王娟

（徐州機(jī)電工程學(xué)校機(jī)械工程系，江蘇徐州221131）

典型一次性機(jī)械零件的設(shè)計(jì)及應(yīng)用分析

王娟

（徐州機(jī)電工程學(xué)校機(jī)械工程系，江蘇徐州221131）

一次性機(jī)械零件與常規(guī)機(jī)械零件存在差異，其只用承擔(dān)短時(shí)間的交變載荷，并且工作壽命短，大部分在一次使用后就不再使用，因此在設(shè)計(jì)方法上一次性零件也與常規(guī)機(jī)械零件存在差別。筆者結(jié)合工作經(jīng)驗(yàn)從一次性機(jī)械零件的設(shè)計(jì)特點(diǎn)與原則入手，對(duì)典型一次性機(jī)械零件設(shè)計(jì)及其應(yīng)用效果進(jìn)行了分析，借以為一次性零件的研究提供參考。

一次性機(jī)械零件；設(shè)計(jì)原則；設(shè)計(jì)方法；應(yīng)用效果

在一般的情況，機(jī)械設(shè)備和零件都是需要長(zhǎng)期使用的，如車床、汽車、常規(guī)齒輪零件等，因此對(duì)常規(guī)零件設(shè)計(jì)均要考慮其較長(zhǎng)的使用壽命。與需要長(zhǎng)期使用的常規(guī)機(jī)械和零件相比，還有一種使用壽命非常短的機(jī)械與零件，通常被稱為一次性機(jī)械零件，這類機(jī)械零件往往在使用一次后便不再使用，多用于軍事武器、航空、航天等領(lǐng)域。這類一次性機(jī)械零件一方面要確保機(jī)械能夠滿足有效荷載、傳動(dòng)要求，同時(shí)對(duì)其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的質(zhì)量與體積也有著嚴(yán)苛的要求。筆者結(jié)合工作經(jīng)驗(yàn)介紹了一次性機(jī)械零件的特點(diǎn)與設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，并結(jié)合設(shè)計(jì)實(shí)例對(duì)典型一次性機(jī)械零件設(shè)計(jì)及其應(yīng)用效果進(jìn)行了分析。

1　一次性機(jī)械零件概念及特點(diǎn)

站在整體與局部的角度上看，一次性機(jī)械是一個(gè)整體的概念，而一次性機(jī)械零件則是局部概念，對(duì)一次性機(jī)械的設(shè)計(jì)可看做是和各種一次性機(jī)械零件的設(shè)計(jì)，與常規(guī)機(jī)械零件進(jìn)行比較，其具有多個(gè)方面的特征[1]：

第一，使用條件方面的特征。常用的常規(guī)零件通常必須要滿足長(zhǎng)期的、可靠的使用與循環(huán)使用條件，并且有較大的余量，因此其質(zhì)量、體積往往較大，并且制造材料優(yōu)良。一次性機(jī)械零件則使用壽命較短，時(shí)間有限，絕大多數(shù)僅適用一次便不能再次使用，只需要確保其能夠在特定時(shí)間里成功的完成功能即可，對(duì)余量要求小，因此其質(zhì)量較輕，體積較小。

第二，失效特征。常規(guī)機(jī)械零件失效大多是由于長(zhǎng)期使用發(fā)生磨損和疲勞造成的，這種疲勞破壞通常是指的高周疲勞破壞，因此在設(shè)計(jì)中將導(dǎo)致高周疲勞的荷載認(rèn)為是處于正常工況下的。一次性機(jī)械零件與之不同的是，由于僅適用一次，因此只要保證機(jī)械零件不會(huì)因?yàn)樵獾酵饬ζ茐陌l(fā)生折斷即可，因此設(shè)計(jì)中主要考慮其剛度與靜強(qiáng)度。

