提出了磨损模糊可靠性分析模型，并应用于运八飞机货舱门锁机构的可靠性计算之中。在机构可靠性中，关于机构运动精度的可靠性问题亦是人们较早关注的专题之一，迄今为止这方面的研究文献相对较多些。最早有关机构运动精度可靠性的研究可追溯到1966年前苏联学者H.P.勃鲁也维奇的工作，他在其论著27中对机构运动误差作了较为深入的研究，对机构运动副中的原始误差进行了相对全面的分析，提出了分析运动副间隙所引起的机构输出误差的转换机构法，为机构运动精度可靠性的研究奠定了基础。1984年以色列学者B.Z.Sandler在其专著28中对齿轮和凸轮机构等的运动精度和动力精度作了深入和系统的研究，就游隙对机构运动的影响利用非线性方法进行了分析，并对自适应机构开展了初步的探讨性研究，为机构可靠性理论和方法的丰富与发展做出了很大贡献。此外，J.H.Rhyu29以平面四杆机构杆长加工误差和运动副精度概率分析为基础，开展了机构优化设计，使机构输出运动偏差的方差和机构加工成本之和极小化。S.J.Lee等30对机构运动链中的速度和加速度的概率特性进行了分析。我国学者在机构运动精度可靠性方面也开展了许多工作，罗延科等31人利用概率和数理统计方法以及机构误差理论，对平面连杆、凸轮、槽轮、齿轮和带传动等常用机构的运动精度进行了基于概率的精度综合。徐卫良、张启先等32对空间机构运动误差进行了概率分析，并利用蒙特卡罗数值模拟法对运动副中间隙的概率特性进行分析研究。史天录等33在文献32的基础上，提出了空间机构同时考虑杆长和角度的随机性以及运动副的随机性时，机构待求运动参数的随机特性分析方法，并应用于RCCC空间机构分析中。张新义则在其论著34中对机构定位精度、过盈连接精度和齿轮传动孔系精度等设计的理论概率法开展了创新性研究。贾少彭等35则针对曲柄滑块机构首次提出了弹性机构的动态精度可靠性模型，并利用响应面法和重要抽样法求解，这一工作对于机构动态精度的分析与设计是非常有意义的。关于机构可靠性中卡住失效问题的首创性研究当数我国学者冯元生等人的工作，他们在文献24中分析了机构卡住失效的几种典型类型，并按类别提出了相应的机构防卡可靠性的分析方法，分别从位移和功的两种极限状态方程出发建立了可靠性计算公式。贺东斌等36，37在文献24工作的基础上，补充和发展了几类典型航空机构错位对配合防卡可靠性分析模型，全面分析了常见活动翼面变形卡住失效的机理，提出了多支点抗弯转轴和柔性轴变形卡住模型及其相应的可靠性计算方法，并应用于国产某型军用飞机的襟翼机构的可靠性分析之中。除上述工作之外，前苏联学者还对机构运动功能的可靠性问题开展了研究。羊妗等25枚举和归纳了机构可靠性的失效模式，阐明了各种破坏模式的失效形式、原因、安全边界方程和可靠指标；贺东斌等38对机构容差及其运动的可靠性进行了研究，对航空关节轴承的可靠性进行了分析39。史天录等40则对机构动态可靠性分析模型和方法进行了有益的探讨。何水清等41对单节摇杆的运动可靠性进行了分析。顾长鸿等42针对飞机起落架上位锁机构进行了定位可靠性和运动可靠性的定量分析；张跃明等43建立了空间机构间隙转动副模型的11种接触模式，并给出了每种模式存在的条件；张树林44对飞行器机构可靠性的特点进行了分析，并对折叠弹簧的锁定系统的折叠翼的锁定可靠度进行了计算。黄克威等45分析了消旋天线机构轴承10年长寿命试验的可靠性问题。与结构相比，机构除承受载荷之外，主要用于传递运动。由于机构形式多样、系统构造复杂，故失效模式较多、失效机理复杂，因此，机构可靠性问题较之结构可靠性问题难度要大得多，它的研究起步亦晚得多。目前，关于机构可靠性的理论和方法尚不完善，仍在发展之中。