工程機械領(lǐng)域中軸的疲勞設(shè)計應(yīng)用

摘 要：工程機械設(shè)備多數(shù)為大型設(shè)備，且使用工況較為惡劣，軸是組成機械的主要零件之一，其最常見的失效形式便是疲勞失效，因其破壞前無明顯征兆，故常常令人防不勝防，危害性極大，因此，應(yīng)充分重視軸的疲勞設(shè)計應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：工程機械；軸；疲勞設(shè)計

軸是組成機械的主要零件之一，主要功用是支撐回轉(zhuǎn)零件及傳遞運動和動力。一切作回轉(zhuǎn)運動的傳動零件，都必須裝在軸上才能進行運動及動力的傳遞。軸類零件最常見的失效形式便是疲勞失效，因其破壞前無明顯征兆，故常常令人防不勝防，危害性極大。因此，在工程機械領(lǐng)域中，因其設(shè)備多數(shù)為大型設(shè)備，使用載荷較大，工況較為惡劣，軸的疲勞設(shè)計應(yīng)用應(yīng)得到充分的重視。對于破壞后會引起重大事故乃至人參傷亡的重要的軸，還應(yīng)適當(dāng)增加安全系數(shù)。

一、軸的分類

軸有不同的分類方法，也有不同類型的軸。常用的分類方法有兩類：1）根據(jù)軸線的形狀不同分類；2）根據(jù)承受載荷不同分類。

按軸線形狀分類，可將軸分為直軸、曲軸、鋼絲軟軸。根據(jù)承受載荷的不同分類，軸可分為轉(zhuǎn)軸、心軸、傳動軸。轉(zhuǎn)軸，即同時承受扭矩和彎曲載荷的軸，如齒輪減速器中的軸；心軸只需承受彎矩而不傳遞扭矩，例如鐵路車輛的軸、自行車的前軸等，按軸旋轉(zhuǎn)與否分為轉(zhuǎn)動心軸和固定心軸兩種；傳動軸，即只承受扭矩而不承受彎矩或承受彎矩較小的軸，如汽車傳動軸。

二、軸的失效形式

軸的失效形式，主要有疲勞強度不足而產(chǎn)生的疲勞斷裂，因靜強度不足而產(chǎn)生的塑性變形或脆性斷裂、磨損、超過允許范圍的變形和振動等。疲勞失效是最常見的軸失效形式，因其破壞前無明顯征兆，故常常令人防不勝防，所以危害性最大。

大量工程實踐與試驗結(jié)果表明，構(gòu)件疲勞與在靜應(yīng)力作用下的破壞決然不同，有以下四個明顯特征：1）破壞時的名義應(yīng)力值遠小于材料的靜強度指標(biāo)；2）需要經(jīng)歷一定次數(shù)的應(yīng)力循環(huán)后才破壞；3）破壞是脆性斷裂，既使塑性很好的材料，也是如此；4）構(gòu)件的破壞斷面，明顯分成光亮區(qū)域與顆粒狀的粗糙區(qū)域。

三、工程機械中軸的使用工況及疲勞強度校核

工程機械中大型結(jié)構(gòu)件鉸接處多采用固定心軸的形式，如起重機的轉(zhuǎn)臺與臂架的鉸點；液壓油缸等執(zhí)行元件的支撐軸，以及其他運動構(gòu)件之間的鉸點也多采用固定心軸的形式。軸徑通常有30mm、40mm、50mm、60mm、100mm等多種規(guī)格，一般采用30#、35#、45#、40Cr鋼等材質(zhì)，對于較為重要的軸可采用27SiMn等抗拉強度較高的材料，但其材料成本也相對較高。工程機械中相對運動構(gòu)件之間相對轉(zhuǎn)速較低，但載荷較大，一般使用銅基自潤滑軸承進行潤滑。

在進行軸的安全系數(shù)校核時，軸的力學(xué)模型一般可簡化為簡支梁和懸臂梁兩種。對于簡化力學(xué)模型為簡支梁的軸，可僅校核軸的剪切應(yīng)力，在剪切應(yīng)力滿足要求的情況下，一般不需校核軸的疲勞強度。而對于簡化力學(xué)模型為懸臂梁的軸，在靜強度校核完成后，必須按彎扭聯(lián)合作用工況進行疲勞強度安全系數(shù)校核，本文重點介紹疲勞安全系數(shù)校核。

