提高零件疲勞強(qiáng)度的方法.doc

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提高零件疲勞強(qiáng)度的方法 【摘要】 機(jī)械零件的抗疲勞破壞是造成機(jī)械運行故障的主要原因,因此，提高機(jī)械零件的疲勞強(qiáng)度是機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計中不容忽視的問題。針對影響零件疲勞強(qiáng)度的因素并結(jié)合實際，對在設(shè)計過程中如何提高零件的疲勞強(qiáng)度的方法及措施做簡要的敘述和相關(guān)分析，且對工程中常見的問題，提出相應(yīng)的控制方法和解決措施。 【關(guān)鍵詞】疲勞強(qiáng)度 ；應(yīng)力集中 1概述 在19世紀(jì)初，隨著蒸汽機(jī)車的發(fā)明和鐵路建設(shè)的迅速發(fā)展，機(jī)車車輛的疲勞破壞現(xiàn)象時有發(fā)生，使工程技術(shù)人員認(rèn)識到交變應(yīng)力對金屬強(qiáng)度的不良影響。很多結(jié)構(gòu)物都承受交變應(yīng)力的作用，例如飛機(jī)，火車，船舶等交通運輸工具由于大氣紊流，波浪及道路不平引起的顛簸都承受交變應(yīng)力，即使是房屋，橋梁等看來似乎完全不動的結(jié)構(gòu)物也同樣承受變應(yīng)力作用，因為橋梁上駛過車輛時，房屋中的機(jī)器設(shè)備運轉(zhuǎn)和振動時，甚至刮風(fēng)等均會引起交變應(yīng)力。所以交變應(yīng)力對于結(jié)構(gòu)物來說是經(jīng)常遇到的。 絕大多數(shù)的機(jī)械零件是在循環(huán)變應(yīng)力作用下工作的，如彈簧，齒輪，軸等都是在循環(huán)載荷下工作的，承受交變應(yīng)力或重復(fù)應(yīng)力，如在工作過程中工作應(yīng)力低于屈服強(qiáng)度時就會發(fā)生疲勞破壞，造成重大的經(jīng)濟(jì)損失。為避免這些現(xiàn)象的發(fā)生，提高零件的疲勞強(qiáng)度，在設(shè)計階段應(yīng)考慮它的使用環(huán)境和受力狀態(tài)，材料性能，加工工藝等因素。我將基于材料的疲勞特性，對提高零件疲勞強(qiáng)度的方法及措施進(jìn)行簡要的敘述。 2零件的疲勞特性 材料的疲勞特性可用最大應(yīng)力，應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，應(yīng)力比（循環(huán)特性）來表述。在一定的應(yīng)力比下，當(dāng)循環(huán)次數(shù)低于時，屬靜應(yīng)力強(qiáng)度，當(dāng)循環(huán)次數(shù)在時屬于低周疲勞，然而一般零件承受變應(yīng)力時，其應(yīng)力循環(huán)次數(shù)通常大于，屬高周疲勞，此階段，如果作用的變應(yīng)力小于持久疲勞極限，無論應(yīng)力變化多少次，材料都不會破壞。由于零件受加工質(zhì)量及強(qiáng)化因素等影響，使得零件的疲勞極限小于材料的疲勞極限，通常等于材料疲勞極限與其疲勞極限的綜合影響系數(shù)的比值。故可通過改善零件受力狀況，將作用在零件上的變應(yīng)力降低到持久疲勞極限以下，對延長材料的使用壽命具有重要的意義。 3提高零件疲勞強(qiáng)度的方法 影響零件的疲勞強(qiáng)度的因素很多，比如材料的最大應(yīng)力，工作環(huán)境，應(yīng)力狀態(tài)，加工質(zhì)量與加工工藝等。為提高零件的疲勞強(qiáng)度，經(jīng)查閱資料得出以下方法。 （1）材料的選擇 材料的選擇原則是：在滿足靜強(qiáng)度要求的同時，還應(yīng)具備良好的抗疲勞性能。過去靜強(qiáng)度選材的一個基本原則是要求強(qiáng)度高，但在疲勞設(shè)計中，需從疲勞強(qiáng)度的觀點選材： a在達(dá)到使用期限的應(yīng)力值時，材料的疲勞極限必須滿足要求。 b材料的切口敏感性和擦傷疲勞敏感性小，在交變載荷作用處要特別注意。 c裂紋擴(kuò)展速率慢，許用臨界裂紋大些，及要求零件的斷裂韌性值大，使零件或結(jié)構(gòu)在使用中出現(xiàn)裂紋后，不會很快導(dǎo)致災(zāi)難性的破壞。 