尽管如此，机构可靠性问题已越来越引起机械工程技术人员的关注，北京航空航天大学可靠性工程研究所张建国等46综合连杆机构运动弹性力学(KED)的分析方法和可靠度分析的响应面法，研究了弹性连杆机构运动功能可靠性分析的方法，并应用自行编制的软件以曲柄滑块机构为例进行了弹性机构运动位置可靠性分析。黄石高等专科学校科研处李明喜 47对曲柄滑块机构的设计常采用作图法、实验法、解析法、优化设计法等这些传统的设计方法虽简便易行,但设计结果与实际情况吻合度不高0据此提出将模糊可靠性设计和结构优化设计应用于曲柄滑块机构综合中,建立模糊可靠性优化设计数学模型,且从计算实例中得出采用模糊可靠性优化设计可提高曲柄滑块机构设计的精度。天津大学机械工程学院孟宪举等48对连杆机构运动误差概率特性进行了分析研究。军械工程学院军械技术研究所冯广斌，孙江生49对影响机构可靠性的主要因素、机构可靠性变化的基本过程以及表征机构可靠性变化的指标参数进行了分析，针对机构可靠性问题的特点，提出了基于机构输出参数的目标函数与实现函数叠覆进行机构可靠性分析的方法以及考虑故障等级影响、对不同故障等级进行加权的机构可靠性失效判剧，建立了与此相对应的机构可靠性分析的数学模型，并对实际工程问题进行了实例分析。西安联合大学计算机科学系赵竹青，周毓明50根据机构运动精度可靠性分析与设计的基本理论，首次提出了在机构运动精度可靠性分析与设计中机构误差分配的等精度影响法和相依影响法。对于冲击载荷作用下的可靠性研究的文献更为少见，南昌大学机电工程学院刘卫东等51对冲击载荷作用下的圆柱螺旋弹簧强度可靠性进行了研究。Sosenko S Yu52对冲击载荷作用下的煅床等冶金类的机床进行了强度可靠性的研究。Novikov S A53对具有爆破性冲击载荷作用下的机构装置进行了强度可靠性的研究。综上所述，对冲击载荷作用下的可靠性研究在国内外不多，本文将对冲击载荷作用下的机构强度进行可靠性研究，提出在冲击载荷作用下的强度校核的修正数学模型，并应用其数学模型对火箭炮中火箭弹发射简易控制的插拔机构的进行可靠性研究。1.4 本文研究工作 本文研究工作主要包括以下几个方面：1.研究分析冲击载荷作用下机构屈服强度的计算数学模型。2.插拔机构中四连杆机构运动学分析a.位置分析 b.速度和加速度分析3.插拔机构中四连杆机构动力学分析4.插拔机构中四连杆机构可靠性分析第2章 机械零件及机构失效分析 机构是机械产品的一个重要组成部分，要进行机构失效分析，我们首先分析机械产品中机械零件的失效分析。2.1失效分析与机械产品可靠性的关系 从失效分析角度谈产品的可靠性，是指使用的可靠性，它既包括了在设计和制造中所保持的产品的固有可靠性，也包括了使用、维修后所体现出来的可靠性。由此看出，产品的可靠性是相对于失效而言的概念，并包含有时间的因素，反映着产品质量的时间效应。 可靠性技术一般分为三个领域：可靠性工程，主要是系统可靠性分析、系统可靠性设计和评价；可靠性分析，包括可靠性试验、失效分析与防止；可靠性数学。 产品的可靠度是产品在规定条件下和规定的时间内满意地完成规定功能的概率。这个定义包含了四个方面的含义，即功能、时间、使用条件和满意地完成规定功能的概率。所谓“概率”是表示一个事件发生或不发生的可能性，取值在01之间。言外之意，这个定义还包含着“在规定的条件和时间内不能满意地完成规定功能的概率”，这就是发生失效的概率，称为失效概率或不可靠度，也取值于01之间。由此可见，产的“可靠性”是一个相对于其“失效”而言的概念，产品的可靠度与其失效概率是“互补”关系。设可靠度为，失效概率为，则 （2-1） 由于产品的各种性能是随时间而变化的，产品的可靠度和失效概率都是时间的函数，则式（2-1）一般写为： （2-2） 大多数机械产品都是由许多零部件组成的系统，每一个零部件都有各自的可靠度。