【正文】 4[14].鄧文英,(上冊(cè)).第五版. 北京:高等教育出版社，2008[15].Li Can ,Zhang Xianmin . Mechanism and machine : Wuhan University of Technology Press, 2004[16].Ye Zhonghe, Lan Zhaohui, . Smith . Mechanisms and machine theory. Beijing:Beijing Higher Education Press 2001 六、指導(dǎo)教師意見(jiàn) 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日七、系級(jí)教學(xué)單位審核意見(jiàn)：審查結(jié)果： □ 通過(guò) □ 完善后通過(guò) □ 未通過(guò) 負(fù)責(zé)人簽字：年 月 日附錄387故機(jī)械壓力機(jī)的故障分析和尺寸確定前言介紹：作為一名設(shè)計(jì)工程師有必要知道零件如何發(fā)生和為什么會(huì)發(fā)生故障，以便通過(guò)進(jìn)行最低限度的維修以保證機(jī)器的可靠性。有時(shí)一次零件的故障或者失效可能是很?chē)?yán)重的一件事情，比如，當(dāng)一輛汽車(chē)正在高速行駛的時(shí)候，突然汽車(chē)的輪胎發(fā)生爆炸等。另一方面，一個(gè)零件發(fā)生故障也可能只是一件微不足道的小事，只是給你造成了一點(diǎn)小麻煩。一個(gè)例子是在一個(gè)汽車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)里的暖氣裝置軟管的松動(dòng)。后者發(fā)生的這次故障造成的結(jié)果通常只不過(guò)是一些暖氣裝置里冷卻劑的損失，是一種很容易被發(fā)現(xiàn)并且被改正的情況。能夠被零件進(jìn)行吸收的載荷是相當(dāng)重要的。一般說(shuō)來(lái)，與靜載重相比較，有兩個(gè)相反方向的動(dòng)載荷將會(huì)引起更大的問(wèn)題，因此，疲勞強(qiáng)度必須被考慮。另一個(gè)關(guān)鍵是材料是可延展性的還是脆性的。例如，脆的材料被認(rèn)為在存在疲勞的地方是不能夠被使用的。 很多人錯(cuò)誤的把一個(gè)零件發(fā)生故障或者失效理解成這樣就意味著一個(gè)零件遭到了實(shí)際的物理破損。無(wú)論如何，一名設(shè)計(jì)工程師必須從一個(gè)更廣泛的范圍來(lái)考慮和理解變形是究竟如何發(fā)生的。一種具有延展性的材料，在破裂之前必將發(fā)生很大程度的變形。發(fā)生了過(guò)度的變形，但并沒(méi)有產(chǎn)生裂縫，也可能會(huì)引起一臺(tái)機(jī)器出毛病，因?yàn)榘l(fā)生畸變的零件會(huì)干擾下一個(gè)零件的移動(dòng)。因此，每當(dāng)它不能夠再履行它要求達(dá)到的性能的時(shí)候，一個(gè)零件就都算是被毀壞了（即使它的表面沒(méi)有被損毀）。有時(shí)故障可能是由于兩個(gè)兩個(gè)相互搭配的零件之間的不正常的磨擦或者異常的振動(dòng)引起的。故障也可能是由一種叫蠕變的現(xiàn)象引起的，這種現(xiàn)象是指金屬在高溫下時(shí)一種材料的塑性流動(dòng)。此外，一個(gè)零件的實(shí)際形狀可能會(huì)引起故障的發(fā)生。例如，應(yīng)力的集中可能就是由于輪廓的突然變化引起的，這一點(diǎn)也需要被考慮到。當(dāng)有用兩個(gè)相反方向的動(dòng)載荷，材料不具有很好的可延展性時(shí)，對(duì)應(yīng)力考慮的評(píng)估就特別重要。 