《机电设备故障诊断与维修》（王仲）527-2 教案 第1课 绪论

PAGE2PAGE2PAGE3PAGE3《机电设备故障诊断与维修》教案课时分配表章节课程内容课时备注0绪论绪论21机电设备故障诊断技术任务1认识振动监测与诊断技术4任务2认识噪声监测与诊断技术2任务3认识温度监测技术22机械零件修复技术任务1认识机械修复技术2任务2认识电镀修复技术2任务3认识焊接修复技术2任务4认识其他常见修复技术23通用零件的故障诊断与维修任务1了解零件的拆卸与装配2任务2齿轮传动装置的故障诊断与维修2任务3滚动轴承的故障诊断与维修2任务4轴的故障诊断与维修24液压系统的故障诊断与维修任务1液压系统的故障诊断2任务2液压泵的故障诊断与维修2任务3液压缸的故障诊断与维修2任务4液压控制阀的故障诊断与维修25数控机床的故障诊断与维修任务1数控机床的故障诊断与维修概述2任务2数控机床机械装置的故障诊断与维修2任务3数控机床数控系统的故障诊断与维修2任务4数控机床伺服系统的故障诊断与维修2合计42

课题绪论课时2课时（90min）教学目标知识技能目标：（1）了解机电设备故障的原因与类型（2）掌握机电设备的维修方式与类别（3）掌握失效形式及产生机理素质目标：能够意识到机电设备的应用价值，感受机电设备故障带来的不便，培养学生发现问题、总结反思的习惯，帮助学生树立责任意识、培养创新精神，使其能够跟上时代发展的步伐教学重难点教学重点：机电设备故障的原因、失效形式及产生机理教学难点：失效形式及产生机理教学方法案例分析法、问答法、讨论法、讲授法教学用具电脑、投影仪、多媒体课件、教材教学设计第1节课：→→→→传授新知（28min）第2节课：→传授新知（25min）→→课堂小结（3min）→作业布置（2min）教学过程主要教学内容及步骤设计意图第一节课课前任务【教师】布置课前任务，和学生负责人取得联系，让其提醒同学通过文旌课堂APP或其他学习软件，完成课前任务请大家了解当前机电设备在自动化行业的应用，以及机电设备常见故障现象。【学生】完成课前任务通过课前任务，使学生了解所学课程的重要性，增加学生的学习兴趣考勤

（2min）【教师】使用文旌课堂APP进行签到【学生】班干部报请假人员及原因培养学生的组织纪律性，掌握学生的出勤情况新课预热

（10min）【教师】自我介绍，与学生简单互动，介绍课程内容、考核标准等【学生】聆听、互动【教师】讲一些机电设备的应用场景，以及机电设备故障维修的重要性随着经济的不断发展，我国制造业得到了快速发展。而为了满足制造业快速发展的需要，现代化机电设备综合应用了多种新技术，机电设备故障诊断与维修工作的内容也由单一的机械、电气故障诊断与维修转向了复杂的机、电、液一体化故障诊断与维修，这就对故障诊断与维修人员提出了更高的要求。因此，理论扎实、技术全面的机电设备故障诊断与维修显得尤为重要。【学生】聆听、记录、理解通过老师自我介绍，与学生相互熟悉，并让学生了解这门课的大致要求问题导入（5min）【教师】提出以下问题：你见过哪些机电设备？其作用分别是什么？这些设备常见的故障现象有哪些？【学生】思考、举手回答通过问题导入的方法，引导学生主动思考，激发学生的学习兴趣传授新知

