工程機械領域中軸的疲勞設計應用

摘 要：工程機械設備多數為大型設備，且使用工況較為惡劣，軸是組成機械的主要零件之一，其最常見的失效形式便是疲勞失效，因其破壞前無明顯征兆，故常常令人防不勝防，危害性極大，因此，應充分重視軸的疲勞設計應用。

關鍵詞：工程機械；軸；疲勞設計

軸是組成機械的主要零件之一，主要功用是支撐回轉零件及傳遞運動和動力。一切作回轉運動的傳動零件，都必須裝在軸上才能進行運動及動力的傳遞。軸類零件最常見的失效形式便是疲勞失效，因其破壞前無明顯征兆，故常常令人防不勝防，危害性極大。因此，在工程機械領域中，因其設備多數為大型設備，使用載荷較大，工況較為惡劣，軸的疲勞設計應用應得到充分的重視。對于破壞后會引起重大事故乃至人參傷亡的重要的軸，還應適當增加安全系數。

一、軸的分類

軸有不同的分類方法，也有不同類型的軸。常用的分類方法有兩類：1）根據軸線的形狀不同分類；2）根據承受載荷不同分類。

按軸線形狀分類，可將軸分為直軸、曲軸、鋼絲軟軸。根據承受載荷的不同分類，軸可分為轉軸、心軸、傳動軸。轉軸，即同時承受扭矩和彎曲載荷的軸，如齒輪減速器中的軸；心軸只需承受彎矩而不傳遞扭矩，例如鐵路車輛的軸、自行車的前軸等，按軸旋轉與否分為轉動心軸和固定心軸兩種；傳動軸，即只承受扭矩而不承受彎矩或承受彎矩較小的軸，如汽車傳動軸。

二、軸的失效形式

軸的失效形式，主要有疲勞強度不足而產生的疲勞斷裂，因靜強度不足而產生的塑性變形或脆性斷裂、磨損、超過允許范圍的變形和振動等。疲勞失效是最常見的軸失效形式，因其破壞前無明顯征兆，故常常令人防不勝防，所以危害性最大。

大量工程實踐與試驗結果表明，構件疲勞與在靜應力作用下的破壞決然不同，有以下四個明顯特征：1）破壞時的名義應力值遠小于材料的靜強度指標；2）需要經歷一定次數的應力循環后才破壞；3）破壞是脆性斷裂，既使塑性很好的材料，也是如此；4）構件的破壞斷面，明顯分成光亮區域與顆粒狀的粗糙區域。

三、工程機械中軸的使用工況及疲勞強度校核

工程機械中大型結構件鉸接處多采用固定心軸的形式，如起重機的轉臺與臂架的鉸點；液壓油缸等執行元件的支撐軸，以及其他運動構件之間的鉸點也多采用固定心軸的形式。軸徑通常有30mm、40mm、50mm、60mm、100mm等多種規格，一般采用30#、35#、45#、40Cr鋼等材質，對于較為重要的軸可采用27SiMn等抗拉強度較高的材料，但其材料成本也相對較高。工程機械中相對運動構件之間相對轉速較低，但載荷較大，一般使用銅基自潤滑軸承進行潤滑。

在進行軸的安全系數校核時，軸的力學模型一般可簡化為簡支梁和懸臂梁兩種。對于簡化力學模型為簡支梁的軸，可僅校核軸的剪切應力，在剪切應力滿足要求的情況下，一般不需校核軸的疲勞強度。而對于簡化力學模型為懸臂梁的軸，在靜強度校核完成后，必須按彎扭聯合作用工況進行疲勞強度安全系數校核，本文重點介紹疲勞安全系數校核。

在構件出現疲勞失效時，其破壞應力往往低于材料的屈服極限或強度極限。因此，屈服極限或強度極限等靜強度指標已不能作為疲勞破壞的強度指標，取而代之的是材料的疲勞極限。

結合材料力學中疲勞強度計算的基本理論和指示，并參考相關文獻資料，可將軸的疲勞強度安全系數校核計算問題歸納如下：首先根據軸的結構、尺寸及載荷特征，分別求得各危險截面處的最大、最小彎曲正應力和扭轉切應力，以及這兩種循環應力的平均應力σm及τm和應力幅σa及τa，然后綜合考慮軸的表面狀態、應力集中、絕對尺寸等的影響，分別計算僅有彎曲正應力時的安全系數Sσ和僅有扭轉切應力時的安全系數Sτ，最后校核彎扭聯合作用下軸的疲勞強度安全系數Sca，有公式：

1）材料均勻，載荷與應力計算精確時，S=1.3～1.5；

2）材料不夠均勻，計算精度較低時，S=1.5～1.8；

3）材料均勻性及計算精度都很低，或軸的直徑d>200mm時，S=1.8～2.5。

四、提高軸疲勞強度的措施

在上述疲勞安全系數的校核過程中，不難發現，有眾多系數與疲勞安全系數息息相關，如零件的強化系數、表面狀態系數，有效應力集中系數、尺寸系數、幾何形狀理論應力集中系數。在實際應用中，除了選用疲勞強度更高的材料之外，便是通過對上述參數進行優化設計來達到提高零件的疲勞強度的目的。在工程機械領域中一般從優化零件受力工況、減緩應力集中、降低表面粗糙度、增加表面強度四個方面進行優化設計。

（1）改善零件受力工況。設計時，應盡可能的避免使用簡化模型為懸臂梁的結構形式，多使用簡支梁的結構形式。

（2）減緩應力集中。零件受載時，其剖面幾何形狀突然變化處（如圓角、孔、槽、螺紋等處）的局部應力要遠遠大于其名義應力，這種現象稱為應力集中。設計時應盡量避免剖面尺寸變化過大，截面變化比值應符合機械設計手冊的要求值。如無法避免截面尺寸變化過大問題，可在軸肩設置減荷槽或內圓角等措施。

（3）降低表面粗糙度。在其他條件相同時，零件表面越粗糙，其疲勞強度越低。鑄鐵零件對表面狀態不敏感，鋼的強度極限越高，表面狀態系數降低越大，因此，用高強度合金鋼制造的零件，應設計較高的表面質量。

（4）增加表面強度。對零件表面施行不同的強化處理，例如表面化學熱處理、高頻表面淬火、表面硬化加工等，均可不同程度的提高零件的疲勞強度。

五、結語

軸作為工程機械的主要組成零件，它的疲勞失效在破壞前無明顯征兆，常常令人防不勝防，危害性極大，輕則造成設備無法運轉，重則造成機毀人亡。在工程機械領域中，軸的疲勞設計已然得到了工程師的充分重視，在經過充分的疲勞分析及抗疲勞設計措施應用之后，必然可以降低軸的疲勞失效概率，使得工程機械更加安全可靠。

參考文獻：

[1] 徐錦康，向敬忠，姚必強，曹曉明.機械設計.

[2] 劉鴻文.材料力學.

作者簡介：

張幸幸（1987-），男，江蘇徐州人，本科，助理工程師，2010年6月畢業于南京工程學院機械設計制造及其自動化專業，現主要從事環衛車輛研發設計工作。