d注意軋材和鍛材等的纖維方向和主要受力方向應(yīng)一致，因為在垂直纖維方向的承載強(qiáng)度會下降百分之20左右。 e注意材料的抗腐蝕性能，同時盡量減小材料的內(nèi)部缺陷，對重要零件應(yīng)經(jīng)探傷檢驗。 f合理選擇材料的熱處理狀態(tài)，他對疲勞特性的影響不能小看。 （2）降荷，降溫設(shè)計 在實踐應(yīng)用中，人們發(fā)現(xiàn)，在較低的交變應(yīng)力作用下，零件不易發(fā)生疲勞裂紋，即使產(chǎn)生裂紋，其擴(kuò)展速率也較慢。但究竟把應(yīng)力水平控制在怎樣的范圍內(nèi)比較合適，尤其對確定初步設(shè)計中的應(yīng)力水平非常重要。使用實踐證實：組裝成型后的構(gòu)件在低應(yīng)力下運轉(zhuǎn)一定周次后，再逐步提高到設(shè)計應(yīng)力水平，也可提高抗疲勞強(qiáng)度；對于發(fā)熱摩擦零件采用降溫設(shè)計，這些方法都能提高構(gòu)件疲勞強(qiáng)度及壽命。電子行業(yè)采取降荷降溫設(shè)計后，會使某種電子產(chǎn)品的壽命由原來的平均不足300小時，提高到3000小時左右。 （3）避免和減緩應(yīng)力集中 零件的疲勞破壞一般是從最大應(yīng)力處開始的，而應(yīng)力集中通常是產(chǎn)生疲 勞裂紋的最主要原因，在設(shè)計時應(yīng)盡量避免，可是在實際結(jié)構(gòu)中要完全避免應(yīng)力集中問題幾乎是不可能的。因此，在設(shè)計中應(yīng)盡量減緩應(yīng)力集中現(xiàn)象。結(jié)構(gòu)件的設(shè)計原則是： a在零件中應(yīng)避免橫截面上出現(xiàn)急劇變化，當(dāng)橫截面形狀或尺寸改變時，盡量用大圓角來過渡，同時在設(shè)計時應(yīng)避免傳力路線的中斷。 b盡可能采用對稱結(jié)構(gòu)，避免帶有偏心的結(jié)構(gòu)，在不對稱處應(yīng)注意局部彎曲引起的應(yīng)力。 c結(jié)構(gòu)件應(yīng)盡可能減少開口，特別在受拉表面盡量不開口，如需開口應(yīng)考慮其形狀，以減小應(yīng)力集中，同時開口的位置應(yīng)設(shè)計在低應(yīng)力區(qū)。 d鉚釘及螺紋孔，焊縫等是產(chǎn)生應(yīng)力的集中源，在其連接處適當(dāng)加厚以降低局部應(yīng)力，對焊縫處磨平，采用去毛刺，邊緣倒角等工藝是減小應(yīng)力集中的有效方法。 e在主要零件存在應(yīng)力集中的地方不應(yīng)再連接次要零件，避免增大局部應(yīng)力。 圖（1）降低應(yīng)力集中的幾個案例 （4）降低表面粗糙度和改善表面質(zhì)量 疲勞破壞通常從表面開始，疲勞裂紋一般在表面質(zhì)量差的地方產(chǎn)生。因此，在設(shè)計時需考慮： a降低表面粗糙度，使表面狀態(tài)系數(shù)增大，提高疲勞強(qiáng)度。 b采用表面強(qiáng)化工藝，是表層金屬強(qiáng)度提高，使疲勞發(fā)生源從表面移至到表層以下區(qū)域，達(dá)到提高零件的疲勞強(qiáng)度。如表面淬火等熱處理，滲碳滲氮等化學(xué)熱處理以及滾壓，噴丸等機(jī)械的硬化處理等方法，使材料表層的抗疲勞強(qiáng)度增加。 近年來，表面強(qiáng)化方法趨于完善，除了傳統(tǒng)的零件硬化方法以外，液壓機(jī)械處理，振動滾壓，金剛石熨平等新方法也得到了廣泛應(yīng)用。其中振動滾壓法可使中等硬度結(jié)構(gòu)鋼的冷作深度達(dá)30至50mm，而大大提高零件的疲勞極限。 還有各種復(fù)合強(qiáng)化方法，如表面塑性變形與表面淬火聯(lián)合發(fā)，表面塑性變形與熱處理聯(lián)合法，表面塑性變形與電鍍聯(lián)合法，表面塑性變形與對焊縫進(jìn)行預(yù)氬弧處理的復(fù)合強(qiáng)化等也得到了廣泛應(yīng)用。 c采用表面防腐措施，同時要注意防腐是否對疲勞性能產(chǎn)生不利影響，例如對電鍍零件應(yīng)注意避免應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象。 