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机械零件的计算准则

2015-05-06  共同成长8...

 在设计时对零件进行计算所依据的准则,无疑地是与零件的失效形式紧密地联系在一起的。概括地讲,大体有以下准则:

(一)强度准则

  强度准则就是指零件中的应力不得超过允许的限度。即:

σ≤σlim

  其中:σlim为材料的极限应力,对于脆性材料:σlim=σB(强度极限),对于塑性材料:σlim=σS(屈服极限)。

  考虑到各种偶然性或难以精确分析的影响,上式右边要除以设计安全系数(简称安全系数),即:

σ≤σlim/S  即  σ≤[σ]

  式中:安全系数S为大于1的数,S过大,虽安全但浪费材料;S过小,虽节省材料但趋危险,故S的选取应适当。[σ]称为许用应力。

(二)刚度准则

  零件在载荷作用下产生的弹性变形量y,小于或等于机器工作性能所允许的极限值[y](许用变形量),就叫做满足了刚度要求,或符合刚度计算准则。其表达式为: 

y≤[y]

  弹性变形量y可按各种变形量的理论或实验方法来确定,而许用变形量[y]则应随不同的使用场合,根据理论或经验来确定其合理的数值。  

(三)寿命准则

  由于影响寿命的主要因素——腐蚀、磨损和疲劳是三个不同范畴的问题,所以它们各自发展过程的规律也就不同。迄今为止,还没有提出使用有效的腐蚀寿命计算方法,因而也无法列出腐蚀的计算准则。关于磨损的计算方法,由于其类型众多,产生的机理还未完全搞清,影响因素也很复杂,所以尚无通行的能够进行定量计算的方法。关于疲劳寿命,通常是求出使用寿命时的疲劳极限来作为计算的依据。

(四)振动稳定性准则

  机器中存在着很多周期性变化的激振源。例如:齿轮的啮合,滚动轴承中的振动,滑动轴承中的油膜振荡,弹性轴的偏心转动等。如果某一零件本身的固有频率与上述激振源的频率重合或成整数倍关系时,这些零件就会发生共振,以致使零件破坏或机器工作关系失常等。所谓振动稳定性,就是说在设计时要使机器中受激振作用的各零件的固有频率与激振源的频率错开。例如,令f代表零件的固有频率,fp代表激振源的频率,则通常应保证如下的条件:

0.85f>fp  或  1.15f

  如果不能满足上述条件,则可改变零件及系统的刚性,改变支承位置,增加或减少辅助支承等办法来改变f值。

  把激振源与零件隔离,使激振的周期性改变的能量不传递到零件上去;或采用阻尼以减小受激振动零件的振幅,都会改善零件的振动稳定性。

(五)可靠性准则

  如有一大批某种零件,其件数为N0在一定的工作条件下进行试验。如在t时间后仍有N件在正常地工作,则此零件在该工作环境条件下工作t时间的可靠度R可表示为:R=N/N0

  如果试验时间不断延长,则N将不断地减小,故可靠度也将改变。这就是说,零件的可靠度是一个时间的函数。若在时间t到t+dt的间隔中,又有dN件零件发生破坏,则在此dt时间间隔内破坏的比

  式中f(t)称为失效率,负号表示dN的增大将使N减小。分离变量并积分,得:

  即:

  零件或部件的失效率λ=f(t)与时间t的关系如右图所示。

    早期失效阶段,失效率由很高的数值急剧地下降到某一稳定的数值。引起这一阶段失效率特别高的原因是零、部件存在的初始缺陷。正常使用阶段如果发生失效,一般是由偶然的原因引起的,故其发生是随机性的,失效率则表现为一常数。损坏阶段主要是由于长期的使用而使零件发生磨损、疲劳裂纹扩展等原因,使失效率急剧地增加。

  表征失效率的另一个指标是两次失效间的平均工作时间MTBF,用符号m表示,和λ的关系为:m=1/λ。

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