设机械系统由个零部件组成，它们的可靠度分别为，则系统的总可靠度为： （2-3） 这个关系称为“可靠性的乘法规律”（The Product Rule of Reliability）,它说明系统越复杂，导致失效的因素就越多，因而越难保证其可靠性。2.2机械零件失效形式及诊断2.2.1失效形式的分类零件的失效形式即失效的表现形式，可理解为失效的类型，也称为失效模式(Failure Mode)。零件在一种或几种物理的和(或)化学的因素的作用下，逐渐地发生尺寸、形状、状态或性能上的变化，并以特定的表现形式丧失其预定的功能。这里所指的特定的表现形式即失效形式或失效类型。显然，不同的物理和(或)化学过程对应着不同的失效形式。反之，具有相同失效形式的零件的失效，是相同物理和(或)化学因素作用的结果。零件的失效受多种因素影响，其失效形式也很复杂。为了揭示同类失效形式的本质，比较和鉴别各类失效形式，对各种失效形式进行科学的分类是必要的。按失效的宏观特征，可将零件失效分为变形失效、断裂失效和表面损伤失效三大类型。按失效性质和具体特征，每一类型还可以包括几个小类，如表2.1所示。表2.1机械零件失效形式分类2.2.2失效形式的诊断失效形式诊断是开展失效分析的重要的也是首要的工作，它决定着失效分析继续工作的方向。图2.1列出的失效形式，常可分为一级、二级甚至三级失效形式。如图2.1中，断裂作为一级失效形式，疲劳断裂则可视为二级失效形式。按应力高低，疲劳失效又可分为低周疲劳失效、高周疲劳失效以及高低周复合疲劳失效等三级疲劳失效形式。按应力来源，可将疲劳断裂失效分为机械疲劳失效和热疲劳失效等三级疲劳失效形式。在机械疲劳失效中，又可有弯曲疲劳失效、扭转疲劳失效、拉一压疲劳失效和接触疲劳失效等四级疲劳失效形式。一般说来，对某种特定的失效形式的诊断，特别是对典型的一级失效形式的诊断并不困难，只要根据单一的诊断判据，如宏观断口特征，就可以得出一级失效形式诊断的结论。但对于二级或三级甚至四级失效形式的诊断则需要选用适当的技术和方法进行一定的定量分析。例如，对断裂失效形式的诊断应依据:残骸分析:根据残骸的轨迹、断口的宏观性质、断口的变形顺序等，首先寻找初始破坏件(肇事件)，然后对初始破坏件的断口性质、裂纹走向、变形情况、痕迹来源、力学性能、显微组织、工艺过程、热处理状态等进行逐项的和综合的分析。应力分析:包括应力的来源、性质和大小的分析和估算，特别是对初始破坏件的结构及受力的分析和计算、工况和环境分析，并与断口的定性和定量分析相对照进行综合分析。失效模拟:对主要的失效形式和主要的控制参量在实验室或现场进行模拟试验，并对模拟失效的断口与实际肇事件的断口进行对比分析。又如磨损失效的二级失效形式包括磨粒磨损失效、粘着磨损失效、疲劳磨损失效、氧化磨损失效、腐蚀磨损失效和微动磨损失效等六类。其中每一类又可有若干个三级磨损失效形式。磨损失效形式的诊断一般依据:磨损表面的形貌和次表面组织和性能的变化。磨屑形貌、磨屑成分和组织的变化。磨损系统中各参量的关系和变化等。但是，由于磨损是一种伴随着摩擦的存在而存在的摩擦面材料逐渐丧失、迁移或变形的过程，虽然一般认为有摩擦就有磨损，但磨损并不等于磨损失效。由磨损到磨损失效是一个由量变到质变的过程，对于不同的机械，这个由量变到质变转化的分界点是不一样的。因此，进行磨损失效形式的诊断，必须首先根据零件性质具体确定磨损失效的失效点。2.3机械零件失效原因概述引起零件失效的因素是多方面的，概括地讲，可分为服役条件、材料因素、设计与工艺因素以及使用和维修等几个主要方面。2.3.1零件的服役条件零件的服役条件包括受力状况和工作环境。2.3.1.1受力状况零件的失效通常是由于其所承受的载荷超过了零件在当时状态下的极限承载能力的结果。零件的受力状况包括:载荷类型、载荷性质，以及载荷在零件中引起的应力状态。a.载荷类型作用在零件上的载荷，可以划分为5种基本类型:(1)轴向载荷力作用在零件的轴线上，大小相等，方向相反，包括轴向拉伸和轴向压缩载荷。