机械零件的失效形式、设计准则、设计步骤及标准化研究

【摘 要】机械零件由于某些原因不能在既定的工作条件和使用期限内正常工作，即丧失工作能力或达不到设计功能的现象，称为失效。主要失效形式大致有以下四种。

【关键词】机械零件；设计标致研究；机械零件的主要失效形式

1.失效形式大致分为

1.1断裂

零件在承受过大载荷时，某一危险截面的应力超过零件的强度极限时，会发生断裂，这种断裂称为过载断裂；若受变应力长期作用而发生的断裂，称为疲劳断裂。疲劳断裂是多数机械零件的主要失效形式。断裂是零件的严重失效形式，它不仅使零件丧失工作能力，有时会造成严重的人身伤害和设备损坏事故，应力求避免。

1.2表面失效

由于机械中各零件结合面之间都是静和动的接触关系，载荷作用于接合表面，摩擦发生于接合表面，环境介质也包围于零件工作表面，故零件的损伤与失效常发生于工作表面。表面失效主要有疲劳点蚀、胶合、磨损、压溃和腐蚀等。

1.3过量变形

零件受载后一般会产生弹性变形，过大的弹性变形会使零件或机器不能正常地工作；当严重过载时，即当应力超过零件材料的屈服极限时，还可能产生塑性变形，这不仅会改变零件的尺寸和形状，破坏零件间的配合关系，也会使零件失去工作能力。

1.4非正常工作条件的失效

有些零件只有在一定的工作条件下才能正常工作，否则就会失效。如摩擦传动的打滑、液体摩擦滑动轴承油膜破坏等均为非正常工作条件的失效。

2.机械零件的设计准则

进行机械零件设汁时，必须根据零件的失效形式分析失效的原因。在不发生失效的条件下，零件所能安全工作的限度，称为工作能力或承载能力。对于具体的零件，其失效形式取决于受载情况、结构特点和工作条件。针对不同失效形式建立的判定零件工作能力的条件，称为于作能力计算准则，或简称为计算准则。由于计算中经常要作出设计，因此也称为设计准则。设计准则主要包括以下四种。

2.1强度条件

强度是零件抵抗整体断裂、塑性变形和表面失效（磨粒磨损及腐蚀除外）的能力，强度计算是零件应满足的基本要求。保证零件强度的计算条件为：

2.2刚度条件

（1-1）

2.3耐磨性条件

机械中凡是具有相对运动或相对运动趋势的接触表面都存在摩擦。摩擦表面物质在相对运动中不断损耗，造成形状和尺寸逐渐改变的现象称为磨损。

2.3.1磨损的过程

一般情况下，零件的磨损过程大致可以分为三个阶段。①磨合磨损阶段（OA段），是新机械在运转初期，通过逐渐增大载荷，快速磨去零件制造时表面遗留下来的波峰尖部，随着波峰的降低，接触面的实际面积增大，磨损速度逐渐减缓，零件进入稳定磨损阶段。②稳定磨损阶段（AB段），零件的磨损是缓慢而稳定的，其对应的时间就是零件的使用寿命。③剧烈磨损阶段（BC段），组成摩擦副的零件间的间隙明显增大，温升剧增，机械效率大幅度下降，并伴有异常的振动和噪声，此时应立即检修，更换零件。以上是正常情况下的磨损过程。但如果摩擦表面压强过大、相对速度过高、不良时，则磨合期和稳定磨损期甚短，会立即转入剧烈磨损阶段，使零件过早报废。

2.3.2磨损的类型

按照破坏机理分为磨粒磨损、黏着磨损（也称胶合）、表面疲劳磨损（又称疲劳点蚀）和腐蚀磨损四种基本类型。

2.3.3耐磨性计算

耐磨性是指做相对运动的零件丁作表面抵抗磨损的能力。由于磨损机理复杂，除疲劳磨损外，目前尚无公认的定量计算方法，一般采用条件性计算。例如对于非液体摩擦，为了防止表面膜破坏而产生过度磨损，通常用限制摩擦副工作表面的压强值的方法，振动稳定性是指防止高速运转的机械及其零件发生共振，使其转速避开共振区域。如果机械或零件的固有频率等于或接近于激振源的强迫振动频率时，将会产生共振.共振不仅影响机械的正常丁作，产生噪声，而且还可能造成破坏性事故。

设计零件时，上述各项工作能力的计算不必全部进行，应视具体情况而定。一般根据一个或几个可能发生的主要失效形式，运用相应的判定条件，确定零件的主要参数或基本尺寸。

3.机械零部件设计的一般步骤

当机械的总体布置和传动方案已经确定，力学分析已基本完成时，就要进行零件的设计，其一般步骤如下：

3.1选择材料

应根据零件的工作要求和条件，综合材料的机械、物理和化学性能，以及经济因素和资源状况，选择合适的材料和热处理方法。

3.2拟定计算简图

依据零件的基本结构和载荷情况，建立力学模型、进行载荷分析等。

3.3工作能力计算

针对零件可能出现的失效形式，确定工作能力计算准则，计算和确定出零件的基本尺寸或主要参数。

3.4结构设计

依据工作能力确定出零件基本尺寸和参数，考虑加工和装配等要求，确定零件的形状和全部尺寸。

3.5绘制工作图并标注必要的技术条件

在以上四个步骤完成之后，绘制工作图并标注必要的技术条件。

4.机械零部件的标准化

机械零部件的标准化是指将品种、型号、参数、结构、尺寸、性能和质量等统一规定为数量有限的若干种，并强制执行。标准化了的零部件简称为标准件，如螺栓、螺母、滚动轴承、联轴器、离合器等，实行标准化的意义主要在于：

①可以简化设计工作，将精力用于关键的非标准零部件的设计上。

②可以组织专门化大规模生产，既保证质量，又降低咸本。

③可以减少备品的库存量，具有互换性，从而简化机器的安装和维修。

我国现行的标准分为国家标准、行业标准等层次。随着我国加入WTO和与国际接轨，为了增强国内产品在国际市场的竞争力，我国的某些标准也正在迅速向国际标准化组织（1SO）标准和其他国外先进标准靠近。标准化是我国现行的一项重要的技术政策，工程技术人员在设计中应认真贯彻执行。