提高疲劳强度的结构设计准则-删减螺栓部分

第三节提高疲劳强度的结构设计准则机械零件失效调查发现,80%属于疲劳破坏。因此,在设计中应重视提高疲劳强度的措施。疲劳破坏:在材料有不一致性的情况下,零件内部分布不均的弹性和塑性变形多次快速反复交替作用的结果。最先的破坏发生在存在相对于作用载荷的方向不利的残余应力和受局部削弱部分的微观体积内,进而逐渐扩展而发生零件的整体破坏。从疲劳断裂的断面可以分析出引起破坏的原因。上图是典型花键轴疲劳断裂的断面情况。从中可以清楚地看到,从根部应力集中处产生并发展成的裂纹。应力集中、螺纹连接中连接件与被连接件的相对刚度、零件表面的粗糙度、形状及尺寸均影响零件的疲劳强度。对零件的表层进行某些处理可以提高疲劳强度。下面分别介绍:一、降低应力集中的准则二、连接件与被连接件的刚度合理匹配准则三、改善表面状况准则一、降低应力集中的准则受载荷的零件,在钻孔、切槽、过渡倒角以及断面骤然变化的过渡部分都存在应力集中。在应力集中的部位,零件的疲劳强度将显著降低。该处的最大应力比这个断面上的平均应力可以大2~5倍。降低应力集中程度可以提高零件的疲劳强度。例:三种槽型的应力集中图中所示的板或轴受拉,上面切出不同的三个槽,其应力集中程度有明显差别。例:五种段面变化形式应力集中的比较上图所示的五种不同的局部变化形式,其应力集中程度也有明显差别。规律是:断面变化急剧,则应力集中严重;断面变化平缓,应力集中轻微。例:降低应力集中的最大应力板上有孔,若既要降低应力集中的最大应力又不多费材料,可参考上图的结构。为了进一步了解应力集中问题,以板上钻孔为例作些介绍。nomσσkmaxnomTTkmaxnomEkmax通常以应力集中系数表示应力集中的程度。若认为材料是理想、均质的弹性物质,用弹性力学方法可以得出理论的应力集中系数用实验得出的是有效应力集中系数例:横向孔受拉矩形断面杆件的应力集中上图给出了三种不同材料在不同的d/B值时,受拉的kT、kE值以及值。)1/()1()/(TETEkkqkkc、受拉、压、弯、扭不同形式的载荷和引起零件应力集中的不同结构形式,其应力集中程度也各不相同。以受拉时的kE为1,其他情况时的kE值见表。弯曲扭转压缩圆角过渡部分的应力集中不同直径相邻轴段过渡部分的结构,对应力集中有直接影响。当采用圆弧过渡时,轴受弯曲,其应力分布如图a所示;受扭时,如图b所示。有效应力集中系数当r=(D-d)/2时,不同D/d值时的弯曲有效应力集中系数kσ及受扭应力集中系数kτ,见图a和图b。受弯曲比受扭对应力集中更敏感。不同的圆角过渡形式上图列举了七种圆弧过渡形式。不同的圆角过渡形式当过渡部分的轴向长度不受限制时,可用如图a的直线或大圆弧形式。当过渡部分的长度l≥1.6d时,就不存在应力集中了。但是,这种形式常因长度l过大而在使用上受限制。不同的圆角过渡形式图b所示椭圆圆角过渡部分长度较图a的l小,也有较好地降低应力集中的效果。不同的圆角过渡形式为便于与小直径轴段衔接,还有采用三圆弧或二圆弧的过渡形式,且r1r2(图c、d)。这样可获得与椭圆圆弧近似的效果。不同的圆角过渡形式当既要有较大的圆弧半径又不减小较小的轴颈时,可采用图e、f的形式。图g是具有卸荷槽的结构。它可以更有效地降低有效应力集中系数。螺栓的应力集中重要的、受重载或变载的螺栓,螺栓头部和杆部的过渡部分也须认真设计。普通结构的螺栓与被连接件结合后,存在严重的应力集中,如图所示。