機械零件的失效形式、設(shè)計準則、設(shè)計步驟及標準化研究

寧長亭

【摘 要】機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不到設(shè)計功能的現(xiàn)象，稱為失效。主要失效形式大致有以下四種。

【關(guān)鍵詞】機械零件；設(shè)計標致研究；機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，某一危險截面的應(yīng)力超過零件的強度極限時，會發(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)機械零件的主要失效形式。斷裂是零件的嚴重失效形式，它不僅使零件喪失工作能力，有時會造成嚴重的人身傷害和設(shè)備損壞事故，應(yīng)力求避免。

1.2表面失效

由于機械中各零件結(jié)合面之間都是靜和動的接觸關(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

零件受載后一般會產(chǎn)生彈性變形，過大的彈性變形會使零件或機器不能正常地工作；當(dāng)嚴重過載時，即當(dāng)應(yīng)力超過零件材料的屈服極限時，還可能產(chǎn)生塑性變形，這不僅會改變零件的尺寸和形狀，破壞零件間的配合關(guān)系，也會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，否則就會失效。如摩擦傳動的打滑、液體摩擦滑動軸承油膜破壞等均為非正常工作條件的失效。

2.機械零件的設(shè)計準則

進行機械零件設(shè)汁時，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。對于具體的零件，其失效形式取決于受載情況、結(jié)構(gòu)特點和工作條件。針對不同失效形式建立的判定零件工作能力的條件，稱為于作能力計算準則，或簡稱為計算準則。由于計算中經(jīng)常要作出設(shè)計，因此也稱為設(shè)計準則。設(shè)計準則主要包括以下四種。

2.1強度條件

強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，強度計算是零件應(yīng)滿足的基本要求。保證零件強度的計算條件為：

2.2剛度條件

（1-1）

2.3耐磨性條件

機械中凡是具有相對運動或相對運動趨勢的接觸表面都存在摩擦。摩擦表面物質(zhì)在相對運動中不斷損耗，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階段。①磨合磨損階段（OA段），是新機械在運轉(zhuǎn)初期，通過逐漸增大載荷，快速磨去零件制造時表面遺留下來的波峰尖部，隨著波峰的降低，接觸面的實際面積增大，磨損速度逐漸減緩，零件進入穩(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，其對應(yīng)的時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，機械效率大幅度下降，并伴有異常的振動和噪聲，此時應(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過大、相對速度過高、潤滑不良時，則磨合期和穩(wěn)定磨損期甚短，會立即轉(zhuǎn)入劇烈磨損階段，使零件過早報廢。

2.3.2磨損的類型

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

2.3.3耐磨性計算

耐磨性是指做相對運動的零件丁作表面抵抗磨損的能力。由于磨損機理復(fù)雜，除疲勞磨損外，目前尚無公認的定量計算方法，一般采用條件性計算。例如對于非液體摩擦，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值的方法，振動穩(wěn)定性是指防止高速運轉(zhuǎn)的機械及其零件發(fā)生共振，使其轉(zhuǎn)速避開共振區(qū)域。如果機械或零件的固有頻率等于或接近于激振源的強迫振動頻率時，將會產(chǎn)生共振.共振不僅影響機械的正常丁作，產(chǎn)生噪聲，而且還可能造成破壞性事故。

設(shè)計零件時，上述各項工作能力的計算不必全部進行，應(yīng)視具體情況而定。一般根據(jù)一個或幾個可能發(fā)生的主要失效形式，運用相應(yīng)的判定條件，確定零件的主要參數(shù)或基本尺寸。

3.機械零部件設(shè)計的一般步驟

當(dāng)機械的總體布置和傳動方案已經(jīng)確定，力學(xué)分析已基本完成時，就要進行零件的設(shè)計，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，綜合材料的機械、物理和化學(xué)性能，以及經(jīng)濟因素和資源狀況，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、進行載荷分析等。

3.3工作能力計算

針對零件可能出現(xiàn)的失效形式，確定工作能力計算準則，計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

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繪制工作圖并標注必要的技術(shù)條件

在以上四個步驟完成之后，繪制工作圖并標注必要的技術(shù)條件。

4.機械零部件的標準化

機械零部件的標準化是指將品種、型號、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，并強制執(zhí)行。標準化了的零部件簡稱為標準件，如螺栓、螺母、滾動軸承、聯(lián)軸器、離合器等，實行標準化的意義主要在于：

①可以簡化設(shè)計工作，將精力用于關(guān)鍵的非標準零部件的設(shè)計上。

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，從而簡化機器的安裝和維修。

我國現(xiàn)行的標準分為國家標準、行業(yè)標準等層次。隨著我國加入WTO和與國際接軌，為了增強國內(nèi)產(chǎn)品在國際市場的競爭力，我國的某些標準也正在迅速向國際標準化組織（1SO）標準和其他國外先進標準靠近。標準化是我國現(xiàn)行的一項重要的技術(shù)政策，工程技術(shù)人員在設(shè)計中應(yīng)認真貫徹執(zhí)行。