d相對靜止的兩表面間應(yīng)減小滑動，避免腐蝕擦傷，無法避免時應(yīng)采用涂層或填料來減小相互擦傷，如螺栓孔內(nèi)加入緊配合的襯套。 e采用預(yù)變形工藝，即對零件在工作前使其產(chǎn)生部分塑性變形，造成有利的殘余壓應(yīng)力以提高零件的疲勞壽命，但同時要注意，引入殘余拉應(yīng)力會使材料的疲勞強(qiáng)度下降。 f盡可能減小或消除零件表面可能發(fā)生的初始裂紋的尺寸，疲勞破壞通常是從初始裂紋開始擴(kuò)展的。止裂措施有：①采用多重受力件。一個構(gòu)件由幾個元件組成，如果其中一個元件出現(xiàn)裂紋，不致擴(kuò)展到其他元件上。②設(shè)置止裂孔和止裂縫，當(dāng)裂紋擴(kuò)展到小孔或裂縫時，尖端變鈍，使擴(kuò)展減緩。③設(shè)置止裂件，在裂紋的擴(kuò)展途徑上設(shè)置加強(qiáng)件。④采用斷裂前自動報警的安全措施。例如壓力容器斷裂前的滲漏報警等。 （5）合理的振動設(shè)計 對于高速運行或做往復(fù)振動的零件，在設(shè)計階段應(yīng)注意考慮其布局的合理性以及運動狀態(tài)的情況。 a設(shè)計時應(yīng)通過與類似產(chǎn)品對比和計算，裝配完成后經(jīng)實測運動的自振頻率，以避免各個頻率在適用范圍內(nèi)發(fā)生共振，造成零部件疲勞破壞。 b對于類似拉桿等運動機(jī)構(gòu)上的操作系統(tǒng)，管路系統(tǒng)在設(shè)計時應(yīng)考慮共振對其的影響，設(shè)計時在振動大的地方加設(shè)支撐架或改變管路安裝位置或?qū)⒄駝訕?gòu)件隔離開等方法都可降低系統(tǒng)的振動。 c對振動系統(tǒng)中的板件，如翼板，振動機(jī)械支撐板等在設(shè)計時應(yīng)考慮設(shè)置加強(qiáng)肋以提高其整體剛度，避免因高頻振動而使板件出現(xiàn)疲勞破壞。 e噪聲源附近的結(jié)構(gòu)板件應(yīng)增加剛度與阻尼,例如噴氣發(fā)動機(jī)的噴管后面就是一個噪聲源。夾層是較為常用的有效結(jié)構(gòu)措施。 （6）可靠性設(shè)計 a冗余設(shè)計法：對薄弱零部件在設(shè)計階段應(yīng)考慮備份有能完全相同功能的結(jié)構(gòu)，如在飛機(jī)設(shè)計中采用平常不參與受力的輔助機(jī)構(gòu)，當(dāng)主要受力構(gòu)件疲勞破壞后，輔助構(gòu)件參與承載主要受力構(gòu)件的任務(wù)，保證其安全工作。 b安全使用期限設(shè)計法：對于容易損壞的構(gòu)件采用有限壽命設(shè)計，這就要用可靠性理論準(zhǔn)確估計其疲勞壽命期限，當(dāng)易損件達(dá)到使用壽命時及時更換，設(shè)計時采用可開啟式結(jié)構(gòu)，易于維修，檢查和更換。 c減荷設(shè)計法：設(shè)計時盡量減小結(jié)構(gòu)件的內(nèi)應(yīng)力和應(yīng)力集中，采用物理方法消除或降低其內(nèi)的應(yīng)力。 d安全裝置與安全檢測設(shè)計法：采用信號監(jiān)控裝置，進(jìn)行實時監(jiān)控，如采用自行監(jiān)控與自行矯正的閉式反饋控制系統(tǒng)，這是當(dāng)前安全設(shè)計的發(fā)展方向。 e采用多路傳力結(jié)構(gòu)或多重受力結(jié)構(gòu)件設(shè)計方法：當(dāng)其中一個結(jié)構(gòu)件損壞后，其它元件仍能繼續(xù)受力，保證構(gòu)件具有繼續(xù)承載能力。如多梁飛機(jī)機(jī)翼就是一例，此外結(jié)構(gòu)的連接處和連接接頭疲勞設(shè)計也不容輕視，任何結(jié)構(gòu)件均由構(gòu)件組合而成，實踐證明，疲勞破壞常常在連接部位出現(xiàn)，例如飛行器設(shè)計中的連接件設(shè)計就是抗疲勞設(shè)計的重要內(nèi)容。 4結(jié)束語 總之，在抗疲勞設(shè)計中，凡是有利于提高疲勞強(qiáng)度的方法及相應(yīng)措施在設(shè)計階段應(yīng)考慮及應(yīng)用，凡可能會降低疲勞強(qiáng)度的因素應(yīng)在設(shè)計中盡量避免。