螺栓的应力集中螺母与螺杆螺纹的结合部位的应力集中可采用改进螺母结构的方法解决,本章前面已有阐述。螺栓头与杆的截面突变处也有严重的应力集中。如图a所示之尖角结构,从螺栓头到杆部,其刚度突然减小很多,力线的方向发生急剧变化,所以,应力集中严重。如果将过渡部位设计成半径为r’圆角(图b),可提高寿命3~5倍。螺栓的应力集中但是这种仅有过渡圆角的结构应力集中仍很严重。为了有效地降低应力集中,可采用图b、c、d的结构,d最佳。在交变载荷作用下,对于车、铣和磨制的螺纹,要使螺栓等强,过渡圆角半径应取r′=(0.1～0.125)d0。对于滚轧螺纹或在车、铣、磨之后经滚轧而提高了螺纹强度的螺栓，则取r′=(0.2～0.3)d0。二、连接件与被连接件的刚度合理匹配准则以一个合理配置螺栓连接刚度以提高其疲劳强度的例子，说明连接件与被连接件的刚度合理匹配准则。][43.121dQcambbPcPPPCCCFQKFQFQQFQ合理配置螺栓连接刚度以提高其疲劳强度(见机械设计)在具有预紧力的螺栓连接中,如果工作载荷是脉动的,则螺栓和被连接件(以下简称凸缘)所受的拉力和压力都是非对称循环变化的。螺栓与凸缘的刚度(实为二者的相对刚度)和连接的预紧力与工作载荷的比值,决定了螺栓和凸缘所受载荷的波动程度。mbbPcPPPCCCFQKFQFQQFQ合理配置螺栓连接刚度以提高其疲劳强度降低相对刚度λ1/λ2:减小螺栓直径、加大螺栓距离和加大凸缘截面积三、改善表面状况准则1、降低表面粗糙程度准则表面加工粗糙留有刀痕,零件受力后会产生应力集中。所以,提高表面光洁程度可使零件的疲劳强度得到改善。右图是根据实验结果得出的疲劳强度折减因子b(钢材)与材料的抗拉强度σb及表面粗糙度Ra之间的关系曲线。强度越高，钢材塑性越低对应力集中越敏感对疲劳强度的影响越显著图2-44是交变应力下淬火-回火钢及正火钢的b-Ra曲线。图2-45是拉-压及弯曲应力(非交变)下淬火-回火钢的b-Ra曲线。图2-46是铸铁材料毛坯面时的b-σb曲线。表面处理:采用滚压、喷丸、碳化和氮化等方法强化表面层,以提高疲劳强度。2、表面处理提高疲劳强度准则表面经处理后形成硬化层和氮化层,并在表面形成压应力。当工作载荷使表层存在拉应力时,因有残余应力,拉应力被部分地抵消。总的效果是提高了疲劳强度。表面硬化层不得间断,否则,在间断的软硬表面交界处,疲劳强度会显著降低。以上图中的齿轮轮齿表面和曲轴轴颈表面的硬化为例,其中:Ⅰ是错误的;Ⅱ是正确的。为了提高疲劳强度,对于不同的表面硬化方法,最佳的硬化层厚度是:渗碳:0.4~0.8mm碳氮共渗和氮化:0.3~0.5mm高频淬火及火焰淬火:2~4mm如果将齿轮轮齿的全齿廓均作火焰淬火处理,其持久根限为原钢料的1.85倍。若仅将工作齿面淬火,因软硬交界处产生应力突变,持久极限反而降低为原钢料的80%。例:游戏机钢绳弯曲疲劳失效大型游戏飞机的传动装置，由电动机-减速器-卷筒-钢绳提起立柱,在立柱顶端装有8根横杆其上各有一架模型飞机。立柱由钢绳拉起3m高,立柱顶端的电动机2使飞机绕立柱转动,3~5min后电动机1反转,飞机下落至地面,完成一个游戏循环。提升立柱所须钢绳拉力F=15kN。例:游戏机钢绳弯曲疲劳失效传动装置采用了6×19+1的钢绳(6股,每股19根钢丝,芯1)钢绳直径d=21.5mm,钢丝绳最小破断拉力Fd=272kN,滑轮直径D=400mm。