第三，設(shè)計(jì)方法上的特點(diǎn)。對(duì)常規(guī)機(jī)械零件設(shè)計(jì)已經(jīng)有了一套很成熟的設(shè)計(jì)理論，但是一次性機(jī)械與零件的設(shè)計(jì)理論并不成熟，一次性機(jī)械零件的使用壽命很短，機(jī)械零件在發(fā)生疲勞破壞前就完成其使命，因此使用中發(fā)生磨損、腐蝕和疲勞等均不是引起零件失效的因素，所以針對(duì)一次性機(jī)械零件只要保證不受外力破壞便可完成工作。靜力破壞是一種最大載荷下發(fā)生的破壞，當(dāng)靜應(yīng)力低于屈服強(qiáng)度，或者低于強(qiáng)度極限時(shí)，靜力破壞并不會(huì)發(fā)生。因此一次性機(jī)械零件設(shè)計(jì)不用考慮疲勞、磨損等因素，因此可去除大量的余量，減少機(jī)械零件的體積與質(zhì)量，然后根據(jù)靜強(qiáng)度合理的設(shè)計(jì)。

2　一次性機(jī)械零件設(shè)計(jì)的基本原則

2.1靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)

對(duì)靜強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)是以材料靜載特性作為基礎(chǔ)，幾種典型的金屬材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線（σ-ε曲線）見(jiàn)圖1.根據(jù)靜拉伸試驗(yàn)，獲得應(yīng)力-應(yīng)變曲線的特點(diǎn)，在金屬材料具體的機(jī)械零件設(shè)計(jì)過(guò)程中，通常將材料彈性變形區(qū)作為零件允許使用的范圍。獲得靜拉強(qiáng)度數(shù)據(jù)（采用靜拉伸試驗(yàn)），運(yùn)用強(qiáng)度理論轉(zhuǎn)換為不同類型強(qiáng)度參數(shù)[2]。由于靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則與機(jī)械零件使用壽命無(wú)相關(guān)性，因此在一次性機(jī)械零件的設(shè)計(jì)中要滿足材料的靜強(qiáng)度要求。

圖1　一次性機(jī)械零件載荷譜

2.2疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)

對(duì)疲勞強(qiáng)度的設(shè)計(jì)是以承受循環(huán)荷載的材料疲勞特性為基礎(chǔ)的。在常規(guī)機(jī)械零件疲勞設(shè)計(jì)中參照應(yīng)力幅-壽命曲線、應(yīng)變幅-壽命曲線，以應(yīng)力控制疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)為依據(jù)的，即應(yīng)力幅-壽命曲線，采用無(wú)限壽命設(shè)計(jì)法，即設(shè)計(jì)應(yīng)力＜疲勞極限，或者采用有限壽命設(shè)計(jì)法，即設(shè)計(jì)應(yīng)力＞疲勞極限[3]。應(yīng)力幅-壽命曲線可采用WO¨hler公式來(lái)描述：

其中，循環(huán)應(yīng)力幅值以σa表示，C和m均表示材料的常數(shù)。

通常情況下，σa與平均應(yīng)力共同來(lái)完整地描述循環(huán)應(yīng)力特征需要的，但是在WO¨hler公式中，并未體現(xiàn)平均應(yīng)力，該結(jié)果意味著平均應(yīng)力并不是高周疲勞并的顯著影響因素，高周疲勞則需要通過(guò)對(duì)該類材料進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，通過(guò)數(shù)據(jù)擬合來(lái)獲得。由公式（1）可獲得，當(dāng)零件的應(yīng)力與屈服極限相接近時(shí)，將發(fā)生失效，因此，在常規(guī)機(jī)械零件設(shè)計(jì)過(guò)程中，過(guò)載能力分析中需要應(yīng)用應(yīng)變控制疲勞數(shù)據(jù)也就是應(yīng)變幅-壽命曲線，其可用下述規(guī)律表達(dá)：

其中，εa、εap、εac分別表示的是應(yīng)變幅值、塑性，以及與彈性應(yīng)變幅值，Cp、Ce、p、e分別表示的是材料常數(shù)。

在常規(guī)機(jī)械零件的設(shè)計(jì)過(guò)程中，其使用壽命是與疲勞強(qiáng)度緊密相關(guān)的，因此將疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則認(rèn)為是壽命設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，但一次性機(jī)械零件則不同，根據(jù)其使用特點(diǎn)，在疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)上也具有特殊性。

綜上所述，一次性機(jī)械零件的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則為：

（1）靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)時(shí)，按照靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則對(duì)常規(guī)機(jī)械零件設(shè)計(jì)；

