淺談提高機(jī)械設(shè)計(jì)疲勞極限指標(biāo)的可靠度

【摘要】本文從機(jī)械設(shè)計(jì)過程中傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的概述、影響機(jī)械設(shè)計(jì)疲勞強(qiáng)度指標(biāo)的因素和現(xiàn)有資料中疲勞極限指標(biāo)的可靠性與測定方法等三個(gè)方面，對機(jī)械設(shè)計(jì)疲勞指標(biāo)的可靠度進(jìn)行了闡述，以期為提高機(jī)械設(shè)計(jì)結(jié)果的準(zhǔn)確性提供有力的理論依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】機(jī)械設(shè)計(jì)；疲勞極限指標(biāo)；可靠度

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和設(shè)備技術(shù)的不斷更新，機(jī)械制造以其無可取代的重要性受到人們越來越多的關(guān)注，而疲勞極限指標(biāo)的可靠度對于機(jī)械設(shè)計(jì)工作的成敗有著直接的影響。雖然很多的疲勞極限指標(biāo)在相關(guān)的設(shè)計(jì)手冊中均可以找到，但是受到材質(zhì)不明和數(shù)據(jù)失真等因素的干擾，機(jī)械設(shè)計(jì)過程中仍然存在著很大的不確定性和盲目性。因此，提高疲勞極限指標(biāo)的可靠性對于提高機(jī)械設(shè)計(jì)質(zhì)量有著重要的作用和價(jià)值。

一、機(jī)械設(shè)計(jì)過程中傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的概述

在機(jī)械設(shè)備日趨完善和新技術(shù)不斷更新的環(huán)境下，人們逐漸認(rèn)識(shí)到設(shè)計(jì)方法的重要性。精度高和性能好的設(shè)計(jì)方法不但可以提高機(jī)械設(shè)計(jì)工作的效率和質(zhì)量，而且可以為機(jī)械加工企業(yè)帶來更多的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。因此，分析傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中存在的問題，并加以合理的改進(jìn)和完善已經(jīng)成為保證設(shè)計(jì)方法科學(xué)性和先進(jìn)性的有效途徑。

在現(xiàn)代化工程建設(shè)項(xiàng)目中，很多機(jī)械零件都要承受相關(guān)的應(yīng)力作用，以滿足工程建設(shè)施工的實(shí)際要求。眾多的工程實(shí)踐證明，70%以上的零件失效都是由于其抗疲勞能力有限而導(dǎo)致的。在機(jī)械設(shè)計(jì)中，疲勞斷裂抗力是評定零件疲勞極限的主要指標(biāo)之一，而疲勞抗力指標(biāo)是由零件的光滑試樣通過對稱循環(huán)彎曲應(yīng)力試驗(yàn)得到的零件彎曲疲勞極限，其在機(jī)械設(shè)計(jì)的技術(shù)資料與相關(guān)手冊中均可查到，而零件在其他的應(yīng)力狀態(tài)中，還有扭轉(zhuǎn)疲勞極限與抗壓疲勞極限等。在零件需要承受非對稱性的循環(huán)應(yīng)力時(shí)，設(shè)計(jì)人員要根據(jù)其在對稱循環(huán)應(yīng)力時(shí)的彎曲疲勞極限參數(shù)、靜應(yīng)力時(shí)極限應(yīng)力的參數(shù)和脈動(dòng)循環(huán)應(yīng)力時(shí)的彎曲疲勞極限參數(shù)等，繪制建筑材料零件的疲勞極限應(yīng)力圖。

二、影響機(jī)械設(shè)計(jì)疲勞極限強(qiáng)度指標(biāo)的因素

即使同牌號(hào)同批次的材料，由于冶煉過程中化學(xué)成分的變動(dòng)、成分偏析、軋制溫度和冶煉條件的波動(dòng)等因素的影響，其性能也會(huì)在一定范圍內(nèi)出現(xiàn)變化。由于機(jī)械材料的晶體內(nèi)部濃度不均衡、晶界和晶粒性能存在差異、非金屬雜質(zhì)和金屬界面結(jié)合不好、金屬內(nèi)部宏觀與微觀存在缺陷等諸多的因素，使得即使零件的加工工藝、化學(xué)成分和熱處理情況都相同，其性能也無法做到完全一樣。零件彼此之間的差異在室溫和靜荷載的作用下，被有明顯的表現(xiàn)，但是如果零件在動(dòng)載荷或者交變載荷的作用下，其性能會(huì)因?yàn)閼?yīng)力的應(yīng)變作用高度的局部化而表現(xiàn)出顯著的不均勻性，這一點(diǎn)從疲勞極限試驗(yàn)數(shù)據(jù)的極為分散可以得到證明。

經(jīng)過試驗(yàn)的研究證明，零件疲勞破壞和靜力破壞的過程在滑移的階段仍然相同，但是在靜載荷的作用下，塑性變形和強(qiáng)化在零件內(nèi)部分布的體積較大，在交變載荷的作用下，零件疲勞裂紋則集中于個(gè)別的晶粒。如果試件的外部存在缺口或著粗糙，以及內(nèi)部存有缺陷，則在這些相應(yīng)處會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力高峰，從而形成疲勞裂縫。因?yàn)榱慵目蛊谛匀Q于其最弱部分強(qiáng)度或者因缺陷而導(dǎo)致的應(yīng)力集中處，所以內(nèi)部組織存在的缺陷對于零件破壞的影響不容忽視。

