吳錫超

摘 要：機(jī)械零配件強(qiáng)度設(shè)計(jì)過程，要明確零配件在運(yùn)轉(zhuǎn)中應(yīng)力布局與應(yīng)力改變，如此能夠采取分析法，比如材料力學(xué)、彈塑性能學(xué)和有限元法利用電子計(jì)算機(jī)計(jì)算；也能夠通過實(shí)驗(yàn)法，如采取光彈性發(fā)與電阻應(yīng)變片檢測(cè)方式測(cè)出，對(duì)此，本文對(duì)機(jī)械強(qiáng)度設(shè)計(jì)中安全系數(shù)進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：機(jī)械；強(qiáng)度設(shè)計(jì)；安全系數(shù)；分析

1、機(jī)械零配件強(qiáng)度設(shè)計(jì)分析

若要判斷所要運(yùn)行應(yīng)力是過高或是過低，就應(yīng)當(dāng)預(yù)先明確一個(gè)衡量的指標(biāo)，或稱極限判據(jù)，該標(biāo)準(zhǔn)即許用應(yīng)力。凡是零配件中的運(yùn)行應(yīng)力不大于許用應(yīng)力時(shí)，可以獲得如下結(jié)論，該零配件的運(yùn)轉(zhuǎn)中是穩(wěn)定的，否則將是不安全的。如此，極限判據(jù)能夠?qū)懗桑?/p>

當(dāng)下的問題是怎樣科學(xué)的明確許用應(yīng)力[1]。假讓許用應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)不合適，則，就算運(yùn)行應(yīng)力求得再精準(zhǔn)，也無法做出好的極限判據(jù)。

把零配件內(nèi)的實(shí)際運(yùn)行應(yīng)力除零配件所選材料的強(qiáng)度應(yīng)力獲得的比值稱作運(yùn)行安全系數(shù)，以n表示。當(dāng)運(yùn)行安全系數(shù)n超過或等于許用安全系數(shù)時(shí)，則：

表明所規(guī)劃的機(jī)械零配件可以確保安全運(yùn)轉(zhuǎn)，這是極限判據(jù)的又一模式。

因?yàn)椴煌馁|(zhì)的機(jī)械強(qiáng)度不同，在相同負(fù)荷影響下的許用應(yīng)力參數(shù)與各類材料是不一樣的。但若用[n]表示時(shí)，相同條件下的機(jī)械零配件，用不同物料時(shí)的[n]僅能有一個(gè)，在表達(dá)模式上比許用應(yīng)力方便很多。

2、靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)中安全系數(shù)分析

在機(jī)械設(shè)計(jì)過程，首先要符合靜強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)。針對(duì)承擔(dān)循環(huán)變負(fù)荷的機(jī)械，其零配件除了通過疲勞強(qiáng)度來計(jì)算之外，還要針對(duì)作用頻率少的高峰負(fù)荷進(jìn)行靜強(qiáng)度檢驗(yàn)，以避免超載中由于靜強(qiáng)度不足而出現(xiàn)突然開裂。針對(duì)重要性很差的零配件，為了簡化，能夠只作靜強(qiáng)度計(jì)算，由于考慮到循環(huán)變負(fù)荷的作用而采取很大的安全系數(shù)和偏小的許用應(yīng)力[2]。針對(duì)需要兼顧一定強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)的零配件的強(qiáng)度設(shè)計(jì)，通常采取很小的許應(yīng)力進(jìn)行靜強(qiáng)度計(jì)算。承擔(dān)次數(shù)很少的沖擊負(fù)荷零配件，工程上通常在負(fù)荷中引進(jìn)超過1.0的動(dòng)載指標(biāo)，如此一來，能夠采取靜強(qiáng)度計(jì)算手段來簡化問題。此外，有的機(jī)械零配件的強(qiáng)度規(guī)劃中，要求零配件的運(yùn)行應(yīng)力不得大于屈服強(qiáng)度，即彈性準(zhǔn)則。針對(duì)脆性材料，因?yàn)闊o明顯的屈服強(qiáng)度，強(qiáng)度判斷就只可以強(qiáng)度極限為依據(jù)了。

兼顧到材料機(jī)械水平測(cè)試中的離散型，與負(fù)荷工況的統(tǒng)計(jì)性能及計(jì)算方式與實(shí)際存在差距等要素，用運(yùn)行應(yīng)力無法超出屈服極限或運(yùn)行應(yīng)力無法超出強(qiáng)度極限用作靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)中的強(qiáng)度依據(jù)，就含有較大的冒險(xiǎn)性。為確保機(jī)械零配件有充足的強(qiáng)度，引進(jìn)了超過1.0的安全系數(shù)n，讓所規(guī)劃的零配件有充足的安全儲(chǔ)存量，確保在最大負(fù)荷條件下，運(yùn)行應(yīng)力不大于極限應(yīng)力。如此一來，室溫靜應(yīng)力下零配件的強(qiáng)度依據(jù)是：針對(duì)塑性物料，零配件的運(yùn)行應(yīng)力低于或等于許用應(yīng)力，即[σ]≥σ，或運(yùn)行安全系數(shù)超過或等于許用安全系數(shù)，即：

