工程机械领域中轴的疲劳设计应用

摘 要：工程机械设备多数为大型设备，且使用工况较为恶劣，轴是组成机械的主要零件之一，其最常见的失效形式便是疲劳失效，因其破坏前无明显征兆，故常常令人防不胜防，危害性极大，因此，应充分重视轴的疲劳设计应用。

关键词：工程机械；轴；疲劳设计

轴是组成机械的主要零件之一，主要功用是支撑回转零件及传递运动和动力。一切作回转运动的传动零件，都必须装在轴上才能进行运动及动力的传递。轴类零件最常见的失效形式便是疲劳失效，因其破坏前无明显征兆，故常常令人防不胜防，危害性极大。因此，在工程机械领域中，因其设备多数为大型设备，使用载荷较大，工况较为恶劣，轴的疲劳设计应用应得到充分的重视。对于破坏后会引起重大事故乃至人参伤亡的重要的轴，还应适当增加安全系数。

一、轴的分类

轴有不同的分类方法，也有不同类型的轴。常用的分类方法有两类：1）根据轴线的形状不同分类；2）根据承受载荷不同分类。

按轴线形状分类，可将轴分为直轴、曲轴、钢丝软轴。根据承受载荷的不同分类，轴可分为转轴、心轴、传动轴。转轴，即同时承受扭矩和弯曲载荷的轴，如齿轮减速器中的轴；心轴只需承受弯矩而不传递扭矩，例如铁路车辆的轴、自行车的前轴等，按轴旋转与否分为转动心轴和固定心轴两种；传动轴，即只承受扭矩而不承受弯矩或承受弯矩较小的轴，如汽车传动轴。

二、轴的失效形式

轴的失效形式，主要有疲劳强度不足而产生的疲劳断裂，因静强度不足而产生的塑性变形或脆性断裂、磨损、超过允许范围的变形和振动等。疲劳失效是最常见的轴失效形式，因其破坏前无明显征兆，故常常令人防不胜防，所以危害性最大。

大量工程实践与试验结果表明，构件疲劳与在静应力作用下的破坏决然不同，有以下四个明显特征：1）破坏时的名义应力值远小于材料的静强度指标；2）需要经历一定次数的应力循环后才破坏；3）破坏是脆性断裂，既使塑性很好的材料，也是如此；4）构件的破坏断面，明显分成光亮区域与颗粒状的粗糙区域。

三、工程机械中轴的使用工况及疲劳强度校核

工程机械中大型结构件铰接处多采用固定心轴的形式，如起重机的转台与臂架的铰点；液压油缸等执行元件的支撑轴，以及其他运动构件之间的铰点也多采用固定心轴的形式。轴径通常有30mm、40mm、50mm、60mm、100mm等多种规格，一般采用30#、35#、45#、40Cr钢等材质，对于较为重要的轴可采用27SiMn等抗拉强度较高的材料，但其材料成本也相对较高。工程机械中相对运动构件之间相对转速较低，但载荷较大，一般使用铜基自润滑轴承进行润滑。

在进行轴的安全系数校核时，轴的力学模型一般可简化为简支梁和悬臂梁两种。对于简化力学模型为简支梁的轴，可仅校核轴的剪切应力，在剪切应力满足要求的情况下，一般不需校核轴的疲劳强度。而对于简化力学模型为悬臂梁的轴，在静强度校核完成后，必须按弯扭联合作用工况进行疲劳强度安全系数校核，本文重点介绍疲劳安全系数校核。

在构件出现疲劳失效时，其破坏应力往往低于材料的屈服极限或强度极限。因此，屈服极限或强度极限等静强度指标已不能作为疲劳破坏的强度指标，取而代之的是材料的疲劳极限。

结合材料力学中疲劳强度计算的基本理论和指示，并参考相关文献资料，可将轴的疲劳强度安全系数校核计算问题归纳如下：首先根据轴的结构、尺寸及载荷特征，分别求得各危险截面处的最大、最小弯曲正应力和扭转切应力，以及这两种循环应力的平均应力σm及τm和应力幅σa及τa，然后综合考虑轴的表面状态、应力集中、绝对尺寸等的影响，分别计算仅有弯曲正应力时的安全系数Sσ和仅有扭转切应力时的安全系数Sτ，最后校核弯扭联合作用下轴的疲劳强度安全系数Sca，有公式：

1）材料均匀，载荷与应力计算精确时，S=1.3～1.5；

2）材料不够均匀，计算精度较低时，S=1.5～1.8；

3）材料均匀性及计算精度都很低，或轴的直径d>200mm时，S=1.8～2.5。

四、提高轴疲劳强度的措施

在上述疲劳安全系数的校核过程中，不难发现，有众多系数与疲劳安全系数息息相关，如零件的强化系数、表面状态系数，有效应力集中系数、尺寸系数、几何形状理论应力集中系数。在实际应用中，除了选用疲劳强度更高的材料之外，便是通过对上述参数进行优化设计来达到提高零件的疲劳强度的目的。在工程机械领域中一般从优化零件受力工况、减缓应力集中、降低表面粗糙度、增加表面强度四个方面进行优化设计。

（1）改善零件受力工况。设计时，应尽可能的避免使用简化模型为悬臂梁的结构形式，多使用简支梁的结构形式。

（2）减缓应力集中。零件受载时，其剖面几何形状突然变化处（如圆角、孔、槽、螺纹等处）的局部应力要远远大于其名义应力，这种现象称为应力集中。设计时应尽量避免剖面尺寸变化过大，截面变化比值应符合机械设计手册的要求值。如无法避免截面尺寸变化过大问题，可在轴肩设置减荷槽或内圆角等措施。

（3）降低表面粗糙度。在其他条件相同时，零件表面越粗糙，其疲劳强度越低。铸铁零件对表面状态不敏感，钢的强度极限越高，表面状态系数降低越大，因此，用高强度合金钢制造的零件，应设计较高的表面质量。

（4）增加表面强度。对零件表面施行不同的强化处理，例如表面化学热处理、高频表面淬火、表面硬化加工等，均可不同程度的提高零件的疲劳强度。

五、结语

轴作为工程机械的主要组成零件，它的疲劳失效在破坏前无明显征兆，常常令人防不胜防，危害性极大，轻则造成设备无法运转，重则造成机毁人亡。在工程机械领域中，轴的疲劳设计已然得到了工程师的充分重视，在经过充分的疲劳分析及抗疲劳设计措施应用之后，必然可以降低轴的疲劳失效概率，使得工程机械更加安全可靠。

参考文献：

[1] 徐锦康，向敬忠，姚必强，曹晓明.机械设计.

[2] 刘鸿文.材料力学.

作者简介：

张幸幸（1987-），男，江苏徐州人，本科，助理工程师，2010年6月毕业于南京工程学院機械设计制造及其自动化专业，现主要从事环卫车辆研发设计工作。