在構(gòu)件出現(xiàn)疲勞失效時，其破壞應(yīng)力往往低于材料的屈服極限或強度極限。因此，屈服極限或強度極限等靜強度指標(biāo)已不能作為疲勞破壞的強度指標(biāo)，取而代之的是材料的疲勞極限。

結(jié)合材料力學(xué)中疲勞強度計算的基本理論和指示，并參考相關(guān)文獻資料，可將軸的疲勞強度安全系數(shù)校核計算問題歸納如下：首先根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)、尺寸及載荷特征，分別求得各危險截面處的最大、最小彎曲正應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，以及這兩種循環(huán)應(yīng)力的平均應(yīng)力σm及τm和應(yīng)力幅σa及τa，然后綜合考慮軸的表面狀態(tài)、應(yīng)力集中、絕對尺寸等的影響，分別計算僅有彎曲正應(yīng)力時的安全系數(shù)Sσ和僅有扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力時的安全系數(shù)Sτ，最后校核彎扭聯(lián)合作用下軸的疲勞強度安全系數(shù)Sca，有公式：

1）材料均勻，載荷與應(yīng)力計算精確時，S=1.3～1.5；

2）材料不夠均勻，計算精度較低時，S=1.5～1.8；

3）材料均勻性及計算精度都很低，或軸的直徑d>200mm時，S=1.8～2.5。

四、提高軸疲勞強度的措施

在上述疲勞安全系數(shù)的校核過程中，不難發(fā)現(xiàn)，有眾多系數(shù)與疲勞安全系數(shù)息息相關(guān)，如零件的強化系數(shù)、表面狀態(tài)系數(shù)，有效應(yīng)力集中系數(shù)、尺寸系數(shù)、幾何形狀理論應(yīng)力集中系數(shù)。在實際應(yīng)用中，除了選用疲勞強度更高的材料之外，便是通過對上述參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計來達到提高零件的疲勞強度的目的。在工程機械領(lǐng)域中一般從優(yōu)化零件受力工況、減緩應(yīng)力集中、降低表面粗糙度、增加表面強度四個方面進行優(yōu)化設(shè)計。

（1）改善零件受力工況。設(shè)計時，應(yīng)盡可能的避免使用簡化模型為懸臂梁的結(jié)構(gòu)形式，多使用簡支梁的結(jié)構(gòu)形式。

（2）減緩應(yīng)力集中。零件受載時，其剖面幾何形狀突然變化處（如圓角、孔、槽、螺紋等處）的局部應(yīng)力要遠遠大于其名義應(yīng)力，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)力集中。設(shè)計時應(yīng)盡量避免剖面尺寸變化過大，截面變化比值應(yīng)符合機械設(shè)計手冊的要求值。如無法避免截面尺寸變化過大問題，可在軸肩設(shè)置減荷槽或內(nèi)圓角等措施。

（3）降低表面粗糙度。在其他條件相同時，零件表面越粗糙，其疲勞強度越低。鑄鐵零件對表面狀態(tài)不敏感，鋼的強度極限越高，表面狀態(tài)系數(shù)降低越大，因此，用高強度合金鋼制造的零件，應(yīng)設(shè)計較高的表面質(zhì)量。

（4）增加表面強度。對零件表面施行不同的強化處理，例如表面化學(xué)熱處理、高頻表面淬火、表面硬化加工等，均可不同程度的提高零件的疲勞強度。

五、結(jié)語

軸作為工程機械的主要組成零件，它的疲勞失效在破壞前無明顯征兆，常常令人防不勝防，危害性極大，輕則造成設(shè)備無法運轉(zhuǎn)，重則造成機毀人亡。在工程機械領(lǐng)域中，軸的疲勞設(shè)計已然得到了工程師的充分重視，在經(jīng)過充分的疲勞分析及抗疲勞設(shè)計措施應(yīng)用之后，必然可以降低軸的疲勞失效概率，使得工程機械更加安全可靠。

參考文獻：

[1] 徐錦康，向敬忠，姚必強，曹曉明.機械設(shè)計.

[2] 劉鴻文.材料力學(xué).

作者簡介：

張幸幸（1987-），男，江蘇徐州人，本科，助理工程師，2010年6月畢業(yè)于南京工程學(xué)院機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)，現(xiàn)主要從事環(huán)衛(wèi)車輛研發(fā)設(shè)計工作。