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TPM设备故障原因和模式

来源/作者:TPM咨询服务中心 丨 发布时间:2017-08-02 丨 浏览次数:

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  (1)设备故障原因机理
  
  设备的零部件在运行中受到物理、化学、力学和电学过程的作用发生变化,即是形成故障的原因。其中可分为故障的主体原因和故障的外在原因:
  
  设备故障原因--设备的构件在设计及制造中,强度、几何尺寸、制造缺陷及存在内应力等潜在因素。
  
  故障的外在原因--工作条件,如载荷、温度、介质、电压、电流、负荷变化及頻率;工作环境,如粉尘、潮湿、气候等;人为失误,如安装调整、损坏性维修、润滑不良以及操作失误等。
  
  当设备运行中,其缺陷在外在因素影响下,逐渐扩展直至破坏,或者其负荷超过设备的承受能力而引起故障以至失效。故障的产生发展是个复杂的变化过程,可能一种主要原因造成的,也可能是多种原因叠加或者相互作用造成的。
  
  (2)宏观原因
  
  从宏观上看,设备发生故障的原因有:
  
  1)设计错误
  
  应力过大,应力集中,材料、配合、润滑方式选用不当,对使用条件、环境影响考虑不周。
 
设备故障原因
设备故障原因
  
  2)原材料缺陷
  
  材料不符合技术条件,铸锻件有缺陷,热处理缺陷等
  
  3)制造缺陷
  
  机加工、压力加工和装配缺陷,焊接缺陷、热处理变形等。
  
  4)运转中的问题
  
  没有预料到的使用条件影响,已知使用条件发生变化,过载、过热、腐蚀、润滑不良、操作失误、维护不当、修理不当等。
  
  (3)微观原因
  
  从微观上看,发生机械故障的原因在于设备中零件的强度因素与应力因素和环境因素不相适应。下面简单介绍各种机械故障模式。
  
  1)弹性变形失效
  
  当工作载荷和温度使零件配合所使用的数值时,就将导致弹性变形失效。例如用2Cr13不锈钢做袖套,用青铜做轴瓦,这样的材料匹配在常温下可以很好工作,但在极低温度下,由于两者的线膨胀系数差别甚大,引起抱轴现象。这种弹性变形失效的判断往往是困难的。主要是因为,虽然应力或温度在工作状态下会使零件弹性变形并导致失效,但是在解体或测量零件时,变形已经恢复。导致弹性变形失效的原因,几乎全部是设计者考虑不周,计算错误或选材不当所致。
  
  2)屈服失效
  
  由于塑性变形引起的失效叫作屈服失效。零件发生塑性变形是由于零件在某个部位所承受的实际应力大于材料的屈服强度。如果在两个互相接触的曲面之间存在的接触应力,超过了材料的接触强度,可使匹配的一方或双方产生局部屈服形成局部的凹陷,严重者会影响其正常工作。这种情况称为过载压痕损伤,它是屈服失效的一种形式。例如滚珠轴承在开始运转前,如果静载荷过大,滚珠将压入滚道使其型面受到破坏,这样的轴承在以后的工作中就会使振动加剧而导致早期失效。过载压痕损伤往往是作为其他失效模式如磨损、接触疲劳等的前奏或诱因出现,较少作为单独的失效模式出现。
  
  3)塑性断裂失效
  
  塑性断裂又称韧性断裂、延性断裂。当零件所受实际应力大于材料的屈服强度时,将产生塑性变形。如果应力进一步增加,而该零件与其他零件的匹配关系又允许时,就可能发生破裂。这种失效模式称为塑性断裂失效。塑性断裂的特点是在零件断裂之前有一定程度的塑性变形,断口四周有与零件表面呈45o角的剪切唇,断口粗糙,色泽灰暗,呈纤维状。
  
  4)脆性断裂失效
  
  脆性断裂包括静载及冲击下的脆性断裂、氢脆断裂、应力腐蚀开裂等。静载及冲击下的脆性断裂过程由开裂的裂纹扩展两个阶段所组成,当开裂后,裂纹即以极高速度扩展,断裂前无任何预兆,突然发生灾难性的破坏。脆性断裂的微裂纹形成机理和微裂纹成核后裂纹的扩展是个非常复杂的问题,目前仍不是完全清楚。
  
  促使静载及冲击条件下发生脆性断裂的外部因素有:
  
  低温:在金属与合金中,除具有面心立方晶格的结构外,都有随温度而出现的塑性脆性转化现象。当高于脆性转化温度时,断裂呈塑性,而低于该温度时,断裂呈脆性;
  
  高的变形速度:冲击载荷比静载荷更容易使金属材料发生脆断;
  
  应力状态:三向拉应力容易使有色金属零件发生脆断。
  
  从材料本身来看,引起脆断的因素有:
  
  材料的热处理状态与脆断的倾向性有密切关系,例如过热、回火脆性、时效脆性等都可使金属构件发生脆性断裂;
  
  晶粒度大的材料容易脆断;
  
