典型一次性机械零件设计及其应用研究

刘聪，樊树海，

哈尔滨广瀚新能动力有限公司，黑龙江省哈尔滨市， 150078

摘要：一般常用的机械系统、设备或装置都是长期运行、反复使用的，本文称之为“常规机械”。而在某些特殊场合中，有一类机械只使用一次后就被放弃不用， 这类机械被称为“一次性机械”。一次性机械中的机械零件可以笼统地称为“一次性机械零件”。一次性机械零件的设计理论和方法与常规机械零件设计方法应当有所不同，然而，由于目前并未对一次性机械零件与常规机械零件给予明确的区分，所以一次性机械零件的设计仍然沿用常规机械零件的设计思想和方法， 这就导致将常规机械设计准则中用于一次性机械零件设计时，不可避免的出现设计结果冗余，造成整体设计指标下降，有时甚至无法满足设计要求。虽然采用试验样机法在一定程度上能够完成一次性机械的研制，但是该方法的研制周期较长、效率较低、成本过高，不能满足日益增加的研制任务要求。因此，有必要深入研究一次性机械零件的设计理论和方法，以便为一次性机械设计理论体系的建立打下基础。

关键词：棘轮效应；金属疲劳；一次性机械零件

1一次性机械零件的概念

根据前文所述，一次性机械是指一类单次不重复使用，并且以自毁或主动放弃为主要失效形式的机械或设备。在此基础上，本文将一次性机械中承受少循环载荷作用次数的机械零件称为“一次性机械零件”。根据该定义，一次性机械中的其他按照常规机械设计方法进行设计的机械零件仍然属于常规机械零件。根据一次性机械零件的应用场合和使用要求可知，一次性机械零件具备以下两个特点：

（1）使用寿命短 使用寿命是一次性机械零件与常规机械零件最显著的区别。如果以循环载荷作用次数来评价一次性机械零件的寿命，常规机械零件寿命一般为 106~107 次，而一次性机械零件的寿命一般不超过 103~104 次。这一区别的直接结果是一次性机械零件的疲劳特性明显迥异于常规机械零件，即一次性机械零件主要发生低周疲劳破坏，而常规机械零件一般则出现高周疲劳破坏， 两类疲劳特性的破坏机理有明显区别。换言之，疲劳特性的区别可以作为一次性机械零件与常规机械零件的区分界限，用于判定机械零件的所属类别以及决定采用何种设计方法。

（2）体积和重量要求较常规机械零件严格 为了保证有效载荷指标，一次性机械零件的体积和重量要求更为苛刻。这一要求直接造成一次性机械零件承受的应力水平明显高于常规机械零件。根据疲劳理论，在其它设计指标恒定时， 一次性机械零件的寿命将明显小于常规机械零件，这与一次性机械零件的使用寿命极短的特点是一致的。

以上两个条件是相互关联的。根据有限寿命设计理论，较短的使用寿命客观上允许一次性机械零件的体积和重量小于常规机械零件，反之，如果使用寿命较长，一次性机械零件与常规机械零件则没有本质区别；而体积和重量的苛刻要求是设计具有较短寿命的一次性机械零件的动因，如果没有体积和重量限制，则没有必要牺牲寿命而提升机械零件承受的载荷，采用常规机械零件设计方法完全可以满足要求。

综上所述，疲劳特性的不同是将一次性机械零件与常规机械零件区分开的界限。为了便于工程应用，需要研究一次性机械零件的疲劳特性，结合现有的常规机械零件的疲劳理论，定量给出一次性机械零件与常规机械零件的区分界限，这一内容将作为本文研究的重点，体现在本文之后的内容中。

2一次性机械零件设计遵循的基本原则

机械零件设计准则的建立依赖于两方面因素：材料强度特性和机械零件几何强度特性。一次性机械零件的设计也需要考虑这两个方面问题。材料强度特性是指材料本身的力学特性，具体到机械设计领域，考虑到金属材料应用的广泛性，一般指金属材料的机械特性，与之相应的机械零件的设计准则是强度设计准则，包括针对断裂和屈服的静强度设计准则，针对循环载荷的疲劳强度设计准则，对于其它特殊工况，还有抗冲击、抗磨损、抗腐蚀等设计准则；几何强度特性需要综合考虑零件的几何形状及约束条件等，与之相对应的机械设计准则是刚度设计准则，主要针对过大变形、失稳以及由于弹性变形造成误差过大等失效形式。一次性机械零件设计准则的建立需要从以上两方面入手，首先明确在一次性机械零件的使用条件下的金属材料本身的机械特性，然后结合特定的零件研究其几何强度特性。