在機(jī)械設(shè)計(jì)的過程中，設(shè)計(jì)人員往往只重視零件的外形、制造工藝和使用條件等因素，而忽視了材料的本質(zhì)對零件疲勞抗力的影響。但是在實(shí)際操作的過程中，人們很難發(fā)現(xiàn)材料微觀處的缺陷，如焊接的裂紋和熔渣等，從而導(dǎo)致經(jīng)常出現(xiàn)零件疲勞斷裂的情況。但是由于材料內(nèi)部影響其疲勞抗力的因素眾多，且復(fù)雜多變難于控制，因此尋找到合適的設(shè)計(jì)方法至關(guān)重要。

三、現(xiàn)有資料中疲勞極限指標(biāo)的可靠性與機(jī)械設(shè)計(jì)方法

如上所述，疲勞極限的試驗(yàn)數(shù)據(jù)極為分散，在相同的應(yīng)力下其應(yīng)力的循環(huán)周次可能出現(xiàn)幾倍至百倍的變化幅度，這可以從零件使用的壽命中得到體現(xiàn)。以滾動(dòng)軸承為例，有統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，即使?jié)L動(dòng)軸承的型號(hào)和批次相同，其使用壽命的最高和最低期限比值也高達(dá)8～40倍。因此，只有以統(tǒng)計(jì)處理的方法獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，才能保證疲勞極限強(qiáng)度指標(biāo)的準(zhǔn)確性與可靠性，從而減少機(jī)械設(shè)計(jì)過程中的不確定性與盲目性。

在測定材料的極限疲勞強(qiáng)度過程中，生產(chǎn)制造單位要將測定的原始資料詳盡地提供給設(shè)計(jì)人員，如疲勞試樣的形狀尺寸、材質(zhì)質(zhì)量、毛坯類型、組織狀態(tài)、晶粒大小、取樣部位和加工方法等。對于壓軋材料或者小型的鍛件，設(shè)計(jì)人員要詳細(xì)了解疲勞試樣的壓軋方向，這對于材料抗壓的疲勞極限測定最為關(guān)鍵。對于大型的鍛件，設(shè)計(jì)人員要了解其取樣的部位在鋼錠的具體位置。對于鑄件的試樣材料，設(shè)計(jì)人員要了解其為單獨(dú)鑄造或者為取自鑄件，如果為取自鑄件，要了解試樣材料在鑄件上的具體位置，因?yàn)殍T件不同位置所取的試樣，其性能也會(huì)有顯著的差異。材料試樣的切割方法也非常重要，如果取樣人員采用氣割或者利用電弧切割，試樣都會(huì)受到再次加熱的影響，從而對其微觀組織或者性能不可忽略的產(chǎn)生影響。如果取樣人員采用冷切割的方法，還需要注意避開材料因過度冷卻而導(dǎo)致其脆性增加的溫度范圍。

設(shè)計(jì)人員只有對疲勞試樣的取樣過程與試樣的微觀組織有充分的了解，才能依據(jù)設(shè)計(jì)零件的使用壽命和重要程度，對相關(guān)手冊中的數(shù)據(jù)進(jìn)行合理的修正，使得零件的設(shè)計(jì)過程和其材料的疲勞極限強(qiáng)度試驗(yàn)過程更為貼近，進(jìn)而提高疲勞設(shè)計(jì)的可靠性。

四、結(jié)束語

總之，在機(jī)械設(shè)計(jì)中，材料的疲勞極限強(qiáng)度指標(biāo)受到很多因素的影響和制約，如材料內(nèi)部和外部因素敏感性的影響，以及疲勞破壞局限性和突發(fā)性的影響等，從而使疲勞抗力實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)出現(xiàn)分散的情況，使其失去了機(jī)械設(shè)計(jì)應(yīng)用時(shí)的可靠性，進(jìn)而埋下嚴(yán)重的事故隱患或著導(dǎo)致事故的發(fā)生，造成不可挽回的人員傷亡或財(cái)產(chǎn)損失。因此，設(shè)計(jì)人員在機(jī)械設(shè)計(jì)過程中不能依據(jù)單一的、可靠性不明確的材料抗疲勞性指標(biāo)進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)，而是要在提高機(jī)械設(shè)計(jì)疲勞極限指標(biāo)的可靠度的基礎(chǔ)上，對取樣試樣和取樣方法進(jìn)行認(rèn)真仔細(xì)的了解，以避免設(shè)計(jì)時(shí)的盲目性與不確定性。同時(shí)，國家的相關(guān)科研機(jī)構(gòu)也要及時(shí)更新設(shè)計(jì)手冊和資料中的疲勞極限強(qiáng)度指標(biāo)，以便于設(shè)計(jì)人員進(jìn)行參考和借鑒，進(jìn)一步提高機(jī)械設(shè)計(jì)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

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