机械零件常规疲劳强度设计方法的研究

王建玮

（太原航空仪表有限公司，太原 030006）



机械零件常规疲劳强度设计方法的研究

王建玮

（太原航空仪表有限公司，太原 030006）

摘 要：受变荷载影响，多数机械零件容易疲劳破坏，使得使用寿命大大缩短，一定程度上影响机械设备性能的充分发挥。因此，加强机械零件常规疲劳强度设计，对提高其抗疲劳性能具有重要意义。本文明确机械强度设计的步骤，阐述常规疲劳设计方法及疲劳强度的计算方法，提出了提升机械零件疲劳强度的有效设计对策，以供参考。

关键词：机械零件 疲劳强度 设计方法

为提高机械设备性能，促使其经济与社会效益的充分发挥，应将疲劳强度设计当做重要内容加以落实。

1 机械零件强度设计步骤

机械零件强度设计主要考虑两项内容：（1）机械零件尺寸的初步确定。（2）关键位置强度的确定。其中，确定机械零件初步尺寸时，需对其静强度加以计算。而后校核计算机械零件截面或关键位置。机械零件校核计算重点在于对安全系数的判定，要求其不能小于许用安全系数，即n≥[n]。另外，以上两项内容均满足要求后，还应考虑机械零件的使用寿命，结合机械零件的各项参数，估算机械零件寿命，以验证其是否满足相关规范标准要求。

2 机械零件常规疲劳设计方法

机械零件常规疲劳设计时，要在排除零件初始裂纹的前提下，实施标准试样疲劳试验，以获得机械零件的疲劳极限图、S-N曲线以及零件材料的疲劳极限等相关内容。同时，综合分析零件形状产生的应力、表面状况、零件尺寸等，确定机械零件常规疲劳设计的方法。依据S-N曲线，可将机械零件常规疲劳设计分为有限寿命设计与无限寿命设计。其中，前者的设计主要参考S-N曲线中的斜线，后者则主要参考水平线。

2.1 有限寿命设计

部分领域的机械零件更新换代较快或属于一次性消耗产品。因此，要常对其进行有限生命设计，并在满足设计标准的基础上，减轻其重量，尤其要将超过疲劳极限工作应力作为设计过程中重点考虑的内容。机械零件有限寿命设计主要基于迈因纳理论，即受给定应力水平反复作用，试样损伤程度与应力循环次数之间呈现线性累计关系，当损伤累计达到临界点时破坏。同时，需要明确的是，不同应力给机械零件造成的疲劳损伤彼此并不受影响，而是相互独立。因此，机械零件总的损伤是所有损伤之和。

2.2 无限寿命设计

无限寿命设计指机械零件在无限长时间内不会因疲劳而发生破坏。分析S-N曲线不难发现，水平线段表示机械零件的疲劳寿命为无限的。因此，设计时只要将机械零件的工作应力控制在疲劳极限内，从理论上便可达到无限寿命目标。但是，按照这一理论设计机械零件，往往给零件尺寸及重量造成不良影响，如零件尺寸较大且过于笨重。但是，对使用寿命较长的零件而言，尽可能延长其寿命，依据该理论仍较为有效。

3 机械零件疲劳强度的计算及设计对策

机械零件工作期间所受的变应力有稳定与不稳定之分。为保证设计机械零件的疲劳强度满足规范及使用要求，应注重计算不同条件下机械零件的疲劳强度，以提出针对性设计对策。

3.1 稳定变应力疲劳强度的计算

3.2 非稳定变应力疲劳强度的计算

3.3 提高机械零件疲劳强度的设计对策

研究发现，影响机械零件疲劳强度的因素较多，其中应力集中、零件尺寸、表面状态等均会给机械零件疲劳强度造成了不良影响。因此，设计机械零件时，应综合分析机械零件面临的影响因素，并初步估算疲劳强度，而后采取针对性设计对策，提高机械零件的疲劳强度。

首先，减少机械零件应力集中。为最大限度地减少机械零件应力集中，设计过程中应加强机械零件应力集中规律的研究，掌握机械零件应力集中特点。例如，设计过程在不影响零件功能正常发挥的基础上，要注重改善机械零件外形，尤其不应将角度设计成尖角。同时，如果需要开孔，应尽量开椭圆或圆孔，且位置选择在低应力位置。另外，还应局部加强孔边。

其次，提高零件表面加工质量。设计机械零件时，应注重考虑其表面加工质量，尤其应充分考虑所用的材料。在使用性能优良生产材料的同时，要在零件表面多下功夫，如要求对零件表面进行氧化、辊压以及喷丸处理等，以争取做到精益求精，避免机械零件表面初始裂纹的产生，提高机械零件的应力抵抗能力。

最后，强化机械零件生产工艺。强化机械零件生产工艺是提高机械零件疲劳强度的重要举措。因此，对机械零件进行设计时应充分考虑机械零件的生产工艺。一方面，要明确设计机械零件的用途及材料性能；另一方面，结合使用的材料，运用针对性工艺加以处理，以有效提高机械零件的疲劳强度。

4 总结

随着社会的进步，机械设备在人们生产生活中的应用率越来越高。因此，确保机械设备性能的充分发挥意义重大。众所周知，机械设备性能优良与否和机械零件性能不无关系。研究发现，疲劳强度是影响机械零件性能与使用寿命的重要因素，尤其在当今社会，部分领域对机械零件性能要求较高。因此，应积极采取有效措施提高机械零件的疲劳强度，明确疲劳强度设计的步骤及方法，分析影响疲劳强度的因素，从而优化设计质量，为提高机械零件的疲劳强度奠定坚实基础。

参考文献

[1]孙少江.机械零件疲劳强度的影响因素论析[J].科协论坛，2011，（9）：100-101.

[2]蔡艳，阳益贵，欧阳临湘，龙作彪.表面质量对零件抗疲劳强度的影响[J].机械工业标准化与质量，2009，（7）：35-38.

[3]刘金标.提高零件疲劳强度的方法及措施[J].机械管理开发，2010，（4）：68-69.

[4]张扬，韩蕊，韩延波.提高零件疲劳强度的方法研究[J].河南科技，2012，（18）：54.

Study on the Fatigue Strength of Conventional Mechanical Parts Design Method

WANG Jianwei
(Taiyuan Aviation Instrument Co., Ltd., Taiyuan 030006)

Abstract:The influence by varying loads, fatigue damage most mechanical parts, making life s hortened, to a certain extent affect the mechanical e quipment performance into full pl ay. Therefore, the s trengthening investigate the fatigue s trength of conventional mechanical parts design, to improve its a nti-fatigue properties is important. In this paper, a clear step mechanical strength desi gn, elaborated conventional design methods a nd calculation methods of fatigue fatigue strength is proposed to enhance the fatigue s trength of mechanical parts design effective countermeasures, for reference.

Key words:mechanical parts, fatigue strength, design methods