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机械零件的主要失效形式第二章机械零件的工作能力和计算准则•失效:零部件不能满足工作要求称为失效破坏正常工作条件引起的失效:打滑、胶合、共振整体断裂:拉,压,弯,扭过大的残余应力:加工,热处理零件表面的破坏:点蚀、磨损,热处理•工作能力:不发生失效时的工作限度•计算(设计)准则:(要满足的条件)–○强度准则:σ≤[σ]或τ≤[τ];[σ]=或[τ]=τmin/s–○刚度准则:y≤[y]或θ≤[θ]φ≤[φ]–○耐磨性准则:验算压强:p[p],单位接触面上单位时间产生摩擦功不太大,控制pv≤[pv]–○可靠性准则:按传统强度设计方法设计零件,由于材料强度,外载荷和加工尺寸等存在离散性,有可能出现达不到预定工作时间而失效的情况。希望将出现这种失效情况的概率控制在一定程度之内,这就对零件提出可靠性要求。–○可靠度:机器或零件在一定工作环境下,在规定的使用期限内连续工作的概率。•2.1载荷和应力的分类–载荷是机械设计中的重要参数,是重要的设计目标之一,也是造成失效的重要原因•2.1.1载荷分类–静载荷:不随时间变化的载荷–动载荷:随时间变化(周期或非周期、大小、方向、位置)的载荷–名义载荷:根据额定功率用力学公式计算出作用在零件上的载荷(F、P、T)–计算载荷:考虑原动机、工作机、零件受力不均匀等因素影响而设计出的载荷–Fc=KF,Pc=KP,Tc=KT(K参见P12)•2.1.2应力分类(载荷无法衡量工作极限,需要用应力,见P12)–静应力:只能由静载荷产生–变应力对称循环脉动循环可以变载荷产生也可以由静载荷产生(P13)非对称循环–应力循环特性r:最小与最大应力之比–变应力的描述:用σmax,σmin,σm,σa,r五个参数中的任意两个来描述2.2机械零件的强度•2.2.1两种判断零件强度的方法–应力法•σ≤[σ]=σlim/[Sσ],τ≤[τ]=τlim/[Sτ],–安全系数法–Sσ=σlim/σ≥[Sσ],Sτ=τlim/τ≥[Sτ],•2.2.2静应力强度–失效形式:塑性变形或断裂–单向应力时极限应力采用屈服极限σs,τs–复合应力时的塑性材料(τmax是破坏主因按第三、强度理论,单位体积塑性变形是破坏主因用第四强度理论,公式见P14)–脆性材料极限应力采用强度极限σB,τB•2.2.3变应力强度(主要破坏形式是疲劳,见下章)•2.2.4许用安全系数–根据工作情况选择,在保证安全可靠的情况下,尽可能小(具体P15)•2.2.5提高机械零件强度的措施•(材料、截面积及结构等方法,结构见P16)•2.3机械零件的表面强度–在零件整体没出现断裂、塑性变形等情况下,零件表面也可能出现破坏失效,这种失效由表面强度确定–表面强度分:①表面接触强度;②表面挤压强度;③表面磨损强度;•2.3.1表面接触强度–产生原因:力作用点、接触面接触不均匀及塑性变形造成接触面局部应力较大(P19图)–计算:赫兹公式(P19,理解,并理解课本上的两个例题)–失效形式:•静载荷:脆性材料的表面压碎和塑性材料的表面塑性变形•循环接触:表面疲劳磨损(疲劳点蚀),产生原因及过程见P20–强度指标(极限应力)•静载荷:最大许用接触应力σHmax≤[σH]max•循环接触:接触疲劳极限(在规定的应力循环次数下材料不发生点蚀现象的极限应力)σHmax≤[σH]•2.3.2提高表面接触强度的主要措施–增大接触表面的综合曲率半径,以降低接触应力(赫兹公式)–将外接触改为内接触,将点接触改为线接触,降低接触应力(课本上例子)–提高表面质量,使接触面更均匀,降低接触应力,同时减少缺陷,避免发