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(huán)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(qū)域與顆粒狀的粗糙區(qū)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(zhí)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(guī)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(huán)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(tài)、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(fā)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(tài)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(yōu)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(yōu)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(yōu)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(tài)不敏感，鋼的強度極限越高，表面狀態(tài)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(yè)于南京工程學院機械設計制造及其自動化專業(yè)，現主要從事環(huán)衛(wèi)車輛研發(fā)設計工作。