一般說(shuō)來(lái)，設(shè)計(jì)工程師必須考慮故障可能發(fā)生的全部方式，包括如下一些方面：壓力，變形，磨損，腐蝕，振動(dòng)，環(huán)境破壞，固定設(shè)備松動(dòng) 在選擇零件的大小與形狀的時(shí)候，也必須考慮到一些可能會(huì)產(chǎn)生外部負(fù)載影響的空間因素，例如幾何學(xué)間斷性，為了達(dá)到要求的外形輪廓及使用相關(guān)的連接件，也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的殘余應(yīng)力。凸輪是被應(yīng)用的最廣泛的機(jī)械結(jié)構(gòu)之一。凸輪是一種僅僅有兩個(gè)組件構(gòu)成的設(shè)備。主動(dòng)件本身就是凸輪，而輸出件被稱(chēng)為從動(dòng)件。通過(guò)使用凸輪，一個(gè)簡(jiǎn)單的輸入動(dòng)作可以被修改成幾乎可以想像得到的任何輸出運(yùn)動(dòng)。常見(jiàn)的一些關(guān)于凸輪應(yīng)用的例子有：——凸輪軸和汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)工程的裝配——專(zhuān)用機(jī)床——自動(dòng)電唱機(jī)——印刷機(jī)——自動(dòng)的洗衣機(jī)——自動(dòng)的洗碗機(jī) 高速凸輪(凸輪超過(guò)1000 rpm的速度)的輪廓必須從數(shù)學(xué)意義上來(lái)定義。無(wú)論如何，大多數(shù)凸輪以低速(少于500 rpm)運(yùn)行而中速的凸輪可以通過(guò)一個(gè)大比例的圖形表示出來(lái)。一般說(shuō)來(lái)，凸輪的速度和輸出負(fù)載越大，凸輪的輪廓在被床上被加工時(shí)就一定要更加精密。材料的設(shè)計(jì)屬性當(dāng)他們與抗拉的試驗(yàn)有關(guān)時(shí)，材料的下列設(shè)計(jì)特性被定義如下。（）靜強(qiáng)度：一個(gè)零件的強(qiáng)度是指零件在不會(huì)失去它被要求的能力的前提下能夠承受的最大應(yīng)力。因此靜強(qiáng)度可以被認(rèn)為是大約等于比例極限，從理論上來(lái)說(shuō)，我們可以認(rèn)為在這種情況下，材料沒(méi)有發(fā)生塑性變形和物理破壞。剛度： 剛度是指材料抵抗變形的一種屬性。這條斜的模數(shù)線以及彈性模數(shù)是一種衡量材料的剛度的一種方法。彈性： 彈性是指零件能夠吸收能量但并沒(méi)有發(fā)生永久變形的一種材料的屬性。吸收的能量的多少可以通過(guò)下面彈性區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力圖表來(lái)描述出來(lái)。（）韌性： 韌性和彈性是兩種相似的特性。無(wú)論如何，韌性是一種可以吸收能量并且不會(huì)發(fā)生破裂的能力。因此可以通過(guò)應(yīng)力圖里面的總面積來(lái)描述韌性， b 描繪的那樣。顯而易見(jiàn)，脆性材料的韌性和彈性非常低，并且大約相等。脆性： 一種脆性的材料就是指在任何可以被看出來(lái)的塑性變形之前就發(fā)生破裂的材料。脆性的材料一般被認(rèn)為不適合用來(lái)做機(jī)床的零部件，因?yàn)楫?dāng)遇到由軸肩，孔，槽，或者鍵槽等幾何應(yīng)力集中源引起的高的應(yīng)力時(shí)，脆性材料是無(wú)法來(lái)產(chǎn)生局部屈服的現(xiàn)象以適應(yīng)高的應(yīng)力環(huán)境的。延展性： 一種延展性材料會(huì)在破裂之前表現(xiàn)出很大程度上的塑性變形現(xiàn)象。延展性是通過(guò)可延展的零件在發(fā)生破裂前后的面積和長(zhǎng)度的百分比來(lái)測(cè)量的。一個(gè)在發(fā)生破裂的零件，其伸長(zhǎng)量如果為5%，則認(rèn)為該伸長(zhǎng)量就是可延展性和脆性材料分界線?？慑懶裕?可鍛性從根本上來(lái)說(shuō)是指材料的一種在承受擠壓或壓縮是可以發(fā)生塑性變形的能力，同時(shí)，它也是一種在金屬被滾壓成鋼板時(shí)所需金屬的重要性能。硬度： 一種材料的硬度是指它抵抗擠壓或者拉伸它的能力。