（28min）【教师】通过学生的回答引入新知，讲解机电设备故障的基本理论和失效形式及产生机理的相关内容一、机电设备故障的基本理论1.机电设备故障的原因与类型✈【多媒体】教师展示部分机电设备故障的图片或视频，然后讲解机电设备故障的原因机电设备是构成施工生产的重要因素，其在使用过程中，由于材料、工艺、环境条件和人为因素的影响，零部件会逐渐地磨损、变形、断裂、蚀损等。随着零部件破坏程度的逐渐增大，设备的技术状态将会劣化，设备的功能和精度将会降低，不可避免地将出现各种各样的故障，甚至整机丧失使用价值。机电设备在使用中出现的故障主要分为以下几个类型。①损坏型故障，如断裂、开裂、点蚀、烧蚀、变形、拉伤、龟裂、压痕等。②退化型故障，如老化、变质、剥落、异常磨损等。③松脱型故障，如松动、脱落等。④失调型故障，如压力过高或过低、行程失调、间隙过大或过小、干涉等。⑤堵塞与渗漏型故障，如堵塞、漏水、漏气、渗油等。⑥性能衰退或功能失效型故障，如功能失效、性能衰退、过热等。2.机电设备的维修方式与类别✈【教师】开展“你问我答”互动式讲授机电设备的维修方式✈【学生】聆听、积极问答1）机电设备的维修方式机电设备常用的维修方式包括事后维修、预防维修、可靠性维修、改善性维修和无维修设计。事后维修：指机电设备发生故障之后所进行的修理，又称故障维修、损坏维修或非计划性维修。预防维修：指在机电设备发生故障之前进行的维修。由于预防维修可以订出计划，因此又称其为计划预修。预防维修又可分为定期维修和状态监测维修两种。可靠性维修：指以可靠性为中心的维修。这种维修以可靠性理论为基础，通过分析和试验，科学地制订出维修内容、方法和使用期限，以最低维修费用来保持和恢复设备的固有可靠性。改善性维修：指为防止故障重复出现而对机电设备的技术性能加以改进的一种维修。无维修设计：指针对机电设备维修过程中经常遇到的故障，在新设备的设计中采取了改进措施以加以解决，尽可能降低维修工作量，甚至不需要维修。2）机电设备的维修类别✈【教师】提出问题请依据课前预习及生产实际，说出机电设备的维修类别？✈【学生】聆听、思考、回答✈【教师】总结学生的回答机电设备的维修类别是根据修理内容、技术要求和工作量大小划分的，具体可分为小修、项修和大修三种类型。小修：指根据机电设备日常检查或其他状态检查中所发现的设备缺陷或劣化征兆，在故障发生之前及时进行排除的修理，属于预防修理范围，工作量较小。小修又称日常维修。项修：指项目修理，又称为针对性修理。项修是为了使设备处于良好的技术状态，对设备精度、性能、效率达不到工艺要求的某些项目或部件，按需要所进行的具有针对性的局部修理。大修：指以全面恢复设备工作精度、性能为目标的一种计划修理。✈【多媒体】教师展示几张不同类型的机电设备故障场景图片，帮助学生深入了解机电设备故障的特点【教师】对照多媒体图片，讲授机电设备故障特点【学生】聆听、思考3.机电设备故障的特点1）层次性机电设备一旦表现出某种故障现象，便需要追查引起这种故障的原因。但有些故障原因往往源于更深层的故障，因此表现出故障的多层次性。2）多样性机电设备的结构各不相同，制造、安装过程也存在差异，加上使用环境的不同，便导致了其在运行期间可能会产生各种各样的故障。3）相关性机电设备各个元件之间，或者设备与设备之间是相互联系的，一个元件或一台设备发生故障后，也会引起其他元件或设备发生故障，即表现出故障的相关性。4）不确定性一种故障现象可能由多种故障原因引起；反之，一种故障原因也会表现出多种故障现象。因此故障的发生和现象都具有不确定性，从而增加了故障诊断和维修的难度。5）延时性机电设备在运行过程中，其零部件不断受到冲击、摩擦、磨损和腐蚀等因素的作用，会发生振动、偏移、变形和断裂，促使设备状态不断劣化，劣化状态发展到一定程度就会表现出机械功能失常或完全丧失。所以故障的形成是由一个个缺陷不断积累、状态不断劣化、从量变到质变的过程。故障形成的延时性促使人们应尽早发现隐患，采取相应的预防措施，以减小故障严重时所带来的损失。