一次性機械零件設計方法綜述

錢松濤

摘 要：一次性機械零件的設計方法是現代機械設計制造的一個重點，一次性機械零件設計理念對國防建設和高端機械技術發展具有一定作用。文章針對當前一次性機械零件設計方法的特點和應用狀況，針對當前一次性機械零件研究在理論機械零件參數確定和試驗設計中存在的若干問題，分析運用不同類型材料制造一次性零件時疲勞失效形式和特點不一的難點問題，并提出相關建議。

關鍵詞：一次性；機械零件；設計

中圖分類號：TH14 文獻標識碼：A

一次性機械零件指承受應力水平高，壽命周期短，在短時間內能承受高強度交變載荷的機械零件。一次性機械零件采用試驗樣機法源于國內某廠某次某型號箭用舵機減速裝置的設計，在該設計中正式提出一次性機械零件。

常規機械零件的設計準則通常有強度、剛度、壽命、振動穩定性和可靠性等設計準則。考慮到實用性和耐久性，常規機械設備或零件通常長期承受交變循環載荷，其使用壽命甚至長達十幾二十年。一次性機械零件由于使用周期短，承受短期交變載荷，甚至某機械運動過程不存在破壞即可，則其主要失效形式不再是簡單的疲勞、磨損和腐蝕。

1.沿用常規零件設計方法

機械零件的常規設計方法主要有經驗設計和模型實驗設計。

經驗設計是某一類型的零件已存在的通用設計方法，此類零件通過已有的成熟設計方案采用類比進行設計。

對于大型且結構復雜的零件，模型實驗設計過程中，把初步設計的零部件或機器制成小模型或小尺寸樣機，通過實驗的手段對其各方面的特性進行檢驗，再根據實驗結果對設計結果進行逐步修改，最終完成設計。

2.試驗樣機法

（1）試驗樣機法對一次性零件的設計源于國內某廠某次某型號箭用舵機減速裝置的設計中，要求參數額定輸出力矩不小于45N.m，堵轉輸出力矩不小于80N.m，質量不超過1200g。

這里介紹柔性翼小型無人飛行器試驗樣機研究。該樣機使用三角翼單面柔性薄翼下v尾布局，通過該設計方案確定總體布局以及參數，后采用五種機翼外形進行風洞試驗來確定某一樣機的氣動性能的優越性，得到合適機翼類型。確定一系列參數后，制作出試驗樣機，使用GPS導航系統進行一系列的飛行實驗，最終得到合適樣機以及研究參數。

其主要設計思想理論：對于一些大型復雜的結構零件，采用樣機試驗的辦法，根據機械的設計目標，確定基本總體布局和參數，而后對一些復雜參數采用試驗確定其特殊零件的設計，最終設計出樣機，再不斷實驗，再設計樣機以達到設計要求。這里的柔性翼小型無人飛行器的設計采用試驗樣機法。

該方法能成功研制出標準的高精度機械零件，但設計成本高，研制周期長，設計過程復雜煩瑣，因此通常用于某種特殊零件的設計，無法適用大量類似機械零件的設計制造，無法滿足大量生產及型號不同機械零件的設計要求。

3.基于靜強度的臨界平面理論設計

基于靜強度的臨界平面理論的一次性機械零件設計方法。設計思想：假設一次性機械零件不存在疲勞、磨損、腐蝕的失效形式，疲勞類型為低周疲勞或超低周疲勞，以靜強度為零件設計準則，具體應用于一次性齒輪零件并獲得成功。但缺乏其不存在疲勞、磨損、腐蝕的失效形式的證明和循環載荷作用次為一次性機械零件的區分界限的依據。

（1）線性疲勞累加法則。在材料力學的基礎上，測定機械零件的S-N曲線，得到不同的幅值載荷情況下機械零件的疲勞損傷值，進行線性累加，當損傷值的和大于等于1時，該機械零件發生破壞，即采用Miner累加法則。該理論存在缺陷，一般損傷值在1左右時就會發生零件破壞，無法進行準確的判斷。但相對其他考慮零件的真實復雜情況的計算太過復雜，故其應用范圍較廣。

（2）疲勞的臨界平面理論。機械零件中，常常同時受到拉壓、剪切、彎曲等多軸應力；而對于確定的多軸疲勞載荷，疲勞裂紋的方向總是沿著臨界平面方向演化。而以臨界平面為疲勞損傷的評價變量稱之為臨界平面法。臨界平面法主要包括應力、應變、應力-應變三種常用模型理論方法。

4.總結與展望

一次性機械零件屬于我國機械行業高科技領域產品，其在航天航空和軍事武器方面的應用尤為廣泛，故對其進行研究顯得尤為必要，無論是航天和軍事領域的發展，還是以后日常高科技發展中的應用，它都是不可或缺的材料。

參考文獻：

[1]李躍峰.典型一次性機械零件設計及其應用研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2013.

[2]濮良貴，陳國定，吳立言.機械設計[M].北京：高等教育出版社，2013.