一次性機(jī)械零件設(shè)計(jì)方法綜述

錢松濤

摘 要：一次性機(jī)械零件的設(shè)計(jì)方法是現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)制造的一個(gè)重點(diǎn)，一次性機(jī)械零件設(shè)計(jì)理念對(duì)國防建設(shè)和高端機(jī)械技術(shù)發(fā)展具有一定作用。文章針對(duì)當(dāng)前一次性機(jī)械零件設(shè)計(jì)方法的特點(diǎn)和應(yīng)用狀況，針對(duì)當(dāng)前一次性機(jī)械零件研究在理論機(jī)械零件參數(shù)確定和試驗(yàn)設(shè)計(jì)中存在的若干問題，分析運(yùn)用不同類型材料制造一次性零件時(shí)疲勞失效形式和特點(diǎn)不一的難點(diǎn)問題，并提出相關(guān)建議。

關(guān)鍵詞：一次性；機(jī)械零件；設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TH14 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

一次性機(jī)械零件指承受應(yīng)力水平高，壽命周期短，在短時(shí)間內(nèi)能承受高強(qiáng)度交變載荷的機(jī)械零件。一次性機(jī)械零件采用試驗(yàn)樣機(jī)法源于國內(nèi)某廠某次某型號(hào)箭用舵機(jī)減速裝置的設(shè)計(jì)，在該設(shè)計(jì)中正式提出一次性機(jī)械零件。

常規(guī)機(jī)械零件的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則通常有強(qiáng)度、剛度、壽命、振動(dòng)穩(wěn)定性和可靠性等設(shè)計(jì)準(zhǔn)則?？紤]到實(shí)用性和耐久性，常規(guī)機(jī)械設(shè)備或零件通常長(zhǎng)期承受交變循環(huán)載荷，其使用壽命甚至長(zhǎng)達(dá)十幾二十年。一次性機(jī)械零件由于使用周期短，承受短期交變載荷，甚至某機(jī)械運(yùn)動(dòng)過程不存在破壞即可，則其主要失效形式不再是簡(jiǎn)單的疲勞、磨損和腐蝕。

1.沿用常規(guī)零件設(shè)計(jì)方法

機(jī)械零件的常規(guī)設(shè)計(jì)方法主要有經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)和模型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)是某一類型的零件已存在的通用設(shè)計(jì)方法，此類零件通過已有的成熟設(shè)計(jì)方案采用類比進(jìn)行設(shè)計(jì)。

對(duì)于大型且結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件，模型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過程中，把初步設(shè)計(jì)的零部件或機(jī)器制成小模型或小尺寸樣機(jī)，通過實(shí)驗(yàn)的手段對(duì)其各方面的特性進(jìn)行檢驗(yàn)，再根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行逐步修改，最終完成設(shè)計(jì)。

2.試驗(yàn)樣機(jī)法

（1）試驗(yàn)樣機(jī)法對(duì)一次性零件的設(shè)計(jì)源于國內(nèi)某廠某次某型號(hào)箭用舵機(jī)減速裝置的設(shè)計(jì)中，要求參數(shù)額定輸出力矩不小于45N.m，堵轉(zhuǎn)輸出力矩不小于80N.m，質(zhì)量不超過1200g。

這里介紹柔性翼小型無人飛行器試驗(yàn)樣機(jī)研究。該樣機(jī)使用三角翼單面柔性薄翼下v尾布局，通過該設(shè)計(jì)方案確定總體布局以及參數(shù)，后采用五種機(jī)翼外形進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)來確定某一樣機(jī)的氣動(dòng)性能的優(yōu)越性，得到合適機(jī)翼類型。確定一系列參數(shù)后，制作出試驗(yàn)樣機(jī)，使用GPS導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行一系列的飛行實(shí)驗(yàn)，最終得到合適樣機(jī)以及研究參數(shù)。

其主要設(shè)計(jì)思想理論：對(duì)于一些大型復(fù)雜的結(jié)構(gòu)零件，采用樣機(jī)試驗(yàn)的辦法，根據(jù)機(jī)械的設(shè)計(jì)目標(biāo)，確定基本總體布局和參數(shù)，而后對(duì)一些復(fù)雜參數(shù)采用試驗(yàn)確定其特殊零件的設(shè)計(jì)，最終設(shè)計(jì)出樣機(jī)，再不斷實(shí)驗(yàn)，再設(shè)計(jì)樣機(jī)以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。這里的柔性翼小型無人飛行器的設(shè)計(jì)采用試驗(yàn)樣機(jī)法。

該方法能成功研制出標(biāo)準(zhǔn)的高精度機(jī)械零件，但設(shè)計(jì)成本高，研制周期長(zhǎng)，設(shè)計(jì)過程復(fù)雜煩瑣，因此通常用于某種特殊零件的設(shè)計(jì)，無法適用大量類似機(jī)械零件的設(shè)計(jì)制造，無法滿足大量生產(chǎn)及型號(hào)不同機(jī)械零件的設(shè)計(jì)要求。

3.基于靜強(qiáng)度的臨界平面理論設(shè)計(jì)

基于靜強(qiáng)度的臨界平面理論的一次性機(jī)械零件設(shè)計(jì)方法。設(shè)計(jì)思想：假設(shè)一次性機(jī)械零件不存在疲勞、磨損、腐蝕的失效形式，疲勞類型為低周疲勞或超低周疲勞，以靜強(qiáng)度為零件設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，具體應(yīng)用于一次性齒輪零件并獲得成功。但缺乏其不存在疲勞、磨損、腐蝕的失效形式的證明和循環(huán)載荷作用次為一次性機(jī)械零件的區(qū)分界限的依據(jù)。

（1）線性疲勞累加法則。在材料力學(xué)的基礎(chǔ)上，測(cè)定機(jī)械零件的S-N曲線，得到不同的幅值載荷情況下機(jī)械零件的疲勞損傷值，進(jìn)行線性累加，當(dāng)損傷值的和大于等于1時(shí)，該機(jī)械零件發(fā)生破壞，即采用Miner累加法則。該理論存在缺陷，一般損傷值在1左右時(shí)就會(huì)發(fā)生零件破壞，無法進(jìn)行準(zhǔn)確的判斷。但相對(duì)其他考慮零件的真實(shí)復(fù)雜情況的計(jì)算太過復(fù)雜，故其應(yīng)用范圍較廣。

（2）疲勞的臨界平面理論。機(jī)械零件中，常常同時(shí)受到拉壓、剪切、彎曲等多軸應(yīng)力；而對(duì)于確定的多軸疲勞載荷，疲勞裂紋的方向總是沿著臨界平面方向演化。而以臨界平面為疲勞損傷的評(píng)價(jià)變量稱之為臨界平面法。臨界平面法主要包括應(yīng)力、應(yīng)變、應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)N常用模型理論方法。

4.總結(jié)與展望

一次性機(jī)械零件屬于我國機(jī)械行業(yè)高科技領(lǐng)域產(chǎn)品，其在航天航空和軍事武器方面的應(yīng)用尤為廣泛，故對(duì)其進(jìn)行研究顯得尤為必要，無論是航天和軍事領(lǐng)域的發(fā)展，還是以后日常高科技發(fā)展中的應(yīng)用，它都是不可或缺的材料。

參考文獻(xiàn)：

[1]李躍峰.典型一次性機(jī)械零件設(shè)計(jì)及其應(yīng)用研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2013.

[2]濮良貴，陳國定，吳立言.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京：高等教育出版社，2013.