王建瑋

（太原航空儀表有限公司，太原 030006）

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機(jī)械零件常規(guī)疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法的研究

王建瑋

（太原航空儀表有限公司，太原 030006）

摘 要：受變荷載影響，多數(shù)機(jī)械零件容易疲勞破壞，使得使用壽命大大縮短，一定程度上影響機(jī)械設(shè)備性能的充分發(fā)揮。因此，加強(qiáng)機(jī)械零件常規(guī)疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)，對(duì)提高其抗疲勞性能具有重要意義。本文明確機(jī)械強(qiáng)度設(shè)計(jì)的步驟，闡述常規(guī)疲勞設(shè)計(jì)方法及疲勞強(qiáng)度的計(jì)算方法，提出了提升機(jī)械零件疲勞強(qiáng)度的有效設(shè)計(jì)對(duì)策，以供參考。

關(guān)鍵詞：機(jī)械零件 疲勞強(qiáng)度 設(shè)計(jì)方法

為提高機(jī)械設(shè)備性能，促使其經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益的充分發(fā)揮，應(yīng)將疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)當(dāng)做重要內(nèi)容加以落實(shí)。

1 機(jī)械零件強(qiáng)度設(shè)計(jì)步驟

機(jī)械零件強(qiáng)度設(shè)計(jì)主要考慮兩項(xiàng)內(nèi)容：（1）機(jī)械零件尺寸的初步確定。（2）關(guān)鍵位置強(qiáng)度的確定。其中，確定機(jī)械零件初步尺寸時(shí)，需對(duì)其靜強(qiáng)度加以計(jì)算。而后校核計(jì)算機(jī)械零件截面或關(guān)鍵位置。機(jī)械零件校核計(jì)算重點(diǎn)在于對(duì)安全系數(shù)的判定，要求其不能小于許用安全系數(shù)，即n≥[n]。另外，以上兩項(xiàng)內(nèi)容均滿足要求后，還應(yīng)考慮機(jī)械零件的使用壽命，結(jié)合機(jī)械零件的各項(xiàng)參數(shù)，估算機(jī)械零件壽命，以驗(yàn)證其是否滿足相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求。

2 機(jī)械零件常規(guī)疲勞設(shè)計(jì)方法

機(jī)械零件常規(guī)疲勞設(shè)計(jì)時(shí)，要在排除零件初始裂紋的前提下，實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)試樣疲勞試驗(yàn)，以獲得機(jī)械零件的疲勞極限圖、S-N曲線以及零件材料的疲勞極限等相關(guān)內(nèi)容。同時(shí)，綜合分析零件形狀產(chǎn)生的應(yīng)力、表面狀況、零件尺寸等，確定機(jī)械零件常規(guī)疲勞設(shè)計(jì)的方法。依據(jù)S-N曲線，可將機(jī)械零件常規(guī)疲勞設(shè)計(jì)分為有限壽命設(shè)計(jì)與無限壽命設(shè)計(jì)。其中，前者的設(shè)計(jì)主要參考S-N曲線中的斜線，后者則主要參考水平線。

2.1 有限壽命設(shè)計(jì)

部分領(lǐng)域的機(jī)械零件更新?lián)Q代較快或?qū)儆谝淮涡韵漠a(chǎn)品。因此，要常對(duì)其進(jìn)行有限生命設(shè)計(jì)，并在滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，減輕其重量，尤其要將超過疲勞極限工作應(yīng)力作為設(shè)計(jì)過程中重點(diǎn)考慮的內(nèi)容。機(jī)械零件有限壽命設(shè)計(jì)主要基于邁因納理論，即受給定應(yīng)力水平反復(fù)作用，試樣損傷程度與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)之間呈現(xiàn)線性累計(jì)關(guān)系，當(dāng)損傷累計(jì)達(dá)到臨界點(diǎn)時(shí)破壞。同時(shí)，需要明確的是，不同應(yīng)力給機(jī)械零件造成的疲勞損傷彼此并不受影響，而是相互獨(dú)立。因此，機(jī)械零件總的損傷是所有損傷之和。

2.2 無限壽命設(shè)計(jì)

無限壽命設(shè)計(jì)指機(jī)械零件在無限長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)不會(huì)因疲勞而發(fā)生破壞。分析S-N曲線不難發(fā)現(xiàn)，水平線段表示機(jī)械零件的疲勞壽命為無限的。因此，設(shè)計(jì)時(shí)只要將機(jī)械零件的工作應(yīng)力控制在疲勞極限內(nèi)，從理論上便可達(dá)到無限壽命目標(biāo)。但是，按照這一理論設(shè)計(jì)機(jī)械零件，往往給零件尺寸及重量造成不良影響，如零件尺寸較大且過于笨重。但是，對(duì)使用壽命較長(zhǎng)的零件而言，盡可能延長(zhǎng)其壽命，依據(jù)該理論仍較為有效。