一般說(shuō)來(lái)，材料越硬，它的脆性也越大，因此，彈性越小。同樣，一種材料的極限強(qiáng)度粗略與它的硬度成正比。機(jī)械加工性能（或切削性）：機(jī)械加工性能是指材料的一種容易被加工的性能。通常，材料越硬，越難以加工。壓應(yīng)力和剪應(yīng)力 除抗拉的試驗(yàn)之外，還有其它一些可以提供有用信息的靜載荷的實(shí)驗(yàn)類(lèi)型。壓縮測(cè)試： 大多數(shù)可延展材料大約有相同特性，當(dāng)它們處于受壓狀態(tài)的緊張狀態(tài)時(shí)。極限強(qiáng)度，無(wú)論如何，不能夠被用于評(píng)價(jià)壓力狀態(tài)。當(dāng)一件具有可延展性的樣品受壓發(fā)生塑性變形時(shí)，材料的其它部分會(huì)凸出來(lái)，但是在這種緊張的狀態(tài)下，材料通常不會(huì)發(fā)生物理上的破裂。因此，一種可延展的材料通常是由于變形受壓而損壞的，并不是壓力的原因。剪應(yīng)力測(cè)試： 軸，螺釘，鉚釘和焊接件被用這樣一種方式定位以致于生產(chǎn)了剪應(yīng)力。一張抗拉試驗(yàn)的試驗(yàn)圖紙就可以說(shuō)明問(wèn)題。當(dāng)壓力大到可以使材料發(fā)生永久變形或發(fā)生破壞時(shí)，這時(shí)的壓力就被定義為極限剪切強(qiáng)度。極限剪切強(qiáng)度，無(wú)論如何，不等于處于緊張狀態(tài)的極限強(qiáng)度。例如，以鋼的材料為例，最后的剪切強(qiáng)度是處于緊張狀態(tài)大約極限強(qiáng)度的75%。當(dāng)在機(jī)器零部件里遇到剪應(yīng)力時(shí)，這個(gè)差別就一定要考慮到了。動(dòng)力載荷 不會(huì)在各種不同的形式的力之間不停發(fā)生變化的作用力被叫作靜載荷或者穩(wěn)定載荷。此外，我們通常也把很少發(fā)生變化的作用力叫作靜載荷。在拉伸實(shí)驗(yàn)中，被分次、逐漸的加載的作用力也被叫作靜載荷。 另一方面，在大小和方向上經(jīng)常發(fā)生變化的力則被稱(chēng)為動(dòng)載荷。動(dòng)載荷可以被再細(xì)分為以下的3種類(lèi)型。變載荷： 所謂變載荷，就是說(shuō)載荷的大小在變，但是方向不變的載荷。比如說(shuō)，變載荷會(huì)產(chǎn)生忽大忽小的張應(yīng)力，但不會(huì)產(chǎn)生壓應(yīng)力。周期性載荷： 像這樣的話，如果大小和方向同時(shí)改變，則就是說(shuō)這種載荷會(huì)反復(fù)周期性的產(chǎn)生變化的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力，這種現(xiàn)象往往就伴隨著應(yīng)力在方向和大小上的周期性變化。沖擊載荷： 這類(lèi)載荷是由于沖擊作用產(chǎn)生的。一個(gè)例子就是一臺(tái)升降機(jī)墜落到位于通道底部的一套彈簧裝置上，這套裝置產(chǎn)生的力會(huì)比升降機(jī)本身的重量大上好幾倍。當(dāng)汽車(chē)的一個(gè)輪胎碰撞到道路上的一個(gè)突起或者路上的一個(gè)洞時(shí)，相同的沖擊荷載的類(lèi)型也會(huì)在汽車(chē)的減震器彈簧上發(fā)生。疲勞失效－疲勞極限線圖 ，如果材料的某處經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生大量的周期性作用力，那么在材料的表面就很可能會(huì)出現(xiàn)裂縫。裂縫最初是在應(yīng)力超過(guò)它極限壓力的地方開(kāi)始出現(xiàn)的，而通常這往往是有微小的表面缺陷的地方，例如有一處材料出現(xiàn)瑕疵或者一道極小的劃痕。當(dāng)循環(huán)的次數(shù)增加時(shí)，最初的裂縫開(kāi)始在軸的周?chē)闹饾u產(chǎn)生許多類(lèi)似的裂縫。