提高零件疲勞強度的方法.doc

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提高零件疲勞強度的方法 【摘要】 機械零件的抗疲勞破壞是造成機械運行故障的主要原因,因此，提高機械零件的疲勞強度是機械結(jié)構(gòu)設計中不容忽視的問題。針對影響零件疲勞強度的因素并結(jié)合實際，對在設計過程中如何提高零件的疲勞強度的方法及措施做簡要的敘述和相關分析，且對工程中常見的問題，提出相應的控制方法和解決措施。 【關鍵詞】疲勞強度 ；應力集中 1概述 在19世紀初，隨著蒸汽機車的發(fā)明和鐵路建設的迅速發(fā)展，機車車輛的疲勞破壞現(xiàn)象時有發(fā)生，使工程技術(shù)人員認識到交變應力對金屬強度的不良影響。很多結(jié)構(gòu)物都承受交變應力的作用，例如飛機，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)物也同樣承受變應力作用，因為橋梁上駛過車輛時，房屋中的機器設備運轉(zhuǎn)和振動時，甚至刮風等均會引起交變應力。所以交變應力對于結(jié)構(gòu)物來說是經(jīng)常遇到的。 絕大多數(shù)的機械零件是在循環(huán)變應力作用下工作的，如彈簧，齒輪，軸等都是在循環(huán)載荷下工作的，承受交變應力或重復應力，如在工作過程中工作應力低于屈服強度時就會發(fā)生疲勞破壞，造成重大的經(jīng)濟損失。為避免這些現(xiàn)象的發(fā)生，提高零件的疲勞強度，在設計階段應考慮它的使用環(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，對提高零件疲勞強度的方法及措施進行簡要的敘述。 2零件的疲勞特性 材料的疲勞特性可用最大應力，應力循環(huán)次數(shù)，應力比（循環(huán)特性）來表述。在一定的應力比下，當循環(huán)次數(shù)低于時，屬靜應力強度，當循環(huán)次數(shù)在時屬于低周疲勞，然而一般零件承受變應力時，其應力循環(huán)次數(shù)通常大于，屬高周疲勞，此階段，如果作用的變應力小于持久疲勞極限，無論應力變化多少次，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提高零件疲勞強度的方法 影響零件的疲勞強度的因素很多，比如材料的最大應力，工作環(huán)境，應力狀態(tài)，加工質(zhì)量與加工工藝等。為提高零件的疲勞強度，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：在滿足靜強度要求的同時，還應具備良好的抗疲勞性能。過去靜強度選材的一個基本原則是要求強度高，但在疲勞設計中，需從疲勞強度的觀點選材： a在達到使用期限的應力值時，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，不會很快導致災難性的破壞。 d注意軋材和鍛材等的纖維方向和主要受力方向應一致，因為在垂直纖維方向的承載強度會下降百分之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，降溫設計 在實踐應用中，人們發(fā)現(xiàn)，在較低的交變應力作用下，零件不易發(fā)生疲勞裂紋，即使產(chǎn)生裂紋，其擴展速率也較慢。但究竟把應力水平控制在怎樣的范圍內(nèi)比較合適，尤其對確定初步設計中的應力水平非常重要。使用實踐證實：組裝成型后的構(gòu)件在低應力下運轉(zhuǎn)一定周次后，再逐步提高到設計應力水平，也可提高抗疲勞強度；對于發(fā)熱摩擦零件采用降溫設計，這些方法都能提高構(gòu)件疲勞強度及壽命。電子行業(yè)采取降荷降溫設計后，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）避免和減緩應力集中 零件的疲勞破壞一般是從最大應力處開始的，而應力集中通常是產(chǎn)生疲 勞裂紋的最主要原因，在設計時應盡量避免，可是在實際結(jié)構(gòu)中要完全避免應力集中問題幾乎是不可能的。因此，在設計中應盡量減緩應力集中現(xiàn)象。結(jié)構(gòu)件的設計原則是： a在零件中應避免橫截面上出現(xiàn)急劇變化，當橫截面形狀或尺寸改變時，盡量用大圓角來過渡，同時在設計時應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)，在不對稱處應注意局部彎曲引起的應力。 c結(jié)構(gòu)件應盡可能減少開口，特別在受拉表面盡量不開口，如需開口應考慮其形狀，以減小應力集中，同時開口的位置應設計在低應力區(qū)。 