3 機(jī)械零件疲勞強(qiáng)度的計(jì)算及設(shè)計(jì)對(duì)策

機(jī)械零件工作期間所受的變應(yīng)力有穩(wěn)定與不穩(wěn)定之分。為保證設(shè)計(jì)機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度滿足規(guī)范及使用要求，應(yīng)注重計(jì)算不同條件下機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度，以提出針對(duì)性設(shè)計(jì)對(duì)策。

3.1 穩(wěn)定變應(yīng)力疲勞強(qiáng)度的計(jì)算

3.2 非穩(wěn)定變應(yīng)力疲勞強(qiáng)度的計(jì)算

3.3 提高機(jī)械零件疲勞強(qiáng)度的設(shè)計(jì)對(duì)策

研究發(fā)現(xiàn)，影響機(jī)械零件疲勞強(qiáng)度的因素較多，其中應(yīng)力集中、零件尺寸、表面狀態(tài)等均會(huì)給機(jī)械零件疲勞強(qiáng)度造成了不良影響。因此，設(shè)計(jì)機(jī)械零件時(shí)，應(yīng)綜合分析機(jī)械零件面臨的影響因素，并初步估算疲勞強(qiáng)度，而后采取針對(duì)性設(shè)計(jì)對(duì)策，提高機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度。

首先，減少機(jī)械零件應(yīng)力集中。為最大限度地減少機(jī)械零件應(yīng)力集中，設(shè)計(jì)過程中應(yīng)加強(qiáng)機(jī)械零件應(yīng)力集中規(guī)律的研究，掌握機(jī)械零件應(yīng)力集中特點(diǎn)。例如，設(shè)計(jì)過程在不影響零件功能正常發(fā)揮的基礎(chǔ)上，要注重改善機(jī)械零件外形，尤其不應(yīng)將角度設(shè)計(jì)成尖角。同時(shí)，如果需要開孔，應(yīng)盡量開橢圓或圓孔，且位置選擇在低應(yīng)力位置。另外，還應(yīng)局部加強(qiáng)孔邊。

其次，提高零件表面加工質(zhì)量。設(shè)計(jì)機(jī)械零件時(shí)，應(yīng)注重考慮其表面加工質(zhì)量，尤其應(yīng)充分考慮所用的材料。在使用性能優(yōu)良生產(chǎn)材料的同時(shí)，要在零件表面多下功夫，如要求對(duì)零件表面進(jìn)行氧化、輥壓以及噴丸處理等，以爭(zhēng)取做到精益求精，避免機(jī)械零件表面初始裂紋的產(chǎn)生，提高機(jī)械零件的應(yīng)力抵抗能力。

最后，強(qiáng)化機(jī)械零件生產(chǎn)工藝。強(qiáng)化機(jī)械零件生產(chǎn)工藝是提高機(jī)械零件疲勞強(qiáng)度的重要舉措。因此，對(duì)機(jī)械零件進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮機(jī)械零件的生產(chǎn)工藝。一方面，要明確設(shè)計(jì)機(jī)械零件的用途及材料性能；另一方面，結(jié)合使用的材料，運(yùn)用針對(duì)性工藝加以處理，以有效提高機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度。

4 總結(jié)

隨著社會(huì)的進(jìn)步，機(jī)械設(shè)備在人們生產(chǎn)生活中的應(yīng)用率越來越高。因此，確保機(jī)械設(shè)備性能的充分發(fā)揮意義重大。眾所周知，機(jī)械設(shè)備性能優(yōu)良與否和機(jī)械零件性能不無關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)，疲勞強(qiáng)度是影響機(jī)械零件性能與使用壽命的重要因素，尤其在當(dāng)今社會(huì)，部分領(lǐng)域?qū)C(jī)械零件性能要求較高。因此，應(yīng)積極采取有效措施提高機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度，明確疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)的步驟及方法，分析影響疲勞強(qiáng)度的因素，從而優(yōu)化設(shè)計(jì)質(zhì)量，為提高機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

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Study on the Fatigue Strength of Conventional Mechanical Parts Design Method

WANG Jianwei
(Taiyuan Aviation Instrument Co., Ltd., Taiyuan 030006)

Abstract:The influence by varying loads, fatigue damage most mechanical parts, making life s hortened, to a certain extent affect the mechanical e quipment performance into full pl ay. Therefore, the s trengthening investigate the fatigue s trength of conventional mechanical parts design, to improve its a nti-fatigue properties is important. In this paper, a clear step mechanical strength desi gn, elaborated conventional design methods a nd calculation methods of fatigue fatigue strength is proposed to enhance the fatigue s trength of mechanical parts design effective countermeasures, for reference.

Key words:mechanical parts, fatigue strength, design methods