所以說(shuō)，第一道裂縫的意義就是指應(yīng)力集中的地方，它會(huì)加速其它裂縫的產(chǎn)生。一旦整個(gè)的外圍斗出現(xiàn)了裂縫，裂縫就會(huì)開(kāi)始向軸的中心轉(zhuǎn)移。最后，當(dāng)剩下的固體的內(nèi)部地區(qū)變得足夠小，且當(dāng)壓力超過(guò)極限強(qiáng)度時(shí)，軸就會(huì)突然發(fā)生斷裂。對(duì)斷面的檢查可以發(fā)現(xiàn)一種非常有趣的圖案。外部的一個(gè)環(huán)形部分相對(duì)光滑一些，因?yàn)樵瓉?lái)表面上相互交錯(cuò)的裂縫之間不斷地發(fā)生磨擦導(dǎo)致了這種現(xiàn)象的產(chǎn)生。無(wú)論如何，中心部分是粗糙的，表明中心是突然發(fā)生了斷裂，類(lèi)似于脆性材料斷裂時(shí)的現(xiàn)象。 這就表明了一個(gè)有趣的事實(shí)。當(dāng)正在使用的機(jī)器零件由于靜載荷的原因出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，由于材料具有的延展性，他們通常會(huì)發(fā)生一定程度的變形。（）盡管許多地由于靜壓力導(dǎo)致的零件故障可以通過(guò)頻繁的做實(shí)際的觀察并且替換全部發(fā)生變形的零件來(lái)避免。不管怎樣，疲勞失效有助于起到警告的作用。汽車(chē)中發(fā)生故障的零件中的90%的原因都是因?yàn)槠诘淖饔谩?一種材料的疲勞強(qiáng)度是指在壓力的反復(fù)作用下的抵抗產(chǎn)生裂縫的能力。持久極限是用來(lái)評(píng)價(jià)一種材料的疲勞強(qiáng)度的一個(gè)重要參數(shù)。進(jìn)一步說(shuō)明就是，持久極限就是指在無(wú)限循環(huán)的作用力下不引起失效的壓力值。 所示的疲勞試驗(yàn)機(jī)器的。試驗(yàn)是這樣被進(jìn)行的：一件小的重物被插入，電動(dòng)機(jī)被啟動(dòng)。在試樣的失效過(guò)程中，由計(jì)算寄存器記錄下循環(huán)的次數(shù)N， 方程式計(jì)算。然后用一個(gè)新的樣品替換掉被毀壞的樣品，并且將另一個(gè)重物插入以增加負(fù)荷量。壓力的新的數(shù)值再次被計(jì)算，并且相同的程序再次被重復(fù)進(jìn)行，直到零件的失效只需要一個(gè)完整周期時(shí)為止。然后根據(jù)壓力值和所需的循環(huán)的次數(shù)來(lái)繪制一個(gè)圖。，該圖被稱(chēng)為持久極限曲線或者SN 曲線。由于這需要的前提是要進(jìn)行無(wú)限次的循環(huán)，所以我們可以以100萬(wàn)個(gè)循環(huán)用來(lái)作循環(huán)參考單位。因此，該材料是在承受了100萬(wàn)個(gè)循環(huán)后而沒(méi)有發(fā)生失效的。 描繪的關(guān)系對(duì)于鋼的材料來(lái)說(shuō)更為典型，因?yàn)楫?dāng)N 接近非常大的數(shù)字時(shí)，曲線就會(huì)變得水平。因此持久極限等于曲線接近一條水平的切線時(shí)的壓力水平。由于包含了大量的循環(huán)，在繪圖時(shí)，N通常會(huì)被按照對(duì)數(shù)標(biāo)度來(lái)畫(huà)， b中所示。當(dāng)采用這樣的方法做時(shí)，水平的直線就可以更容易發(fā)現(xiàn)材料的持久極限值。對(duì)于鋼的材料來(lái)說(shuō)，持久極限值大約等于極限強(qiáng)度的50%。無(wú)論如何，已經(jīng)加工完成的表面如果不是一樣的光滑，持久極限的值就會(huì)被降低。例如，對(duì)于鋼材料的零件來(lái)說(shuō)，63 微英寸（ μin ）的機(jī)械加工的表面，零件的持久極限占理論的持久極限的百分比降低到了大約40%。而對(duì)于粗糙的表面來(lái)說(shuō) （300μin，甚至更多），百分比可能降低到25%左右的水平。 最常見(jiàn)的疲勞損壞的類(lèi)型通常是由于彎曲應(yīng)力所引起的。