提高疲勞強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則-刪減螺栓部分

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1、第三節(jié) 提高疲勞強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則機(jī)械零件失效調(diào)查發(fā)現(xiàn),80%屬于疲勞破壞。因此,在設(shè)計(jì)中應(yīng)重視提高疲勞強(qiáng)度的措施。疲勞破壞:在材料有不一致性的情況下,零件內(nèi)部分布不均的彈性和塑性變形多次快速反復(fù)交替作用的結(jié)果。最先的破壞發(fā)生在存在相對于作用載荷的方向不利的殘余應(yīng)力和受局部削弱部分的微觀體積內(nèi),進(jìn)而逐漸擴(kuò)展而發(fā)生零件的整體破壞。 從疲勞斷裂的斷面可以分析出引起破壞的原因。 上圖是典型花鍵軸疲勞斷裂的斷面情況。從中可以清楚地看到,從根部應(yīng)力集中處產(chǎn)生并發(fā)展成的裂紋。 應(yīng)力集中、螺紋連接中連接件與被連接件的相對剛度、零件表面的粗糙度、形狀及尺寸均影響零件的疲勞強(qiáng)度。對零件的表層進(jìn)行某些處理可以提高

2、疲勞強(qiáng)度。下面分別介紹:一、降低應(yīng)力集中的準(zhǔn)則二、連接件與被連接件的剛度合理匹配準(zhǔn)則三、改善表面狀況準(zhǔn)則 一、降低應(yīng)力集中的準(zhǔn)則 受載荷的零件,在鉆孔、切槽、過渡倒角以及斷面驟然變化的過渡部分都存在應(yīng)力集中。在應(yīng)力集中的部位,零件的疲勞強(qiáng)度將顯著降低。該處的最大應(yīng)力比這個(gè)斷面上的平均應(yīng)力可以大25倍。降低應(yīng)力集中程度可以提高零件的疲勞強(qiáng)度。 例 :三 種 槽 型 的 應(yīng) 力 集 中圖中所示的板或軸受拉,上面切出不同的三個(gè)槽,其應(yīng)力集中程度有明顯差別。 例 :五 種 段 面 變 化 形 式 應(yīng)力集中的 比 較上圖所示的五種不同的局部變化形式,其應(yīng)力集中程度也有明顯差別。規(guī)律是:斷面變化急劇,則應(yīng)

3、力集中嚴(yán)重;斷面變化平緩,應(yīng)力集中輕微。 例:降 低 應(yīng) 力 集 中 的 最 大 應(yīng) 力板上有孔,若既要降低應(yīng)力集中的最大應(yīng)力又不多費(fèi)材料,可參考上圖的結(jié)構(gòu)。 為了進(jìn)一步了解應(yīng)力集中問題,以板上鉆孔為例作些介紹。 nomk max nomTTk max nomEk max 通常以應(yīng)力集中系數(shù)表示應(yīng)力集中的程度。若認(rèn)為材料是理想、均質(zhì)的彈性物質(zhì),用彈性力學(xué)方法可以得出理論的應(yīng)力集中系數(shù) 用實(shí)驗(yàn)得出的是有效應(yīng)力集中系數(shù) 例:橫 向 孔 受 拉 矩 形 斷 面 桿 件 的 應(yīng) 力 集 中 上圖給出了三種不同材料在不同的d/B值時(shí),受拉的k T、kE值以及 值。 )1/()1()/( TETE kkq

4、kkc、 受拉、壓、彎、扭不同形式的載荷和引起零件應(yīng)力集中的不同結(jié)構(gòu)形式,其應(yīng)力集中程度也各不相同。以受拉時(shí)的kE為1,其他情況時(shí)的kE值見表。彎曲 扭轉(zhuǎn) 壓縮 圓 角 過 渡 部 分 的 應(yīng) 力 集 中 不同直徑相鄰軸段過渡部分的結(jié)構(gòu),對應(yīng)力集中有直接影響。當(dāng)采用圓弧過渡時(shí),軸受彎曲,其應(yīng)力分布如圖a所示;受扭時(shí),如圖b所示。 有 效 應(yīng) 力 集 中 系 數(shù)當(dāng)r=(D-d)/2時(shí),不同D/d值時(shí)的彎曲有效應(yīng)力集中系數(shù)k 及受扭應(yīng)力集中系數(shù)k,見圖a和圖b。受彎曲比受扭對應(yīng)力集中更敏感。 不 同 的 圓 角 過 渡 形 式上圖列舉了七種圓弧過渡形式。 不 同 的 圓 角 過 渡 形 式 當(dāng)過渡