6）维修性机电设备在规定条件、规定时间内，按规定的程序和方法进行维修时，保持或恢复到规定状态的能力称为维修性。维修性反映发生故障后进行维修的难易程度，是维修需要付【资料卡】提高维修性的方法主要包括：①简化机电设备结构；②提高维修的可操作性；③保证维修操作安全；④零部件采用无维修设计；⑤零部件和连接件易拆装。二、失效形式及产生机理✈【多媒体】教师展示几张不同类型的机电设备故障场景图片【教师】对照多媒体图片，剖析机电设备故障的原因，指出零部件的失效形式【学生】观看、聆听、思考一般机械零件的失效形式是按失效件的外部形态特征来分类的，大体包括磨损、腐蚀、变形以及断裂等4种常见的、有代表性的失效形式，在生产作业中，最主要的失效形式是零件工作表面的磨损失效；而最危险的失效形式是瞬间出现裂纹和破断，它们统称为断裂。1．磨损零件的摩擦表面上出现材料耗损的现象称为零件的磨损，磨损可以是材料组织结构的损坏，也可以是尺寸、形状及表面粗糙度的变化。一般机电设备中大部分的零件都是因磨损而失效报废的。✈【多媒体】教师展示“零件的磨损过程”图片（详见教材），并讲解磨损不同阶段的相关内容【教师】图文展示+板书，讲授磨损的过程【学生】聆听、理解1）磨损的过程在机电设备正常运转时，其零件的磨损过程可分为磨合阶段、稳定磨损阶段和剧烈磨损阶段三部分。（1）磨合阶段磨合阶段发生在机电设备使用初期。这一阶段的磨损特征是在短时间内磨损量增长较快。表面粗糙、润滑不良或载荷较大，都会加速磨损。磨合阶段结束后，应清除机电设备摩擦副中的磨屑，更换润滑油，这样才能使其满负荷正常使用。（2）稳定磨损阶段稳定磨损阶段的磨损量随着时间的延长而均匀、缓慢地增长，属于自然磨损。在磨损量达到极限之前的这一段时间是零件的磨损寿命，它与摩擦表面的工作条件、技术维护的好坏关系极大。若保养得当，则可延长磨损寿命，从而提高机电设备的可靠性与有效利用率。（3）剧烈磨损阶段剧烈磨损阶段的特征是当零件表面磨损量超过极限值后，若继续摩擦，其磨损强度急剧增加，最终机电设备会出现故障或事故。因此，当零件表面的磨损量达到极限值时，就应停止使用，并采取调整、维修或更换等措施，防止机电设备故障与事故的发生。✈【分组讨论】教师组织学生分组学习讨论，参考教材总结出磨损的类型✈【教师】巡回指导，查看各小组讨论情况✈【学生】分组讨论，总结【学生】聆听、思考、理解、记录多媒体展示较为直观，更有利于学生理解采用师生互动的方式讲授概念性知识，有利于提高学生学习积极性，活跃课堂氛围以学生为中心，教师指导，有利于发挥学生的主观能动性视频演示不仅可以提高学生学习兴趣，还可以将枯燥的知识点有趣化，有利于学生学习图片展示更能形象地描述零部件的失效形式第二节课分组汇报（15min）【教师】主持各组汇报次序【学生】分组汇报关于磨损类型的讨论结果【教师】总结各组发言，并讲解1．磨损2）磨损的类型按零件摩擦表面破坏的机理和特征不同，磨损可以分为黏着磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损、磨料磨损和微动磨损。（1）黏着磨损✈【多媒体】教师展示“黏着磨损的产生机理”的图片（详见教材），并讲解黏着磨损的相关内容当构成摩擦副的两个摩擦表面相互接触并发生相对的运动时，由于黏着作用，接触表面的材料从一个表面转移到另一个表面所引起的磨损称为黏着磨损。两个金属零件表面的接触，实际上是微凸体之间的接触，其实际的接触面积很小。接触点在法向载荷作用下的压力很大，会使金属表面膜破裂，两表面的裸露金属直接接触，并在接触点上发生黏着。