（2）疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)時(shí)，遵循一次性機(jī)械零件使用要求相匹配的疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，在有特殊需要的情況下要輔助采用特殊設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

3　典型一次性機(jī)械零件的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

3.1典型一次性機(jī)械零件設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)分析

以一次性齒輪零件為例，在實(shí)際應(yīng)用中齒輪零件使用要求上有所差異，例如箭用舵機(jī)減速器中的齒輪，其使用時(shí)間很短（幾十秒到幾十分鐘），在導(dǎo)彈命中后自毀，減速器工作也停止，因此箭用舵機(jī)減速器中的齒輪并不需要像常規(guī)常規(guī)齒輪零件一樣滿足其長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定要求，長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行假設(shè)也就不適用，甚至?xí)斐稍O(shè)計(jì)結(jié)果的大量冗余，對(duì)導(dǎo)彈有效荷載指標(biāo)造成影響[4]?；诖?，一次性機(jī)械零件被廣泛地應(yīng)用在航天軍事領(lǐng)域中。箭用舵機(jī)減速器是一種典型的一次性機(jī)械，而減速器中的齒輪就是一次性齒輪零件。

與常規(guī)機(jī)械齒輪一樣，一次性齒輪零件在外形上并無(wú)差異，制造加工工藝也基本一致，但是二者所處的環(huán)境與承受的荷載具有明顯的差異，并且在失效形式上區(qū)別十分顯著。假設(shè)一次性齒輪零件和常規(guī)齒輪參數(shù)是相同的，那么一次性齒輪所具有的承載力則比常規(guī)齒輪更高，而這一切都是以一次性齒輪工作壽命短為前提條件的。齒輪參數(shù)相同及再荷載水平增加的情況下，齒根彎曲應(yīng)力也隨之明顯增加，并且應(yīng)力增加的速度也要比齒面接觸應(yīng)力的增加速度更快，這就決定了在一次性機(jī)械齒輪的強(qiáng)度設(shè)計(jì)中，齒根彎曲應(yīng)力的計(jì)算是關(guān)鍵。一次性齒輪設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容為齒根彎曲強(qiáng)度的設(shè)計(jì)，表達(dá)公式為：

其中，σD表示齒根彎曲應(yīng)力，[σ]D表示一次性齒輪使用下材料許用強(qiáng)度。

3.2實(shí)踐設(shè)計(jì)與應(yīng)用分析

箭用舵機(jī)是用于火箭的航向控制機(jī)構(gòu)，在完成發(fā)射后自行毀滅，由于活檢空間結(jié)構(gòu)有限，為了滿足要求，舵機(jī)體積不能過(guò)大，而當(dāng)前高速直流、小體積的伺服電動(dòng)機(jī)是最為普遍應(yīng)用的。舵機(jī)減速裝置的設(shè)計(jì)非常的關(guān)鍵，設(shè)計(jì)目標(biāo)為額定輸出轉(zhuǎn)矩，但采用常規(guī)機(jī)械設(shè)計(jì)方案并不能達(dá)到體積上的要求。因此，舵機(jī)減速裝置關(guān)鍵零件采用一次性機(jī)械零件設(shè)計(jì)方案。

（1）總體結(jié)構(gòu)與傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

箭用舵機(jī)結(jié)構(gòu)要最大程度的緊湊與簡(jiǎn)單，并且傳動(dòng)效率、承載能力都要盡可能的高，所以箭用舵機(jī)減速裝置采用了一對(duì)錐齒輪副、諧波齒輪傳動(dòng)方式，結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2所示。

圖2　舵機(jī)總體結(jié)構(gòu)

（2）錐齒輪設(shè)計(jì)

材料選擇：大錐齒輪為45#鋼，齒數(shù)為66，進(jìn)行正火處理；小錐齒輪為45#鋼，齒數(shù)為22，進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，傳遞轉(zhuǎn)矩為0.230 3 N·m.為了防止齒輪由于齒面疲勞點(diǎn)蝕、齒根疲勞折斷而失效，因此對(duì)強(qiáng)度設(shè)計(jì)校核采用齒面接觸疲勞強(qiáng)度與齒根彎曲疲勞強(qiáng)度來(lái)進(jìn)行，根據(jù)二者的計(jì)算公式獲得的齒輪模數(shù)分別為0.60 mm、0.50 mm.