5、部分的軸向長度不受限制時(shí),可用如圖a的直線或大圓弧形式。當(dāng)過渡部分的長度l1.6d時(shí),就不存在應(yīng)力集中了。 但是,這種形式常因長度l過大而在使用上受限制。 不 同 的 圓 角 過 渡 形 式 圖b所示橢圓圓角過渡部分長度較圖a的l小,也有較好地降低應(yīng)力集中的效果。 不 同 的 圓 角 過 渡 形 式為便于與小直徑軸段銜接,還有采用三圓弧或二圓弧的過渡形式, 且r 1r2 (圖c、d)。這樣可獲得與橢圓圓弧近似的效果。 不 同 的 圓 角 過 渡 形 式 當(dāng)既要有較大的圓弧半徑又不減小較小的軸頸時(shí),可采用圖e、f的形式。圖g是具有卸荷槽的結(jié)構(gòu)。它可以更有效地降低有效應(yīng)力集中系數(shù)。 螺 栓 的 應(yīng)

6、 力 集 中 重要的、受重載或變載的螺栓,螺栓頭部和桿部的過渡部分也須認(rèn)真設(shè)計(jì)。普通結(jié)構(gòu)的螺栓與被連接件結(jié)合后,存在嚴(yán)重的應(yīng)力集中,如圖所示。 螺 栓 的 應(yīng) 力 集 中螺母與螺桿螺紋的結(jié)合部位的應(yīng)力集中可采用改進(jìn)螺母結(jié)構(gòu)的方法解決,本章前面已有闡述。螺栓頭與桿的截面突變處也有嚴(yán)重的應(yīng)力集中。如圖a所示之尖角結(jié)構(gòu),從螺栓頭到桿部,其剛度突然減小很多,力線的方向發(fā)生急劇變化,所以,應(yīng)力集中嚴(yán)重。如果將過渡部位設(shè)計(jì)成半徑為r圓角(圖b),可提高壽命35倍。 螺 栓 的 應(yīng) 力 集 中 但是這種僅有過渡圓角的結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中仍很嚴(yán)重。為了有效地降低應(yīng)力集中,可采用圖b、c、d的結(jié)構(gòu),d最佳。在交變載荷作

7、用下,對于車、銑和磨制的螺紋,要使螺栓等強(qiáng),過渡圓角半徑應(yīng)取r=(0.10.125)d0。對于滾軋螺紋或在車、銑、磨之后經(jīng)滾軋而提高了螺紋強(qiáng)度的螺栓，則取r=(0.20.3)d0 。 二、連接件與被連接件的剛度合理匹配準(zhǔn)則以一個(gè)合理配置螺栓連接剛度以提高其疲勞強(qiáng)度的例子，說明連接件與被連接件的剛度合理匹配準(zhǔn)則。 43.1 21 dQca 合 理 配 置 螺 栓 連 接 剛 度 以 提 高 其 疲勞 強(qiáng) 度 (見 機(jī) 械 設(shè) 計(jì) ) 在具有預(yù)緊力的螺栓連接中,如果工作載荷是脈動的,則螺栓和被連接件(以下簡稱凸緣)所受的拉力和壓力都是非對稱循環(huán)變化的。螺栓與凸緣的剛度(實(shí)為二者的相對剛度)和連接的