例如，受拉的绳索、受拉伸或压缩的杆件等等。在轴向载荷作用下，应力沿横截面的分布是均匀的。零件上主应力与最大切应力的关系为:(2)弯曲载荷垂直于零件轴线的载荷(有时还包括力偶)，它便零件产生弯曲变形。例如，齿轮轮齿的根部、汽车的钢板弹簧等，工作中承受弯曲载荷。在弯曲载荷作用下，零件横截面上主应力分布的规律是:从表面应力最大改变到中性轴线处应力为零。并且，中性轴线一侧为拉伸应力，另一侧为压缩应力。(3)扭转载荷作用在垂直于零件轴线平面内的力偶，它使零件发生扭转变形。例如，传递扭矩的传动轴、圆柱螺旋弹簧等，工作时承受扭转载荷。在扭转载荷作用下，横截面上切应力的分布规律是:从表面最大到横截面中心点处为零(这里讲的"中心点"，是指扭转中心轴线与横截面的交点)。(4)剪切载荷使零件内相邻两截面发生相对错动的作用力。螺栓在连接接合面处受剪切，并与被连接件孔壁互压。螺杆还受弯曲，但在各接合面贴紧的情况下可以不考虑。在剪切载荷作用下，力大小沿平行于最大切应力的横截面上是均匀的。(5)接触载荷两个零件表面间的接触有点接触、线接触和面接触。零件受载后在接触部位的正交压缩载荷称接触载荷。例如，滚动轴承工作时，滚子与滚道之间，齿轮传动中轮齿与轮齿之间的压力都是接触载荷。在接触载荷作用下，主应力与最大切应力之比是不定的。实际零件工作中往往不是只受单一载荷作用的，而是同时承受几种类型载荷的复合作用。b.载荷的性质载荷的性质可以分为以下几种类型:(1)静载荷缓缓地施加于零件上的载荷，或恒定的载荷。(2)冲击载荷以很大速度作用于零件上的载荷，冲击载荷往往表现为能量载荷。(3)交变载荷载荷的大小、方向随时间发生变化的载荷，其变化可以是周期性的，也可以是无规则的。绝大多数机器零件是在交变应力作用下工作的。交变应力的形式虽然有许多变异，但基本上可归纳为四种:(1)对称循环应力等值交变的拉伸、压缩和剪切应力。例如，弯曲载荷作用下的旋转轴。其最大应力和最小应力数值相等但符号相反，其应力比(2)脉动循环应力单向应力，其应力值从零变化到最大，0。例如一对齿轮传动，转动方向不变时，轮齿的弯曲应力即为脉动循环应力。(3)非对称循环应力应力值由最小到最大变化，最小应力既可能是正值，也可能是负值。例如，连杆螺栓所受的应力。(4)随机循环应力实际运转的机器，由于服役条件可能发生变化，例如，开车、停车，工作载荷可能有大有小，运转可能时快时慢，所以交变应力的波形、应力幅大小、方向和周期都随时间而变化。静载荷或冲击载荷作用下发生断裂的断口与交变载荷引起的疲劳断口特征有明显的不同。c.应力状态零件的应力状态是指通过受载零件任一点所作的各个截面上的应力状态。从不同角度分类，零件的应力状态可分为单向应力，多向应力；“软性”应力状态、“硬性”应力状态等。应力状态对断裂形式的影响，概括起来表现为:较硬的应力状态容易造成正断，而较软的应力状态则引起切断；相同的应力状态下不同强度与塑性、韧性相配合的材料可能出现脆性断裂，也可能出现延性断裂。由此可知，为避免脆性断裂，对于不同应力状态，要求材料有不同的强度与塑性、韧性的最佳配合。2.3.1.2工作环境零件一般是在室温、大气介质的环境下运行的，然而在高温、低温或有其他腐蚀性介质等工作环境下，将产生许多特殊的失效类型。环境介质包括气体、液体、液体金属、射线辐照、固体磨料和润滑剂等。对于某一零件失效原因的准确判断，必须充分考虑环境介质的影响。例如，某工厂生产的继电器，春天放进仓库贮存，到秋天就发现大批继电器的弹簧片发生沿晶界断裂，经失效分析，判定是氨引起的应力腐蚀开裂。但仓库里从来没有存放过能释放氨气的化学物质。后来查明，在仓库大门南面附近的田野里有一个大鸡粪堆，是鸡粪放出的氨气经春夏的南风送进仓库，提供了应力腐蚀必要的介质环境，引起了应力腐蚀。