生应力集中–提高表面硬度,延缓点蚀–采用黏度高的润滑油,减轻油挤入裂纹,形成油压••2.3.3表面挤压强度–产生原因:局部应力过大–失效形式:压溃(表面塑性变形)和表面破碎–计算公式:σp=F/A≤[σp],A为曲面接触时的投影面积(见P22)•2.3.4表面磨损强度–计算准则:–滑动速度低,载荷大时p≤[p]–中速时:pv≤[pv]–高速时:pv≤[pv];v≤[v]•2.3.5提高表面磨损强度的主要措施–采用合适的摩擦副材料,如:钢-青铜–提高表面硬度,降低表面粗糙度–采用有效的润滑剂和润滑方法–防尘、防高温•2.4机械零件的刚度–刚度:在载荷作用下抵抗弹性变形的能力•2.4.1刚度的影响–刚度不足影响机器的正常工作,加速零件失效(弹性零件则需要较小的刚度)•刚度计算–y≤[y]或θ≤[θ]φ≤[φ]•影响刚度的因素及其改进措施–材料对刚度的影响•弹性模量大则刚度大,但同类金属材料的弹性模量相差不大,故没必要用合金钢代替普通钢来提高刚度–结构对刚度的影响•截面形状:增大截面面积,采用中空、工字钢、槽钢、T形截面等惯性矩大的截面•支撑方式:采用合适的支撑方式,减少最大弯矩(见p24图)•采用加强筋–在装配中适当增加予紧力有助于刚度的提高(具体原因见18章)•2.5机械零件的冲击强度•2.5.1冲击强度和冲击变形计算(P25)–讨论计算公式,并定性地了解结论•2.5.2提高冲击强度和缓冲能能力的措施–增加柔性(柔性结构设计、低弹性模量材料、增加橡胶、弹簧垫等)–避免冲击(予紧防止出现间隙)•2.6温度对机械零件工作能力的影响•2.6.1对摩擦磨损的影响–温度过高造成润滑油黏度下降,导致吸附油膜破裂,太低会使油黏度过大,甚至凝固•2.6.2温度对材料膨胀和收缩的影响–热胀冷缩,设计时要采取补偿措施(见P29表2.5)•2.6.3温度对材料力学性能的影响–高温下金属强度一般会急剧下降,低温时钢强度提高,但变脆;有色金属在低温下一般无冷脆性,且强度及塑性均有提高,所以低温设备常用有色金属制造.–蠕变:在一定工作温度和应力下,零件塑性变形缓慢而连续增长的现象,如高温高压的管道管壁逐渐变薄–改善蠕变的措施:采用耐热钢、冷却和隔热–松弛:由于塑性变形而引起的,原予紧零件应力逐渐减小的现象–改善松弛的措施:采用耐温材料、采用加工良好的接触面、定期检查•2.7机械零件的振动稳定性•2.7.1振动稳定性–失稳:机器或零件发生共振时,振幅会急剧增大,从而丧失振动稳定性,这种现象称为失稳•2.7.2减轻振动的措施–采用对称结构,减少悬臂长度、缩短中心距等–对转动零件进行平衡–利用阻尼消耗振动–设置隔振零件•2.8机械零件的可靠性•2.8.1可靠性概念–可靠性:产品在规定的条件下和规定的时间内,完成规定功能的能力–可靠度:产品在规定的条件下和规定的时间内,完成规定功能的概率,–Rt=Nt/N=1-Nf/N–累计失效概率:产品在规定的条件下和规定的时间内失效的概率–Ft=Nf/N=1-Rt–Rt+Ft=1•例题:铆钉联接,两块钢板材料均为Q215,F=500000N,•求:各部分尺寸。MPapMPaMPa400180200•解:分析失效方式及计算公式1。钉剪切2板挤压3板拉断4板边剪切sdeFdesFsdbFdbsFpdsFpsdFpdFdF)2(24)2(2)(3)(242142•F1=F2=F3=F4=F5=F由1:d=18.8取d为18由2:S=6.6取S为7由3:b=54.7取b为55由4:e=29.3取e为30end
本文标题:机械零件的工作能力和计算准则
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