8、預(yù)緊力與工作載荷的比值,決定了螺栓和凸緣所受載荷的波動程度。 合 理 配 置 螺 栓 連 接 剛 度 以 提 高 其 疲勞 強(qiáng) 度降低相對剛度1/2 :減小螺栓直徑、加大螺栓距離和加大凸緣截面積 三、改善表面狀況準(zhǔn)則1、降低表面粗糙程度準(zhǔn)則表面加工粗糙留有刀痕,零件受力后會產(chǎn)生應(yīng)力集中。所以,提高表面光潔程度可使零件的疲勞強(qiáng)度得到改善。右圖是根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出的疲勞強(qiáng)度折減因子b(鋼材)與材料的抗拉強(qiáng)度 b及表面粗糙度Ra之間的關(guān)系曲線。 強(qiáng)度越高，鋼材塑性越低對應(yīng)力集中越敏感對疲勞強(qiáng)度的影響越顯著 圖2-44是交變應(yīng)力下淬火-回火鋼及正火鋼的b-Ra曲線。圖2-45是拉-壓及彎曲應(yīng)力(非交變)

9、下淬火-回火鋼的b-Ra曲線。圖2-46是鑄鐵材料毛坯面時(shí)的b-b曲線。 表面處理:采用滾壓、噴丸、碳化和氮化等方法強(qiáng)化表面層,以提高疲勞強(qiáng)度。2、表面處理提高疲勞強(qiáng)度準(zhǔn)則表面經(jīng)處理后形成硬化層和氮化層,并在表面形成壓應(yīng)力。當(dāng)工作載荷使表層存在拉應(yīng)力時(shí),因有殘余應(yīng)力,拉應(yīng)力被部分地抵消。總的效果是提高了疲勞強(qiáng)度。 表面硬化層不得間斷,否則,在間斷的軟硬表面交界處,疲勞強(qiáng)度會顯著降低。以上圖中的齒輪輪齒表面和曲軸軸頸表面的硬化為例,其中:是錯(cuò)誤的;是正確的。 為了提高疲勞強(qiáng)度,對于不同的表面硬化方法,最佳的硬化層厚度是: 滲碳:0.40.8mm 碳氮共滲和氮化:0.30.5mm 高頻淬火及火焰淬

10、火:24mm如果將齒輪輪齒的全齒廓均作火焰淬火處理,其持久根限為原鋼料的1.85倍。若僅將工作齒面淬火,因軟硬交界處產(chǎn)生應(yīng)力突變,持久極限反而降低為原鋼料的80%。 例 :游 戲 機(jī) 鋼 繩 彎 曲 疲 勞 失 效大型游戲飛機(jī)的傳動裝置，由電動機(jī)-減速器-卷筒-鋼繩提起立柱,在立柱頂端裝有8根橫桿其上各有一架模型飛機(jī)。立柱由鋼繩拉起3m高,立柱頂端的電動機(jī)2使飛機(jī)繞立柱轉(zhuǎn)動,35min后電動機(jī)1反轉(zhuǎn),飛機(jī)下落至地面,完成一個(gè)游戲循環(huán)。提升立柱所須鋼繩拉力F=15kN。 例 :游 戲 機(jī) 鋼 繩 彎 曲 疲 勞 失 效傳動裝置采用了619+1的鋼繩(6股,每股19根鋼絲,芯1)鋼繩直徑d=21.

11、5mm,鋼絲繩最小破斷拉力Fd=272kN,滑輪直徑D=400mm。此例中,Fd/F=272/15=18.1好象有較大的安全儲備。實(shí)際上工作18743次以后,鋼絲繩被拉斷,游藝飛機(jī)落下。 游 戲 機(jī) 鋼 繩 彎 曲 疲 勞 失 效事后分析主要結(jié)果如下:1)鋼絲繩斷口十分不整齊,是鋼絲逐漸斷開,最后整 根鋼絲繩斷裂,造成事故。2)在斷口以外的鋼絲繩也有許多斷絲現(xiàn)象。3)鋼絲繩表面的鋼絲有許多發(fā)生嚴(yán)重磨損。4)鋼絲繩所受彎曲應(yīng)力過大。5)鋼絲繩導(dǎo)向的導(dǎo)向輪與軸之間沒有潤滑油孔 ,導(dǎo)致表面嚴(yán)重磨損。 游 戲 機(jī) 鋼 繩 彎 曲 疲 勞 失 效6)鋼絲斷口有明顯的疲勞條帶,確定為疲勞斷裂。7) 圖為游

