寧長亭

【摘 要】機(jī)械零件由于某些原因不能在既定的工作條件和使用期限內(nèi)正常工作，即喪失工作能力或達(dá)不到設(shè)計(jì)功能的現(xiàn)象，稱為失效。主要失效形式大致有以下四種。

【關(guān)鍵詞】機(jī)械零件；設(shè)計(jì)標(biāo)致研究；機(jī)械零件的主要失效形式

1.失效形式大致分為

1.1斷裂

零件在承受過大載荷時(shí)，某一危險(xiǎn)截面的應(yīng)力超過零件的強(qiáng)度極限時(shí)，會(huì)發(fā)生斷裂，這種斷裂稱為過載斷裂；若受變應(yīng)力長期作用而發(fā)生的斷裂，稱為疲勞斷裂。疲勞斷裂是多數(shù)機(jī)械零件的主要失效形式。斷裂是零件的嚴(yán)重失效形式，它不僅使零件喪失工作能力，有時(shí)會(huì)造成嚴(yán)重的人身傷害和設(shè)備損壞事故，應(yīng)力求避免。

1.2表面失效

由于機(jī)械中各零件結(jié)合面之間都是靜和動(dòng)的接觸關(guān)系，載荷作用于接合表面，摩擦發(fā)生于接合表面，環(huán)境介質(zhì)也包圍于零件工作表面，故零件的損傷與失效常發(fā)生于工作表面。表面失效主要有疲勞點(diǎn)蝕、膠合、磨損、壓潰和腐蝕等。

1.3過量變形

零件受載后一般會(huì)產(chǎn)生彈性變形，過大的彈性變形會(huì)使零件或機(jī)器不能正常地工作；當(dāng)嚴(yán)重過載時(shí)，即當(dāng)應(yīng)力超過零件材料的屈服極限時(shí)，還可能產(chǎn)生塑性變形，這不僅會(huì)改變零件的尺寸和形狀，破壞零件間的配合關(guān)系，也會(huì)使零件失去工作能力。

1.4非正常工作條件的失效

有些零件只有在一定的工作條件下才能正常工作，否則就會(huì)失效。如摩擦傳動(dòng)的打滑、液體摩擦滑動(dòng)軸承油膜破壞等均為非正常工作條件的失效。

2.機(jī)械零件的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

進(jìn)行機(jī)械零件設(shè)汁時(shí)，必須根據(jù)零件的失效形式分析失效的原因。在不發(fā)生失效的條件下，零件所能安全工作的限度，稱為工作能力或承載能力。對(duì)于具體的零件，其失效形式取決于受載情況、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作條件。針對(duì)不同失效形式建立的判定零件工作能力的條件，稱為于作能力計(jì)算準(zhǔn)則，或簡稱為計(jì)算準(zhǔn)則。由于計(jì)算中經(jīng)常要作出設(shè)計(jì)，因此也稱為設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。設(shè)計(jì)準(zhǔn)則主要包括以下四種。

2.1強(qiáng)度條件

強(qiáng)度是零件抵抗整體斷裂、塑性變形和表面失效（磨粒磨損及腐蝕除外）的能力，強(qiáng)度計(jì)算是零件應(yīng)滿足的基本要求。保證零件強(qiáng)度的計(jì)算條件為：

2.2剛度條件

（1-1）

2.3耐磨性條件

機(jī)械中凡是具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)或相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢的接觸表面都存在摩擦。摩擦表面物質(zhì)在相對(duì)運(yùn)動(dòng)中不斷損耗，造成形狀和尺寸逐漸改變的現(xiàn)象稱為磨損。

2.3.1磨損的過程

一般情況下，零件的磨損過程大致可以分為三個(gè)階段。①磨合磨損階段（OA段），是新機(jī)械在運(yùn)轉(zhuǎn)初期，通過逐漸增大載荷，快速磨去零件制造時(shí)表面遺留下來的波峰尖部，隨著波峰的降低，接觸面的實(shí)際面積增大，磨損速度逐漸減緩，零件進(jìn)入穩(wěn)定磨損階段。②穩(wěn)定磨損階段（AB段），零件的磨損是緩慢而穩(wěn)定的，其對(duì)應(yīng)的時(shí)間就是零件的使用壽命。③劇烈磨損階段（BC段），組成摩擦副的零件間的間隙明顯增大，溫升劇增，機(jī)械效率大幅度下降，并伴有異常的振動(dòng)和噪聲，此時(shí)應(yīng)立即檢修，更換零件。以上是正常情況下的磨損過程。但如果摩擦表面壓強(qiáng)過大、相對(duì)速度過高、潤滑不良時(shí)，則磨合期和穩(wěn)定磨損期甚短，會(huì)立即轉(zhuǎn)入劇烈磨損階段，使零件過早報(bào)廢。