d鉚釘及螺紋孔，焊縫等是產(chǎn)生應力的集中源，在其連接處適當加厚以降低局部應力，對焊縫處磨平，采用去毛刺，邊緣倒角等工藝是減小應力集中的有效方法。 e在主要零件存在應力集中的地方不應再連接次要零件，避免增大局部應力。 圖（1）降低應力集中的幾個案例 （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，提高疲勞強度。 b采用表面強化工藝，是表層金屬強度提高，使疲勞發(fā)生源從表面移至到表層以下區(qū)域，達到提高零件的疲勞強度。如表面淬火等熱處理，滲碳滲氮等化學熱處理以及滾壓，噴丸等機械的硬化處理等方法，使材料表層的抗疲勞強度增加。 近年來，表面強化方法趨于完善，除了傳統(tǒng)的零件硬化方法以外，液壓機械處理，振動滾壓，金剛石熨平等新方法也得到了廣泛應用。其中振動滾壓法可使中等硬度結(jié)構(gòu)鋼的冷作深度達30至50mm，而大大提高零件的疲勞極限。 還有各種復合強化方法，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行預氬弧處理的復合強化等也得到了廣泛應用。 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，例如對電鍍零件應注意避免應力腐蝕現(xiàn)象。 d相對靜止的兩表面間應減小滑動，避免腐蝕擦傷，無法避免時應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力以提高零件的疲勞壽命，但同時要注意，引入殘余拉應力會使材料的疲勞強度下降。 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，不致擴展到其他元件上。②設置止裂孔和止裂縫，當裂紋擴展到小孔或裂縫時，尖端變鈍，使擴展減緩。③設置止裂件，在裂紋的擴展途徑上設置加強件。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）合理的振動設計 對于高速運行或做往復振動的零件，在設計階段應注意考慮其布局的合理性以及運動狀態(tài)的情況。 a設計時應通過與類似產(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構(gòu)上的操作系統(tǒng)，管路系統(tǒng)在設計時應考慮共振對其的影響，設計時在振動大的地方加設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，振動機械支撐板等在設計時應考慮設置加強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)板件應增加剛度與阻尼,例如噴氣發(fā)動機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）可靠性設計 a冗余設計法：對薄弱零部件在設計階段應考慮備份有能完全相同功能的結(jié)構(gòu)，如在飛機設計中采用平常不參與受力的輔助機構(gòu)，當主要受力構(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，保證其安全工作。 b安全使用期限設計法：對于容易損壞的構(gòu)件采用有限壽命設計，這就要用可靠性理論準確估計其疲勞壽命期限，當易損件達到使用壽命時及時更換，設計時采用可開啟式結(jié)構(gòu)，易于維修，檢查和更換。 c減荷設計法：設計時盡量減小結(jié)構(gòu)件的內(nèi)應力和應力集中，采用物理方法消除或降低其內(nèi)的應力。 d安全裝置與安全檢測設計法：采用信號監(jiān)控裝置，進行實時監(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)，這是當前安全設計的發(fā)展方向。 e采用多路傳力結(jié)構(gòu)或多重受力結(jié)構(gòu)件設計方法：當其中一個結(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。如多梁飛機機翼就是一例，此外結(jié)構(gòu)的連接處和連接接頭疲勞設計也不容輕視，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)，例如飛行器設計中的連接件設計就是抗疲勞設計的重要內(nèi)容。 4結(jié)束語 總之，在抗疲勞設計中，凡是有利于提高疲勞強度的方法及相應措施在設計階段應考慮及應用，凡可能會降低疲勞強度的因素應在設計中盡量避免。