在舵機(jī)減速器齒輪發(fā)生疲勞點(diǎn)蝕、折斷時(shí)它的工作已經(jīng)完成了，因此忽略疲勞強(qiáng)度的計(jì)算，然后根據(jù)靜強(qiáng)度條件計(jì)算過(guò)載折斷下的模數(shù)，對(duì)齒輪是否能夠承載這么大的彎矩進(jìn)行校核。將齒輪輪齒看作為懸臂梁（圖3），在一般情況下梁橫截面有正應(yīng)力與切應(yīng)力同時(shí)存在，并且切應(yīng)力是比彎曲應(yīng)力要顯著更小的，因此忽略不計(jì)，因此按照齒根危險(xiǎn)截面彎曲應(yīng)力計(jì)算。

圖3　單對(duì)齒嚙合區(qū)荷載作用

由公式（3），考慮單對(duì)齒嚙合區(qū)荷載作用，齒根抗彎強(qiáng)度計(jì)算公式為：

各參數(shù)代入得模數(shù)m≥0.16，取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)0.2 mm，荷載相同的情況下，通過(guò)常規(guī)齒面接觸疲勞強(qiáng)度、靜強(qiáng)度、齒根彎曲疲勞強(qiáng)度的校核比較，使用模數(shù)所占的比例達(dá)到40%.

（3）柔輪的設(shè)計(jì)

柔輪模數(shù)采用0.2 mm，硬度在34~36 HRC之間。常規(guī)齒輪傳動(dòng)齒和嚙合一般有1~2對(duì)，而在諧波齒輪的參與下，齒嚙合對(duì)數(shù)則占到總數(shù)的30%，并無(wú)單對(duì)齒嚙合情況。這種情況下，荷載僅作用在輪齒齒頂，力與嚙合齒平分，則（4）式可改為

各參數(shù)代入得模數(shù)m=0.05 mm，取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)0.1 mm.

上述設(shè)計(jì)主要是對(duì)舵機(jī)減速器最大荷載下的壽命進(jìn)行的，最終測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1.設(shè)計(jì)的諧波減速器完全滿足設(shè)計(jì)要求。

表1　諧波減速器性能

4　結(jié)束語(yǔ)

同常規(guī)零件比較，一次性機(jī)械零件在使用條件、失效方法與設(shè)計(jì)方法都存在較大的差異，在一次性機(jī)械零件的設(shè)計(jì)中要遵循靜強(qiáng)度校核，而非磨損、疲勞等失效方式。結(jié)合工作需求、使用條件合理設(shè)計(jì)一次性機(jī)械零件是可行的。

[1]李群松，朱穎，譚海林，等.變摩擦條件下三維接觸問(wèn)題有限元分析改進(jìn)[J].中國(guó)機(jī)械工程，2012，（16）：1929-1933.

[2]許金泉，郭鳳明.疲勞損傷演化的機(jī)理及損傷演化律[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2010，（46）：40-46.

[3]王廣林，潘旭東，李躍峰.一次性機(jī)械設(shè)計(jì)理念及實(shí)踐[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2014，（1）：153-155.

[4]劉慧茹.淺析一次性機(jī)械設(shè)計(jì)的概念與應(yīng)用[J].中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)，2015，（3）：26-27.

Design and Application Analysis of Typical Disposable Mechanical Parts

WANG Juan
（Xuzhou Mechanical and Electrical Engineering School Department of Mechanical Engineering，Xuzhou Jiangsu 221131，China）

Disposable mechanical parts and conventional mechanical parts are different，the only bear the short time alternating load，and short service life，most used in time after it is no longer used，so the design method of disposable parts also with conventional mechanical parts are different.The author of the work experience starting from the design features and principles of disposable mechanical parts，on the design and application effect of typical disposable mechanical parts are analyzed，through research thought to provide reference disposable parts.

disposable mechanical parts；design principles；design method；application effect

TH122

A

1672-545X（2016）10-0114-04

2016-07-07

王娟（1983-），女，江蘇揚(yáng)州人，本科，講師，長(zhǎng)期從事機(jī)電類教學(xué)和研究工作。