可见，进行失效分析时如果不和更广阔的环境联系起来，就得不出可靠的结论来。2.3.2设计、制造与零件失效2.3.2.1设计与零件失效设计不合理和设计考虑不周到是零件失效的重要原因之一。例如，轴的台阶处直角形过渡，过小的内圆角半径，尖锐的棱边等造成应力集中，这些应力集中处，有可能成为零件破坏的起源地。有些零件的截面形状是零件本身所要求的，例如，花键、键槽、油孔、销钉孔等，但是如果设计时考虑不周到，没有充分估计到这些形状特征对截面的削弱和应力集中问题，或者位置安排不妥当，都将造成零件早期破坏。另一种原因是，对零件的工作条件估计错误，如对工作中可能的过载估计不足，造成设计的零件的承载能力不够。选材不当是导致失效的另一重要原因。虽然问题出在材料上，但责任在设计者。最常见的情况是，设计者仅根据材料的常规性能指标做出决定，而这些指标根本不能反映材料对所发生的那种类型的失效的抗力。另一种情况是，尽管预先对零件的失效形式有较准确的估计，并提出了相应的性能指标作为选材的依据，但由于考虑到其他因素(如经济性、加工性能等)，采用了不很合适的代用材料，因而导致了失效。2.3.2.2材料、制造工艺与零件失效零件的失效原因还与材料的内在质量以及机械制造工艺质量有关。a.冶金质量材料的冶金质量是机件能否长期正常工作的重要因素，钢铁材料的冶金缺陷，例如，夹杂物、气孔、疏松、白点、残余缩孔、成分偏析等等，是零件的内伤。b.机械制造工艺缺陷每个零件都要经过一系列加工工艺而制成，无论哪一种加工工艺(铸造、锻造、焊接、热处理、切削加工、磨削等)，如果操作不当，都会造成工艺缺陷，并可能成为零件失效的原因。因为制造工艺不当可能从以下几个方面影响产品的质量:产生工艺裂纹；造成高的残余内应力；形成不良的表面质量；不正常的组织状态；达不到要求的机械性能。紧配合零件的装配精度不够，机器运转时会引起松动，致使相配零件之间产生撞击和噪声，从而加速零件的失效进程。例如，紧配合零件之间因有微小的相对运动，而产生摩擦腐蚀(或叫微动损伤、咬蚀)等。2.3.3使用、维修与零件失效机器的使用和维修状况也是失效分析必须考虑的一个方面。机器在使用过程中超载使用，润滑不良，清洁不好，腐蚀生锈，表面碰伤，在共振频率下使用，违反操作规程，出现偶然事故，没有定期维修或维修不当等，都会造成零件的早期破坏。如曾经对某发动机疲劳断裂的50根曲轴进行分析，结果表明，其中40根曲轴疲劳断裂是由于修复后，轴颈圆角半径太小(3mm，设计要求6mm)造成的。又如绞吸式挖泥系统齿轮箱因使用不当、润滑不良和冷却不力而失效。该齿轮组的三个齿轮均由l2CrNi3A钢制造，经渗碳淬火并低温回火处理，深层大于lmm。该齿轮组工作11OOh后失效，失效表现为粘着磨损和划伤；齿面烧伤和熔融；齿顶塑性变形，齿面金属沿滑动方向流动，被挤到齿顶之上达2mm左右，以及过载折齿和疲劳折齿等。经检查表明，断齿表层金相组织为回火屈氏体加分散状或断续网状碳化物，证明齿轮工作过程中曾严重发热，模拟试验证明温度达550。该齿轮组传递载荷较高，工作条件苛刻，属重载齿轮。其失效与润滑条件和材料强度密切相关。当二啮合齿之间能形成弹性流体动压油膜时，可避免齿面金属直接接触，轮齿表面最大单位压力将大大降低，从而可明显改善齿面损伤情况。但是按润滑条件进行的计算表明，齿轮啮合时，齿面间不能形成弹性流体动压油膜，处于边界润滑状态，因此在高速重载运行条件下，产生大量摩擦热，更兼冷却不力，造成表层局部升温，极易发生粘着磨损、齿面烧伤和塑性流动等损伤。如果这种状态不能及时得到改善，损伤将继续发展、加剧，并诱发其他问题，如噪音、震动、折齿等。上述分析表明，使用和维修不当是造成机械零件失效的重要原因。2.4 机构失效模式 与结构相比，机构除承受载荷之外，主要用于传递运动。