  表面划伤、缺口等缺陷使脆断倾向性增加;
  
  残余拉应力高的零件容易脆断。
  
  脆性断裂的主要特征是:
  
  零件断成两部分或碎成多块;
  
  断裂后的碎片能很好的拼凑复原,断口能很快吻合。在断口附近,没有宏观的塑性变形迹象;
  
  断口与正应力方向垂直,断口的源区边缘无剪切唇;
  
  断口呈细瓷状,较亮。
  
  5)疲劳断裂失效
  
  疲劳断裂失效是指金属材料在低于拉伸强度极限的交便应力的反复作用下,缓慢发生和扩张并导致突然破坏的断裂现象。疲劳断裂在所有金属构件端裂中占主要地位。
  
  疲劳断裂过程跟一般的静力断裂过程不同,它是损伤累积以至构件突然断裂的过程。在恒应力或恒应变下,疲劳将有三个过程所组成:
  
  裂纹的形成;
  
  裂纹扩展到临界尺寸;
  
  余下断面的不稳定断裂。
  
  对于金属材料和机械零件来说,零件表面存在的各种冶金缺陷、加工缺陷、截面尺寸突变、表面硬化处理以及各种腐蚀缺陷,这些地方将产生较大的应力集中,有利于疲劳裂纹的产生。金属材料内部的第二相质点、非金属夹杂务、晶界及亚晶界、孪晶、疏松、孔洞、气泡等处,也常常是容易产生疲劳裂纹的区域。
  
  6)腐蚀失效
  
  金属表面与周围介质发生化学及电化学作用而遭到的破坏,成为金属的腐蚀失效。金属腐蚀一般可分为化学腐蚀和电化学腐蚀两大类。化学腐蚀是金属表面与介质发生纯化学作用而引起的损伤。它的特点是作用中没有电流产生。例如轧钢是生成厚的氧化皮,金属字有机液体(如酒精、石油等)中的腐蚀。电化学腐蚀是指金属表面与离子导电的介质因发生电化学作用而产生的损伤。它跟化学腐蚀的不同之处在于进行过程中有电流产生。例如金属在潮湿气体中的腐蚀,在电解液中的腐蚀等。
  
  化学或电化学作用均产生不同于原来金属的物质,叫做腐蚀产物。根据有无腐蚀产物的存在,就可判断是否发生腐蚀。
  
  腐蚀失效常与疲劳、磨损等共同作用,形成各种复合的失效模式。
  
  7)磨损失效
  
  磨损是伴随摩擦而产生的共同结果。它是相互接触的物体在相对运动中,表层材料不断发生磨损的过程或者产生残余变形的现象。磨损不仅是材料消耗,也使零件失效。磨损是零件失效的普通和主要形式,进而导致机械设备使用寿命降低和引发故障。尤其在现代工业自动化,连续化的生产中,某一零件磨损失效,就会影响全线的生产,影响企业经济效益。
  
  磨损是多因素相互影响的复杂过程。例如摩擦副的磨损程度同零件所用材料的性质、表面加工方法和质量,以及使用条件(载荷、温度、及润滑状态)等有关。磨损的结果使摩擦表面产生多种形式的破坏,因而磨损的形式也就相应不同。一般从磨损的破坏机理来分类,分为粘着磨损、磨料磨损、表面疲劳磨损腐蚀磨损、微动磨损五类。
  
  磨损失效判断,首先应确定失效零件是否具有受到磨损繁荣工作条件,再根据零件表面的相貌可色泽、形状和尺寸的变化等判断零件表面损伤是否属于磨损以及属于那种磨损类型。
  
  8)TPM管理咨询公司对于蠕变失效提到
  
  蠕变是金属零件在应力和温度繁的长期作用下,产生永久变形的失效现象。晶力沿晶界滑动产生形变是蠕变读主要机型理。
  
  因蠕变过程使预紧零件的尺寸产生变化而导致失效的现象称为热松弛。例如压力容器用于紧固法兰盘上的螺栓,在温度和应力的长期作用下,因蠕变而伸长,致使预紧力下降,可能造成压力容器的泄露。
  
  蠕变的最主要特征是永久变形的速度很慢。可以根据零件的具体工况来分析。是否存在产生蠕变的条件(温度、应力和时间)。没有适当的温度和足够的时间,不会发生蠕变和蠕变断裂。
  
  在蠕变断口的最终断裂区上,撕裂不如常温伸断口上的清晰。在扫描电镜下观察,蠕变断口附近的晶力形状往往不出现拉长的情况,而在高倍下,有时能见到蠕变空洞。
  
  除上述主要故障模式外,还有冲击微振幅射损伤等模式,在此不一一叙述。
  
  (4)设备故障原因模式
  
  每一种故障的主要表征成为故障模式,生产中常见的故障模式可以粗略分为异常震动、磨损、异常声响、腐蚀、渗漏、裂纹、疲劳、绝缘老化、油质劣化、材质劣化、松弛、异常温度、堵塞和剥离等情形,根据企业的统计情况。

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