機械零件常規疲勞強度設計方法的研究

王建瑋

（太原航空儀表有限公司，太原 030006）

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機械零件常規疲勞強度設計方法的研究

王建瑋

（太原航空儀表有限公司，太原 030006）

摘 要：受變荷載影響，多數機械零件容易疲勞破壞，使得使用壽命大大縮短，一定程度上影響機械設備性能的充分發揮。因此，加強機械零件常規疲勞強度設計，對提高其抗疲勞性能具有重要意義。本文明確機械強度設計的步驟，闡述常規疲勞設計方法及疲勞強度的計算方法，提出了提升機械零件疲勞強度的有效設計對策，以供參考。

關鍵詞：機械零件 疲勞強度 設計方法

為提高機械設備性能，促使其經濟與社會效益的充分發揮，應將疲勞強度設計當做重要內容加以落實。

1 機械零件強度設計步驟

機械零件強度設計主要考慮兩項內容：（1）機械零件尺寸的初步確定。（2）關鍵位置強度的確定。其中，確定機械零件初步尺寸時，需對其靜強度加以計算。而后校核計算機械零件截面或關鍵位置。機械零件校核計算重點在于對安全系數的判定，要求其不能小于許用安全系數，即n≥[n]。另外，以上兩項內容均滿足要求后，還應考慮機械零件的使用壽命，結合機械零件的各項參數，估算機械零件壽命，以驗證其是否滿足相關規范標準要求。

2 機械零件常規疲勞設計方法

機械零件常規疲勞設計時，要在排除零件初始裂紋的前提下，實施標準試樣疲勞試驗，以獲得機械零件的疲勞極限圖、S-N曲線以及零件材料的疲勞極限等相關內容。同時，綜合分析零件形狀產生的應力、表面狀況、零件尺寸等，確定機械零件常規疲勞設計的方法。依據S-N曲線，可將機械零件常規疲勞設計分為有限壽命設計與無限壽命設計。其中，前者的設計主要參考S-N曲線中的斜線，后者則主要參考水平線。

2.1 有限壽命設計

部分領域的機械零件更新換代較快或屬于一次性消耗產品。因此，要常對其進行有限生命設計，并在滿足設計標準的基礎上，減輕其重量，尤其要將超過疲勞極限工作應力作為設計過程中重點考慮的內容。機械零件有限壽命設計主要基于邁因納理論，即受給定應力水平反復作用，試樣損傷程度與應力循環次數之間呈現線性累計關系，當損傷累計達到臨界點時破壞。同時，需要明確的是，不同應力給機械零件造成的疲勞損傷彼此并不受影響，而是相互獨立。因此，機械零件總的損傷是所有損傷之和。

2.2 無限壽命設計

無限壽命設計指機械零件在無限長時間內不會因疲勞而發生破壞。分析S-N曲線不難發現，水平線段表示機械零件的疲勞壽命為無限的。因此，設計時只要將機械零件的工作應力控制在疲勞極限內，從理論上便可達到無限壽命目標。但是，按照這一理論設計機械零件，往往給零件尺寸及重量造成不良影響，如零件尺寸較大且過于笨重。但是，對使用壽命較長的零件而言，盡可能延長其壽命，依據該理論仍較為有效。

3 機械零件疲勞強度的計算及設計對策

機械零件工作期間所受的變應力有穩定與不穩定之分。為保證設計機械零件的疲勞強度滿足規范及使用要求，應注重計算不同條件下機械零件的疲勞強度，以提出針對性設計對策。

3.1 穩定變應力疲勞強度的計算

3.2 非穩定變應力疲勞強度的計算

3.3 提高機械零件疲勞強度的設計對策

研究發現，影響機械零件疲勞強度的因素較多，其中應力集中、零件尺寸、表面狀態等均會給機械零件疲勞強度造成了不良影響。因此，設計機械零件時，應綜合分析機械零件面臨的影響因素，并初步估算疲勞強度，而后采取針對性設計對策，提高機械零件的疲勞強度。

首先，減少機械零件應力集中。為最大限度地減少機械零件應力集中，設計過程中應加強機械零件應力集中規律的研究，掌握機械零件應力集中特點。例如，設計過程在不影響零件功能正常發揮的基礎上，要注重改善機械零件外形，尤其不應將角度設計成尖角。同時，如果需要開孔，應盡量開橢圓或圓孔，且位置選擇在低應力位置。另外，還應局部加強孔邊。

其次，提高零件表面加工質量。設計機械零件時，應注重考慮其表面加工質量，尤其應充分考慮所用的材料。在使用性能優良生產材料的同時，要在零件表面多下功夫，如要求對零件表面進行氧化、輥壓以及噴丸處理等，以爭取做到精益求精，避免機械零件表面初始裂紋的產生，提高機械零件的應力抵抗能力。

最后，強化機械零件生產工藝。強化機械零件生產工藝是提高機械零件疲勞強度的重要舉措。因此，對機械零件進行設計時應充分考慮機械零件的生產工藝。一方面，要明確設計機械零件的用途及材料性能；另一方面，結合使用的材料，運用針對性工藝加以處理，以有效提高機械零件的疲勞強度。

4 總結

隨著社會的進步，機械設備在人們生產生活中的應用率越來越高。因此，確保機械設備性能的充分發揮意義重大。眾所周知，機械設備性能優良與否和機械零件性能不無關系。研究發現，疲勞強度是影響機械零件性能與使用壽命的重要因素，尤其在當今社會，部分領域對機械零件性能要求較高。因此，應積極采取有效措施提高機械零件的疲勞強度，明確疲勞強度設計的步驟及方法，分析影響疲勞強度的因素，從而優化設計質量，為提高機械零件的疲勞強度奠定堅實基礎。

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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