基于机理模型和<strong>TRIZ</strong>工具逆用的失效预测研究

基于机理模型和TRIZ工具逆用的失效预测研究

薛润泽,张换高,张淼淼,王赛

Research on failure prediction based on mechanism models and inverse application of TRIZ tools

Runze XUE,Huangao ZHANG,Miaomiao ZHANG,Sai WANG

表15 基于单个机理模型的失效查询（运行流程功能）

Table 15 Failure query based on single mechanism model (operation process function)

功能描述

公式

参数

参数变化主机理

引起的失效

刀片镗削工件

切削力：

$\begin{array}{l} F_{t} = K_{c} a_{p} f \\ F_{f} = α F_{t} \\ F_{r} = β F_{t} \end{array}$

周期性激励力：

$F (t) = F_{r} (1 + s i n ω t)$

注：F_r引发弯曲振动，影响大；F_t引发扭转振动，影响不大，可忽略

主切削力F_t、主切削力系数K_c、切削深度a_p、进给量f、典型经验系数α（约为0.3）、经验系数β（约为0.2）、进给力F_f、径向力F_r、工件转动角速度ω

K_c（材料性质）、a_p（加工参数设定）、f（人工设定）、ω（人工设定）

①工件材料变化导致主切削力系数过大，或设置的切削深度和进给量过大，使主切削力显著增大，从而导致刀具崩刃或设备过载停机；②主切削力增大导致径向力增大，造成镗杆弯曲振动增强，进而产生颤振，降低加工精度和工件表面质量；③人工设置的激励频率与系统固有频率接近，产生共振，导致振动加剧及刀具寿命急剧下降

减振块挤压橡胶衬套

相对位移：

$Δ x = x_{1} - x_{2}$

弹性力：

$F_{k} = k Δ x$

弹性能量：

$E_{k} = \frac{1}{2} k {(Δ x)}^{2}$

刚度：

$k = \frac{A E}{h}$

相对位移

Δ x

、镗杆位移x₁（橡胶衬套位移）、减振块位移x₂、弹性力F_k 、橡胶衬套等效刚度k、弹性能量E_k 、橡胶衬套受力面积A、橡胶的弹性模量E、橡胶厚度h（压缩方向的原始长度）

Δ x

（外部激振和结构安装偏差）、A（生产制造）、E（材料、温度、时间）、h（生产制造）

①外部激励过大，使得相对位移长期过大，导致橡胶疲劳、开裂、永久变形，失去缓冲功能；②安装时减振块过度挤压橡胶衬套，导致其无法产生相对位移，失去减振功能；③生产制造时A偏小或h偏大导致刚度降低，致使弹性变形量增大，进而引发结构接触或摩擦；④生产制造时A偏大或h偏小导致刚度过高，失去减振作用；⑤随着使用时间的增加，橡胶材料老化，弹性力过大，导致失去减振缓冲作用，振动和冲击直接传递到结构；⑥高温环境导致橡胶材料软化，致使弹性模量和刚度下降，造成结构支撑不足和位移增大，影响加工精度

阻尼液摩擦减振块

相对速度：

$v = {\dot{x}}_{1} - {\dot{x}}_{2}$

黏滞阻尼力：

$F_{d} = c v = c ({\dot{x}}_{1} - {\dot{x}}_{2})$

耗散功率：

$P = F_{d} v = c v^{2}$

阻尼系数：

$c = \frac{12 π η R^{3} L}{d^{3}}$

相对速度v、镗杆速度

{\dot{x}}_{1}

、减振块速度

{\dot{x}}_{2}

、阻尼力F_d、阻尼液的等效阻尼系数c、耗散功率P、阻尼液的动力黏度η、腔体半径R、有效阻尼接触长度L、减振块与腔体之间的径向间隙d

v（外部激振）、η（温度）、R（生产制造）、L（生产制造）、d（生产制造）

①未及时冷却，致使阻尼液温度过高，黏度降低，进而使阻尼系数下降，导致振动能量耗散不足、振动幅值增大，并加剧结构疲劳；②生产制造时R或L偏小导致阻尼不足，振动控制失效；③生产制造时d过大，阻尼系数下降，失去减振效果