对机械设备零件疲劳问题的探讨
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摘要：随着我国经济建设的高速发展，对各种机械设备的需求量逐年增加。这使得机械设备零件疲劳失效问题日益突显出来，并逐渐引起人们的重视。因此，分析并掌握影响机械设备零件疲劳的因素，采取有效措施避免或减少机械设备零件疲劳的产生具有重要的意义。
关键词：机械设备零件疲劳影响因素
在机械与工程结构中，许多零件常常受到交变应力的作用，如转轴、曲轴、齿轮的轮齿和连杆等，其主要失效形式是疲劳破坏。随着机械零件的工作环境向高速、高压、高温等方面发展，疲劳破坏事件日益增多。因此，明确掌握影响机械零件疲劳的因素，在机械材料选择、制造，以及运行维修等环节采取有效措施，防止或减少设备疲劳断裂事故的发生，无疑可收到巨大的经济和社会效益。
1、探讨机械设备零件疲劳问题的意义
机械设备作为经济建设的基础组成，其稳定可靠工作是企业安全发展的根本。金属构件是机械设备的重要组成部分，在机械金属零部件和工程构件的三种主要失效形式(磨损、腐蚀、断裂)中,疲劳断裂约占机械破断事故中的50% -90%，是构件失效的最主要原因之一，当金属结构或构件受到交变载荷作用后，应力值虽然没有超过材料的强度极限，甚至在应力值还低于材料的弹性极限的情况下，可能发生疲劳破坏，这种破坏通常是突然发生的，所以常常会导致灾难性的设备损失和人身事故，给社会和生产造成巨大的损失。
2、影响机械设备零件结构疲劳的因素分析
影响疲劳强度或疲劳的因素众多是机械设备疲劳问题尚未得到根本解决的主要原因。机械设备零件疲劳的影响因素很多，归纳起来主要有三个方面：(1)工作条件，主要包括载荷特性，负载频率，使用温度，环境介质；(2)零件状态，主要包括应力集中系数，尺寸系数，表面加工系数，表面强化处理系数等；(3)材料本质，主要有化学成分，金相组织，纤维方向，内部缺陷分布等。下面是机械设备零件出现疲劳问题的几个常见影响因素：
2.1 应力集中的影响
任何结构，像发动机轴、盘、机匣等都不可避免地存在台阶、开孔、桦槽等导致截面突变的地方。当结构受力时，在这些区域就会出现局部应力增大的现象，称为应力集中。大量疲劳破坏事故和试验结果表明，疲劳源总是出现在应力集中的地方，应力集中使结构的疲劳强度降低，对疲劳强度有较大的影响，而且是影响疲劳强度诸多因素中起主要作用的一个因素。任何结构或机械的零构件几乎都存在应力集中。
应力集中对静强度的影响与材料的性质有关。应力集中对脆性材料影响较大，对塑性材料影响较小。这是因为零件承受静载荷时，由于常用的材料都要一定的塑性，在破坏前有一个宏观的塑性变形过程，使零件上的应力重新分配，自动趋于均匀化。因此，应力集中对静强度的影响较小。
2.2 尺寸的影响
人们在疲劳强度试验中早就注意到了试验件尺寸越大疲劳强度就越低这一现象。疲劳试验表明，随着试样直径加大，疲劳极限下降，强度高的钢（合金钢）的疲劳极限比强度低的钢（低碳钢）下降得更快。疲劳尺寸系数定义为，在相同加载条件及试件几何相似条件下，大尺寸试件的疲劳强度更低。导致大、小试件疲劳强度有差别的主要原因有两个方面：(1)对处于均匀应力场的试件，大尺寸试件比小尺寸试件含有更多的疲劳损伤源；(2)对处于非均匀应力场中的试验件，大尺寸试件疲劳损伤区中的应力比小尺寸试件更多严重。显然前者统计力学的范畴，后者则属传统宏观力学的范畴。因此，在分析机械零件疲劳问题时必须考虑尺寸的影响。尺寸对疲劳强度的影响体现在：1)应力梯度的影响。尺寸不同，在相同的承载方式下，零件的应力梯度不同(如果最大应力值相同)大尺寸零件的高应力区域大，产生疲劳裂纹的概率大。2)统计因素的影响。金属是多晶体，由许多受力不同、强弱不等、定向个别的细小晶粒组成。由于疲劳破坏的局部性，决定零件疲劳强度的是受力最大的最薄弱晶粒。3)工艺因素的影响。大型零件的铸造质量一般比小零件的差，因此缺陷比小零件的多;大截面零件的锻造比或压延比都比小零件的小;加工零件时，表面将有一些硬化，在很多情况下硬化可提高疲劳强度，而这种硬化对小零件的影响大。
2.3 其它因素对机械零件疲劳的影响
(1)表面状态的影响。零件的表面状态对其疲劳强度有着显著的影响，疲劳裂纹通常出现在表面，这是因为外表面的应力水平往往最高，外表面的缺陷往往最多。
(2)载荷的影响。在实际工作条件下，机械零部件所受到的载荷是十分复杂的。不同载荷情况对疲劳强度的影响主要包括：载荷类型的影响，加载频率的影响，平均应力的影响、载荷波形的影响、载荷中间停歇和持续的影响等。
3、避免或减少机械零件疲劳破坏的有效措施探讨
3.1 设计阶段提升机械设备零件疲劳强度的措施
(1)合理选择材料。在选材中既要注意满足静强度要求，又要注意有良好的抗疲劳性能。在抗疲劳设计中，需要从疲劳强度的观点来选材，注意轧材和锻材等材料的纤维方向和主要受力方向的一致性，还要尽量减少材料的内部缺陷，对重要的零件应经探伤检验。
(2)合理的振动设计。对运动(往复、旋转)的零部件，应注意合理的振动设计，必须避免在使用的速度范围内的各个频率之间发生共振现象，避免因振动而促进零部件疲劳破坏，对振动系统的部件应注意加强刚度，避免因产生高频振动而促使疲劳破坏的发展。
(3)采用可靠性特殊设计法。即对薄弱零部件事先备有相同结构的设计方法，采用多路传力结构或多重受力构件设计，当其中一个构件损坏后，其它零件仍能继续受力，保证机械设备具有继续运行的能力。
3.2 使用环节提升机械设备零件疲劳强度的措施
(1)装配应注意的事项。机械设备在维修养护中应制定严格的工艺要求,避免装配、拆卸时产生不应有的装配缺陷。如要避免在零件表面产生划伤、锤击、焊点等,对各种高强度紧固螺栓,严格按力距要求紧固,都可有效增加零件疲劳寿命。
(2)合理确定机械设备中一些关键、特殊零件的疲劳寿命。在机械设备使用和检修中，应总结出一些重要、特殊的零件,符合实际的使用寿命周期,合理确定报废年限，制定正确的检修工艺，这对避免机械设备发生重大疲劳断裂事故是极为有效的途径。
4、结语
机械零件的疲劳破坏是造成机械运行故障的主要原因。提高机械零件的抗疲劳强度,应从设计和使用、维护等多个环节改善零件表面的抗疲劳性能，使机械设备能够最大限度地发挥效益。