金属材料的机械性能描述了材料抵抗外力或变形的极限承载能力，它是固有的材料属性。在常规机械零件运行工况下的金属材料的机械性能的研究较为成熟，有相关的手册和标准作为依据[ 89]。但是，由于一次性机械零件所处工况与常规机械明显不同，即使同种材料的机械特性此时也会有很大不同，这要求强度设计准则做出相应的调整和改变，下面分别进行分析。

（1）静强度设计准则 静强度设计准则是建立在材料静载特性基础上的。图 2-1 为几种典型的金属材料的 σ-ε 曲线（应力-应变曲线）。根据静拉伸实验得到的应力-应变曲线的特点，金属材料一般可以分为脆性材料和塑性材料两大类，具体应用于机械设计时，一般是以材料的弹性变形区为许用范围。采用静拉伸试验获得的静拉强度数据通过各种强度理论可以转换为其它类型的强度参数，例如根据第三强度理论（最大切应力理论）可得到纯扭转剪切屈服强度为静拉屈服强度的一半[89]。

从以上分析可知，静强度设计准则与寿命无关，所以，一次性机械零件的设计应符合材料的静强度要求。常规机械零件的设计也有静强度要求，但为了保证零件的可靠性，工程实际中使用许用应力，即静强度除以安全系数得到的值。安全系数与常规机械零件的使用工况相适应，它综合考虑了载荷特点、材料力学性能、试验值和设计值与实际值的差别、计算方法误差、加工质量稳定性等各种不确定性。考虑到一次性机械零件极短的使用寿命，以及军工类产品从材料到加工工艺质量的严格控制，使得一次性机械零件面对的不确定性明显降低。因此，在考虑力学试验分散性后，材料的静强度数据可以作为许用应力而直接用于一次性机械零件的静强度设计准则中。

（2）疲劳强度设计准则 该准则是建立在承受循环载荷的材料疲劳特性基础上的。常规机械零件的疲劳设计依赖于S-N曲线（应力幅-寿命曲线）或ε-N曲线（应变幅-寿命曲线）。目前，常规机械的疲劳设计准则大多依赖于应力控制疲劳实验数据，即在疲劳强度设计中使用S-N曲线，设计应力低于疲劳极限的方法称为无限寿命设计方法，而设计应力高于疲劳极限的方法称为有限寿命设计方法。S-N曲线可由Wöhler公式描述，见公式（2-1）：N^m C

中 σa ——循环应力幅值；

C、m ——材料常数。

一般情况下，σa和平均应力一起才能完整描述循环应力特征，而平均应力的影响并未在Wöhler公式中体现，这也说明平均应力对高周疲劳的影响并不明显；，需要根据该种材料的疲劳试验数据进行拟合后确定。

由于公式（2-1）在应力接近屈服极限时失效，所以在进行常规机械零件的过载能力研究时通常参考应变控制疲劳试验数据，即 ε-N 曲线，该曲线可由Coffin-Manson 规律表示，其表达式见公式（2-2）：

a ap ae p e

  C N ^p C N^e

（2-2）

式中 ε_a、ε_ap、ε_ae ——应变幅值、塑性应变幅值、弹性应变幅值；

C_p、C_e、p、e ——材料常数。

在工程实际中，疲劳失效在各种失效形式中的比例最大，由于造成疲劳失效的因素繁杂，材料的疲劳性能很不稳定，分散度较高，设计人员不得不放宽零件设计尺寸以获取较高的可靠性。这种考虑符合长时间运行的常规机械零件要求，但会造成一次性机械零件设计的冗余。

疲劳强度设计准则与寿命密切相关，疲劳强度设计准则在一定程度上也可以称为寿命设计准则。一次性机械零件不同于常规机械零件的使用特点，决定了其疲劳强度的设计有其特殊性。

参考文献：

[1]崔立.航空发动机高速滚动轴承及转子系统的动态性能研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学博士学位论文，2008，24-25.

[2]万长森.滚动轴承的分析方法[M].北京：机械工业出版社，1985：31.

[3]黄浩，张鹏顺，温建民.高速圆柱滚子轴承的刚度研究[J].中国机械工程， 2001，12（11）,1245-1247.