針對(duì)脆性物料的強(qiáng)度判斷：當(dāng)零配件中的運(yùn)營應(yīng)力低于或等于需用應(yīng)力，即[σ]≥σ，或運(yùn)行安全系數(shù)超過或等于許用安全系數(shù)，即：

上述這樣確定的強(qiáng)度依據(jù)，針對(duì)低碳鋼，它的曲強(qiáng)比很小，以屈服極限為前提的安全系數(shù)展開強(qiáng)度設(shè)計(jì)是無問題的。伴隨強(qiáng)度鋼的使用，物料的屈強(qiáng)比逐漸提升，就會(huì)產(chǎn)生該種現(xiàn)象；以強(qiáng)度極限為依據(jù)求出的許用應(yīng)力，也許低于屈服極限為依據(jù)求出的許用應(yīng)力。此時(shí)，明確零配件大小起決定性意義的，不再使基于屈服極限的安全指標(biāo)，而且基于強(qiáng)度極限的安全指標(biāo)了。在工程應(yīng)用上通常能夠認(rèn)為鋼材由塑性材料轉(zhuǎn)變成脆性物料了。

強(qiáng)度判據(jù)不僅需要運(yùn)行應(yīng)力低于或等于許用應(yīng)力，重點(diǎn)是許用應(yīng)力要怎樣確定。比如，薄壁壓力設(shè)備設(shè)計(jì)中，主要以薄膜應(yīng)力來明確許用應(yīng)力。但因?yàn)閴毫θ萜鳂?gòu)造內(nèi)有應(yīng)力聚集情況，因此，當(dāng)明確許用薄膜應(yīng)力低于屈服強(qiáng)度，少數(shù)應(yīng)力聚集范圍的峰值壓力可以大于屈服極限。具體的講，局部范圍的峰值應(yīng)力可以進(jìn)到塑性區(qū)。據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：

或?qū)憺榍O限為前提的許用安全系數(shù)。再者，如高速圓盤在運(yùn)行轉(zhuǎn)速下的應(yīng)力通?？刂圃?.5-0.6之內(nèi)，最大負(fù)荷是20%。

3、疲勞強(qiáng)度規(guī)劃的安全系數(shù)

許多機(jī)械零配件是在循環(huán)變狀態(tài)下運(yùn)行的。比如轉(zhuǎn)軸、曲軸、支桿、齒輪葉片、渦輪機(jī)軸輪、軋鋼機(jī)結(jié)構(gòu)、支桿螺栓等，這類在循環(huán)變狀態(tài)下運(yùn)行的部件，其失效模式是疲勞損壞。疲勞強(qiáng)度規(guī)劃式子，是在疲勞測(cè)試獲得的S-N曲線前提下推導(dǎo)獲得的。對(duì)應(yīng)的S-N曲線水平區(qū)域是無限壽命規(guī)劃，對(duì)應(yīng)的S-N曲線左側(cè)部分是有限壽命規(guī)劃。零配件承擔(dān)彎扭聯(lián)合狀態(tài)下求安全系數(shù)的式子是：

針對(duì)怎樣明確許用安全系數(shù)的參數(shù)，在疲勞強(qiáng)度規(guī)劃中是個(gè)非常關(guān)鍵的問題，能夠根據(jù)可靠性理論計(jì)算。設(shè)物料的疲勞強(qiáng)度測(cè)試信息為正態(tài)布局變量；運(yùn)行應(yīng)力也為正態(tài)布局變量。因?yàn)槎呔钦龖B(tài)分布，則其差也為正態(tài)分布。那么可靠度R是極限超出負(fù)荷的幾率：

4、結(jié)束語

綜上所述，科學(xué)的選材，可以讓所設(shè)計(jì)的零配件強(qiáng)度大、重量輕、成本少、壽命長。有的材料有很高的高溫機(jī)械水平，有的材料可以防水下應(yīng)力侵蝕，有的材料韌性好，有的材料降振性能佳，基于安全系數(shù)與許用應(yīng)力方面來選用材料，就是要選擇在不同失效狀態(tài)下，能抗該種失效模式的較高極限材料。該種材料應(yīng)考慮到國內(nèi)能處理，還要考慮到生產(chǎn)工藝等要求。

參考文獻(xiàn)：

[1] 馮寶偉.無損檢測(cè)評(píng)價(jià)技術(shù)及在材料機(jī)械強(qiáng)度開發(fā)中的應(yīng)用[J].中國機(jī)械工程，1995（04）：43-45+48+78.

[2] 趙長漢.用常規(guī)設(shè)計(jì)中的安全系數(shù)計(jì)算機(jī)械強(qiáng)度可靠度[J].質(zhì)量與可靠性，1994（01）：44-47.