此例中,Fd/F=272/15=18.1好象有较大的安全储备。实际上工作18743次以后,钢丝绳被拉断,游艺飞机落下。游戏机钢绳弯曲疲劳失效事后分析主要结果如下:1)钢丝绳断口十分不整齐,是钢丝逐渐断开,最后整根钢丝绳断裂,造成事故。2)在断口以外的钢丝绳也有许多断丝现象。3)钢丝绳表面的钢丝有许多发生严重磨损。4)钢丝绳所受弯曲应力过大。5)钢丝绳导向的导向轮与轴之间没有润滑油孔,导致表面严重磨损。游戏机钢绳弯曲疲劳失效6)钢丝断口有明显的疲劳条带,确定为疲劳断裂。7)图为游艺飞机在最低(图a)和最高(图b)位置时的钢丝绳工作情况。卷筒卷起钢丝绳共12m,其中4~5m、10.5~15.5m处两段的断丝特别多,说明弯曲应力对钢丝绳断丝起主要作用。办法：增大传动轮的直径，减小钢丝绳经过传动轮时产生的弯曲应力。游戏机活塞杆弯曲疲劳失效图为大型游戏机——探空飞梭的座椅及其锁紧机构。3s内座椅可以上升30~50m,然后靠弹性绳索牵引及重力作用,上下运动,逐渐衰减。在椅上装有安全杠压在游戏者前面。安全杠可以绕A轴转动,抬起时游戏者可以进入或离开座椅,坐定后放下安全杠。游戏机活塞杆弯曲疲劳失效在安全杠起落时其外端B处推动活塞杆在液压缸中上下运动。用电磁阀控制联系液压缸两端油路的开闭。油路开通时,活塞在液压缸中可以上下自由移动,安全杠可以自由开闭。游戏者坐定,放下安全杠以后,关闭油路,活塞不能移动,安全杠不能抬起,可以保证游戏者的安全。活塞杆若断裂则安全杠失去约束,会发生事故。游戏机活塞杆弯曲疲劳失效下面对活塞杆强度进行计算:3355245023arctanNNFFNNFFba43933552sin8600sin858933552cos8600cos3333由计算得到安全杠杆受水平推力F1=600N,向上推力F2=700N。据此,计算得到B点受力F3=8600NF3作用方向沿BC连线,可以分解为沿活塞杆方向的分力F3a和垂直于活塞杆方向的分力F3b。游戏机活塞杆弯曲疲劳失效活塞杆危险断面D处直径d=11mm,距B端l=70mm。压力F3a产生压缩应力:MPaMPadFaa4.9011485894223MPaMPadlFbb2.23511327043932333MpaMpaba6.325)2.2354.90(F3b对断面D处产生弯曲应力:断面D所受的总应力游戏机活塞杆弯曲疲劳失效活塞杆屈服强度σs=355MPa弯曲疲劳极限σ-1=275MPa抗拉强度σb=640MPa09.16.325355sSMPaMPaam162.826.3252按静载荷校核,安全系数按疲劳强度校核安全系数,因活塞杆所受拉力较大,所受应力按脉动变应力计算游戏机活塞杆弯曲疲劳失效计算活塞杆断面D处的应力集中:D=16.5mm,d=11mm,r=1mm,由手册或资料查得有效应力集中系数kσ=1.46,尺寸系数εσ=0.91,表面质量系数β=0.82,材料常数φσ=0.34736.08.16234.08.16282.091.046.12751macakS由疲劳强度计算公式可得游戏机活塞杆弯曲疲劳失效结论:此杆静载强度安全系数为1.09,不够大,而疲劳强度不够,有断裂的危险,应修改设计。由计算可知,由于支点C偏离活塞杆中心线23mm,引起的弯曲应力是压缩应力的2.6倍,是活塞杆强度不足的主要原因。由此例可以看出,弯曲应力对机械零件的强度影响很大。