由于机构形式多样、系统构造复杂，故失效模式较多、失效机理复杂，主要失效模式如表2.2所示。表2.2 机构失效模式分类 机构失效模式一般都与下列几种元件失效形式密切相关。2.4.1 过量弹性变形失效机构元件受机械应力或热应力作用产生弹性变形，应力与应变之间服从Hooke定律： （2-4）式中为弹性模量。这种变形为弹性变形，是受力作用时的必然结果，一般不会引起麻烦。但在一些精密机构中，对机构的尺寸和匹配关系要求严格，当弹性变形超过规定的限量(在弹性极限以内)时，会造成机构的不正常匹配关系。例如，航天火箭中惯性制导的陀螺元件，如果对弹性变形问题处理不当，就会因漂移过大而失效。热胀冷缩是人们所共知的自然现象。线膨胀系数就是表征材料这一特性的参数。不同材料具有不同的线膨胀系数。如果材料匹配不当，在温度改变时就可能引起麻烦。例如，钢的线膨胀系数约为12×10-6，是青铜的一半，如果用2Crl3不锈钢作轴套，用青铜作轴瓦，这样的结构在常温下可以很好地工作，但当温度很低时，就会因轴套的收缩远小于轴瓦的收缩而发生抱轴现象。工作载荷和(或)温度使零件产生的弹性变形量超过零件匹配所允许的数值时，就将导致弹性变形失效。2.4.1.1特征及判断弹性变形失效的判断往往比较困难。这是因为，虽然应力或(和)温度在工作状态下曾引起变形并导致失效，但是在解剖或测量零件尺寸时，变形已经消失。为了判断是否因弹性变形引起失效，要综合考虑以下几个因素:(1)失效产品是否有严格的尺寸匹配要求，是否有高温或低温工作经历。(2)在失效分析时，应注意观察在正常工作下相互接触的配合表面上是否有划伤、擦痕或磨损等痕迹。例如，高速旋转的转子，在离心力及温度的作用下，会弹性胀大，当胀大量大于它与壳体的间隙时，就会引起表面擦伤。因此，己观察到了这种擦伤，而在不工作时却仍保持有正常的间隙，则这种擦伤就可能是由弹性变形造成的。(3)在设计时是否考虑了弹性变形(包括热膨胀变形)的影响，并采取了相应的措施。(4)通过计算来验证是否有弹性变形失效的可能。2.4.1.2防止措施由应力和(或)温度引起的弹性变形而导致失效的责任，几乎全部在于设计者的考虑不周、计算错误或选材不当，故防止措施主要应从设计方面考虑。a.选择合适的材料或结构如果由机械应力引起的弹性变形是主要问题，则可以根据具体的要求选用适当的材料。例如，宇航惯性制导的陀螺平台选用铍合金制造，就是因为其弹性模量高，不容易引起弹性变形。铍的弹性模量为铝的4倍、钢的1.5倍。如果考虑到相对密度，则铍的刚度为铝或钢的6倍多。在空间允许的情况下，也可以采用增加截面积、降低应力水平的办法来减小弹性变形。如果热膨胀变形是主要问题，则可以根据实际需要采用热膨胀系数适合的材料。b.确定适当的匹配尺寸由应力和温度引起的弹性变形量是可以计算的。这种尺寸的变化应当在设计时加以考虑。在很低温度下工作的机件，是在常温下制造、测量和装配的，因此，其间隙不仅应保证在常温下正常工作，而且还要确保在低温下尺寸变化后仍能正常工作。对于几何形状复杂、难于计算的零件可通过试验来解决。c.采用减少交形影响的转接件在许多系统中，采用软管等柔性构件，可以显著减少弹性变形的有害影响。2.4.2 屈服失效零件受力后，应力较低时产生弹性变形，当外力增大到一定程度时，将产生不可恢复的变形塑性变形。在零件正常工作时，塑性变形一般是不允许的，它的出现说明零件受力过大。但也不是出现任何程度的塑性变形都一定导致失效。由过量塑性变形引起的失效称为屈服失效。 2.4.2.1特征及判断屈服失效的特征是失效件有明显的塑性变形。塑性变形很容易鉴别，只要将失效件进行测量或与正常件进行比较即可确定。严重的塑性变形(如扭曲、弯曲、薄壁件的凹陷等变形特征)用肉眼即可判别。2.4.2.2过载压痕损伤屈服失效的一种特殊形式如果在两个互相接触的曲面之间，