2.3.2磨損的類型

按照破壞機(jī)理分為磨粒磨損、黏著磨損（也稱膠合）、表面疲勞磨損（又稱疲勞點(diǎn)蝕）和腐蝕磨損四種基本類型。

2.3.3耐磨性計(jì)算

耐磨性是指做相對(duì)運(yùn)動(dòng)的零件丁作表面抵抗磨損的能力。由于磨損機(jī)理復(fù)雜，除疲勞磨損外，目前尚無公認(rèn)的定量計(jì)算方法，一般采用條件性計(jì)算。例如對(duì)于非液體摩擦，為了防止表面膜破壞而產(chǎn)生過度磨損，通常用限制摩擦副工作表面的壓強(qiáng)值的方法，振動(dòng)穩(wěn)定性是指防止高速運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)械及其零件發(fā)生共振，使其轉(zhuǎn)速避開共振區(qū)域。如果機(jī)械或零件的固有頻率等于或接近于激振源的強(qiáng)迫振動(dòng)頻率時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生共振.共振不僅影響機(jī)械的正常丁作，產(chǎn)生噪聲，而且還可能造成破壞性事故。

設(shè)計(jì)零件時(shí)，上述各項(xiàng)工作能力的計(jì)算不必全部進(jìn)行，應(yīng)視具體情況而定。一般根據(jù)一個(gè)或幾個(gè)可能發(fā)生的主要失效形式，運(yùn)用相應(yīng)的判定條件，確定零件的主要參數(shù)或基本尺寸。

3.機(jī)械零部件設(shè)計(jì)的一般步驟

當(dāng)機(jī)械的總體布置和傳動(dòng)方案已經(jīng)確定，力學(xué)分析已基本完成時(shí)，就要進(jìn)行零件的設(shè)計(jì)，其一般步驟如下：

3.1選擇材料

應(yīng)根據(jù)零件的工作要求和條件，綜合材料的機(jī)械、物理和化學(xué)性能，以及經(jīng)濟(jì)因素和資源狀況，選擇合適的材料和熱處理方法。

3.2擬定計(jì)算簡圖

依據(jù)零件的基本結(jié)構(gòu)和載荷情況，建立力學(xué)模型、進(jìn)行載荷分析等。

3.3工作能力計(jì)算

針對(duì)零件可能出現(xiàn)的失效形式，確定工作能力計(jì)算準(zhǔn)則，計(jì)算和確定出零件的基本尺寸或主要參數(shù)。

3.4結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

依據(jù)工作能力確定出零件基本尺寸和參數(shù)，考慮加工和裝配等要求，確定零件的形狀和全部尺寸。

3.5繪制工作圖并標(biāo)注必要的技術(shù)條件

在以上四個(gè)步驟完成之后，繪制工作圖并標(biāo)注必要的技術(shù)條件。

4.機(jī)械零部件的標(biāo)準(zhǔn)化

機(jī)械零部件的標(biāo)準(zhǔn)化是指將品種、型號(hào)、參數(shù)、結(jié)構(gòu)、尺寸、性能和質(zhì)量等統(tǒng)一規(guī)定為數(shù)量有限的若干種，并強(qiáng)制執(zhí)行。標(biāo)準(zhǔn)化了的零部件簡稱為標(biāo)準(zhǔn)件，如螺栓、螺母、滾動(dòng)軸承、聯(lián)軸器、離合器等，實(shí)行標(biāo)準(zhǔn)化的意義主要在于：

①可以簡化設(shè)計(jì)工作，將精力用于關(guān)鍵的非標(biāo)準(zhǔn)零部件的設(shè)計(jì)上。

②可以組織專門化大規(guī)模生產(chǎn)，既保證質(zhì)量，又降低咸本。

③可以減少備品的庫存量，具有互換性，從而簡化機(jī)器的安裝和維修。

我國現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)分為國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等層次。隨著我國加入WTO和與國際接軌，為了增強(qiáng)國內(nèi)產(chǎn)品在國際市場的競爭力，我國的某些標(biāo)準(zhǔn)也正在迅速向國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（1SO）標(biāo)準(zhǔn)和其他國外先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)靠近。標(biāo)準(zhǔn)化是我國現(xiàn)行的一項(xiàng)重要的技術(shù)政策，工程技術(shù)人員在設(shè)計(jì)中應(yīng)認(rèn)真貫徹執(zhí)行。