当两表面进一步相对滑动时，黏着点便发生剪切及材料转移现象。随着时间推移，材料最终会从在表面上脱落下来，形成磨屑。减少黏着磨损的措施有以下几点。①适当润滑，如在齿轮传动中加入润滑油及必要添加剂。②选择互溶性小的材料配对，如利用铅、银等在铁中溶解度小的特点制造轴瓦。③金属与非金属配对，如采用优质塑料、石墨等材料作为耐磨层。④进行适当的表面处理，如表面淬火、渗氮处理、硫化处理等。（2）疲劳磨损摩擦表面材料微观体积受循环接触应力作用产生重复变形，导致产生裂纹和分离出微片或颗粒的磨损称为疲劳磨损。疲劳磨损的过程便是裂纹产生和扩展的破坏过程。根据裂纹产生位置的不同，疲劳磨损又可分为滚动接触疲劳磨损和滚滑接触疲劳磨损两种情况。减少疲劳磨损的措施有以下几点。①适当润滑。②进行适当的表面处理。③提高表面加工质量，如降低表面粗糙度和形状误差。④选择适当硬度的材料，如硬度为62HRC的轴承钢。⑤减少材料中的脆硬性夹杂物。（3）腐蚀磨损在摩擦过程中，金属会与周围介质发生化学反应或电化学反应，从而导致表面的腐蚀产物剥落，这种现象称为腐蚀磨损。按腐蚀介质类型的不同，腐蚀磨损可分为氧化磨损和特殊介质下的腐蚀磨损两大类。……（详见教材）（4）磨料磨损✈【多媒体】教师展示“磨料磨损的产生机理”和“磨料磨损的特征”的图片（详见教材），并讲解磨料磨损的相关内容磨料磨损又称磨粒磨损，它是当摩擦副的接触表面之间存在着硬质颗粒，或者当摩擦副材料一方的硬度比另一方的硬度大得多时，所产生的一种类似金属切削过程的磨损。磨料磨损的特征是在接触表面上有明显的切削痕迹。减少磨料磨损的措施主要有以下几点。①对进入机电设备中的空气、油料等进行过滤，并经常清洗、换油。②提高摩擦副表面的制造精度。③进行适当的表面处理。（5）微动磨损微动磨损是两固定接触面上出现相对小幅振动而造成的表面损伤，主要发生在宏观相对静止的零件结合面上。其主要危害是使配合精度下降，紧配合的机体变松，更严重的是引起应力集中，导致零件疲劳断裂。减少微动磨损的措施主要有以下几点。①提高材料硬度及选择适当的材料配副。②让机电设备在规定载荷内工作，如图0-6所示为微动磨损和载荷之间的关系。③减小振幅。④进行适当的表面处理。【学生】聆听、思考、理解、记录通过分组汇报，提高学生的参与度与学习积极性传授新知

（25min）【教师】讲解腐蚀、变形和断裂的相关内容1．腐蚀腐蚀是金属受周围介质的作用，而引起损伤的现象，这种损伤是金属零件在某些特定的环境下，发生化学反应和电化学反应的结果。腐蚀损伤总是从金属表面开始，然后或快或慢地往里深入，造成表面材料损耗，表面质量破坏，内部晶体结构损伤，使零件出现不规则形状的凹洞、斑点等破坏区域，最终导致零件的失效。✈【多媒体】教师展示“腐蚀的分类”的图片（详见教材），并讲解化学腐蚀和电化学腐蚀的相关内容腐蚀按其作用和机理的不同，分为化学腐蚀和电化学腐蚀两大类。化学腐蚀是金属与外部介质直接起化学作用，引起表面的破坏。电化学腐蚀与化学腐蚀的区别是在腐蚀过程中有电流的产生。✈【教师】教师开展“你问我答”活动，介绍减少腐蚀的措施✈【学生】积极参与，踊跃抢答减少腐蚀的措施主要有以下几点。①选择耐腐蚀的材料，如合金钢、塑料、陶瓷。②合理设计，做到结构合理、外形简化、表面粗糙度合适。③覆盖保护层，改变其表面结构，使金属与介质隔离。④电化学保护，即对被保护的机电设备通以直流电进行极化，消除或减少被保护金属表面的腐蚀电池作用。⑤在腐蚀性介质中添加缓蚀剂，如硝酸钠、生物碱等，降低其腐蚀速度。⑥改变环境条件，合理通风、除湿、除硫。2．