12、藝飛機(jī)在最低(圖a)和最高(圖b)位置時(shí)的鋼絲繩工作情況。卷筒卷起鋼絲繩共12m,其中45m、10.515.5m處兩段的斷絲特別多,說明彎曲應(yīng)力對鋼絲繩斷絲起主要作用。辦法：增大傳動輪的直徑，減小鋼絲繩經(jīng)過傳動輪時(shí)產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力。 游 戲 機(jī) 活 塞 桿 彎 曲 疲 勞 失 效圖為大型游戲機(jī)探空飛梭的座椅及其鎖緊機(jī)構(gòu)。3s內(nèi)座椅可以上升3050m,然后靠彈性繩索牽引及重力作用,上下運(yùn)動,逐漸衰減。在椅上裝有安全杠壓在游戲者前面。安全杠可以繞A軸轉(zhuǎn)動,抬起時(shí)游戲者可以進(jìn)入或離開座椅,坐定后放下安全杠。 游 戲 機(jī) 活 塞 桿 彎 曲 疲 勞 失 效在安全杠起落時(shí)其外端B處推動活塞桿在液壓缸中上下

13、運(yùn)動。用電磁閥控制聯(lián)系液壓缸兩端油路的開閉。油路開通時(shí),活塞在液壓缸中可以上下自由移動,安全杠可以自由開閉。游戲者坐定,放下安全杠以后,關(guān)閉油路,活塞不能移動,安全杠不能抬起,可以保證游戲者的安全。活塞桿若斷裂則安全杠失去約束,會發(fā)生事故。 游 戲 機(jī) 活 塞 桿 彎 曲 疲 勞 失 效下面對活塞桿強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算:3355245023arctan NNFF NNFF ba 43933552sin8600sin 858933552cos8600cos33 33 由計(jì)算得到安全杠桿受水平推力F1=600N,向上推力F2=700N。據(jù)此,計(jì)算得到B點(diǎn)受力F3=8600NF3作用方向沿BC連線,可以分解

14、為沿活塞桿方向的分力F3a和垂直于活塞桿方向的分力F3b。 游 戲 機(jī) 活 塞 桿 彎 曲 疲 勞 失 效 活塞桿危險(xiǎn)斷面D處直徑d=11mm,距B端l=70mm。壓力F3a產(chǎn)生壓縮應(yīng)力: MPaMPadF aa 4.9011485894 223 MPaMPadlF bb 2.2351132 7043932 333 MpaMpaba 6.325)2.2354.90( F3b對斷面D處產(chǎn)生彎曲應(yīng)力:斷面D所受的總應(yīng)力 游 戲 機(jī) 活 塞 桿 彎 曲 疲 勞 失 效 活塞桿屈服強(qiáng)度s=355MPa 彎曲疲勞極限-1=275MPa 抗拉強(qiáng)度b=640MPa 09.16.325355 sS MPaMP

15、aam 162.82 6.3252 按靜載荷校核,安全系數(shù)按疲勞強(qiáng)度校核安全系數(shù),因活塞桿所受拉力較大,所受應(yīng)力按脈動變應(yīng)力計(jì)算 游 戲 機(jī) 活 塞 桿 彎 曲 疲 勞 失 效 計(jì)算活塞桿斷面D處的應(yīng)力集中: D=16.5mm,d=11mm,r=1mm,由手冊或資料查得有效應(yīng)力集中系數(shù)k=1.46,尺寸系數(shù)=0.91,表面質(zhì)量系數(shù)=0.82,材料常數(shù)=0.34 736.08.16234.08.16282.091.0 46.1 2751 maca kS 由疲勞強(qiáng)度計(jì)算公式可得 游 戲 機(jī) 活 塞 桿 彎 曲 疲 勞 失 效結(jié)論:此桿靜載強(qiáng)度安全系數(shù)為1.09,不夠大,而疲勞強(qiáng)度不夠,有斷裂的危險(xiǎn),應(yīng)修改設(shè)計(jì)。由計(jì)算可知,由于支點(diǎn)C偏離活塞桿中心線23mm,引起的彎曲應(yīng)力是壓縮應(yīng)力的2.6倍,是活塞桿強(qiáng)度不足的主要原因。由此例可以看出,彎曲應(yīng)力對機(jī)械零件的強(qiáng)度影響很大 。