变形机电设备中的零件或构件在外力的作用下，会产生形状或尺寸的变化，这种现象称为变形。过量的变形是机电设备失效的主要原因，也是判断韧性断裂的明显征兆，如各类传动轴的弯曲变形、汽车大梁的扭曲变形、弹簧的变形等。变形随着时间的增加，逐渐改变零件或构件的初始参数。当超过允许极限时，零件将丧失规定的功能。根据外力去除后变形能否恢复，零件或构件的变形可分为弹性变形和塑性变形两类。✈【多媒体】教师展示“弹簧的弹性变形”“轴的塑性变形”的图片（详见教材），并讲解弹性变形和塑性变形的相关内容【教师】对比法讲解弹性变形和塑性变形【学生】聆听、思考1）弹性变形弹性变形是金属零件在作用应力小于材料屈服强度时产生的变形。当外力去除后，零件变形消除，可恢复原状。但如果材料在使用过程中产生了超量弹性变形，则会影响零件正常工作。因此，在机电设备运行中，防止超量弹性变形是十分必要的。除了正确设计外，正确使用也十分重要，应严防超载运行，注意运行温度规范，防止热变形等。2）塑性变形塑性变形即永久变形，是不可恢复的变形。塑性变形具有以下几个特点。①能引起材料的组织结构和性能的变化。②塑性变形使原子活泼能力提高，造成金属的耐腐蚀性下降。③多晶体在塑性变形时，各晶粒之间及同一晶粒内部的变形是不均匀的，当外力去除后各晶粒的弹性恢复也不一样，因而会产生内应力。④较大的塑性变形会使多晶体的各向同性遭到破坏而表现出各向异性，使金属产生加工硬化现象。【资料卡】金属零件的塑性变形从宏观形貌特征上看，主要分为翘曲变形、体积变形和时效变形三种形式。✈【多媒体】教师展示“减少塑性变形的措施”的表格（详见教材），并讲解设计、制造、使用和维修方面减少塑性变形的措施3．断裂【教师】PPT视频图片辅助讲解，几种断裂形式对比讲解【学生】聆听、理解断裂是零件在机械、热、磁、腐蚀等单独作用或者联合作用下，其本身连续性遭到破坏，发生局部开裂或分裂成几部分的现象。根据零件断口宏观形态的不同，断裂可分为延性断裂和脆性断裂；根据零件断口微观形态的不同，断裂可分为穿晶断裂和晶间断裂；根据载荷性质的不同，断裂可分为一次加载断裂和疲劳断裂。✈【多媒体】教师展示“延性断裂”“脆性断裂”的图片（详见教材），并讲解两种断裂形式的相关内容1）延性断裂延性断裂是伴随明显塑性变形而形成延性断口（断裂面与拉应力垂直或倾斜，其上具有细小的凹凸，呈纤维状）的断裂。在延性断裂中，断裂之前会发生广泛的塑性变形（颈缩）。延性断裂描述了承受张力的韧性材料的最终失效。材料不会破裂，而是“拉开”，通常会留下粗糙的表面。在这种情况下，断裂之前存在长度缓慢增长和能量大量吸收的现象。2）脆性断裂脆性断裂是指零件未经明显的变形而发生的断裂，断裂时材料几乎没有发生过塑性变形，断裂后常形成碎片。零件因制造工艺不合理，或因使用过程中受到有害介质的侵蚀，或因环境不适，都可能使材料变脆，发生突然断裂。【视野拓展】20世纪50年代，美国发射北极星导弹，其固体燃料发动机壳体，采用了超高强度钢制造，屈服强度为1400MPa，按照传统强度设计与验收时，其各项性能指标都符合要求，设计时的工作应力远低于材料的屈服强度，但点火不久，便发生了爆炸。……（详见教材）3）疲劳断裂零件或构件在交变载荷作用下发生断裂破坏而失效的现象称为疲劳断裂，又称为机械疲劳。其中，交变载荷是指载荷大小和方向随时间发生周期性变化的载荷。疲劳断裂是工程结构和机械零件中普遍存在而且严重的失效形式，在实际当中占较大比例。一般疲劳断裂过程经历三个阶段，即疲劳裂纹的萌生阶段、疲劳裂纹的扩展阶段、瞬时断裂阶段。这三个阶段在零件的疲劳断口处形成三个不同的区