其次就是扭應(yīng)力導(dǎo)致的失效，而由于軸向負(fù)載引起的疲勞失效卻極少發(fā)生。彈性材料通常使用從零到最大值之間變化的剪應(yīng)力值來(lái)做實(shí)驗(yàn)，以此來(lái)模擬材料實(shí)際的受力方式。 就一些有色金屬而論，當(dāng)循環(huán)的次數(shù)變得非常大時(shí)，疲勞曲線不會(huì)隨著循環(huán)次數(shù)的增大而變得水平。，而疲勞曲線的繼續(xù)變小，表明不管作用力有多么的小，多次的應(yīng)力反復(fù)作用都會(huì)引起零件的失效。這樣的一種材料據(jù)說(shuō)沒(méi)有持久極限。對(duì)于大多數(shù)有色金屬來(lái)說(shuō)，它們都有一個(gè)持久極限，數(shù)值大小大約是極限強(qiáng)度的25%。溫度對(duì)屈服強(qiáng)度和彈性模數(shù)的影響 一般說(shuō)來(lái)，當(dāng)在說(shuō)明一種擁有特殊的屬性的材料時(shí)，如彈性模數(shù)和屈服強(qiáng)度，表示這些性能在室溫環(huán)境下就可以存在。在低的或者較高的溫度下，材料的特性可能會(huì)有很大的不同。例如，很多金屬在低溫時(shí)會(huì)變得更脆。此外，當(dāng)溫度升高時(shí)，材料的彈性模數(shù)和屈服強(qiáng)度都會(huì)變差。 顯示了低碳鋼的屈服強(qiáng)度在從室溫升高到1000oC過(guò)程中被降低了大約70%。 當(dāng)溫度升高時(shí)。正如從圖上可以看見(jiàn)的那樣，彈性模數(shù)在從室溫升高到1000oC過(guò)程中大約降低了30%。從這張圖表中，我們也能看到在室溫下承受了一定載荷而不會(huì)發(fā)生變形的零件卻可能在高溫時(shí)承受相同載荷時(shí)發(fā)生永久變形。蠕變： 一種塑性變形的現(xiàn)象 由于溫度效應(yīng)的影響，金屬中產(chǎn)生了一種被稱(chēng)為蠕變的現(xiàn)象，一個(gè)承受了一定的載荷的零件的塑性變形是按照一個(gè)時(shí)間函數(shù)來(lái)逐漸增加的。蠕變現(xiàn)象在室溫的條件下也是存在的，但它發(fā)生的過(guò)程是如此之慢，以致于很少變得像在預(yù)期壽命中溫度被升高到300oC或更多時(shí)那樣顯著，逐漸增加的塑性變形可能在一段短的時(shí)期內(nèi)變得很明顯。材料的抗蠕變強(qiáng)度是指材料抵抗蠕變的屬性，并且抗蠕變強(qiáng)度的數(shù)據(jù)可以通過(guò)處理長(zhǎng)期的蠕變?cè)囼?yàn)(模擬實(shí)際零件的操作條件)來(lái)獲得。在試驗(yàn)的過(guò)程中，給定的材料在規(guī)定的溫度下的塑性應(yīng)變被被進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)控。（） 由于蠕變是一種塑性變形現(xiàn)象，發(fā)生了蠕變的零件的尺寸可能就會(huì)被永久的改變。因此，如果一個(gè)零件是在很強(qiáng)的強(qiáng)度下運(yùn)轉(zhuǎn)的話，那么設(shè)計(jì)工程師必須精確地預(yù)言將在機(jī)器的使用壽命期間可能發(fā)生的蠕變的次數(shù)。否則，與此伴隨的或者相關(guān)的問(wèn)題就可能發(fā)生。 在高溫下，當(dāng)螺栓被用來(lái)緊固零件時(shí)，蠕變就可能變成一個(gè)必須解決的問(wèn)題。處在壓力狀態(tài)下的螺釘，蠕變是按照一個(gè)時(shí)間函數(shù)來(lái)發(fā)生的。因?yàn)樽冃问撬苄缘模瑠A緊力的損失將可能導(dǎo)致螺紋連接件的意外松動(dòng)。像這種特殊的現(xiàn)象，通常被稱(chēng)為松弛，我們可以通過(guò)進(jìn)行適當(dāng)?shù)娜渥儚?qiáng)度時(shí)測(cè)試來(lái)確定是不是發(fā)生了蠕變。 。從中，我們可以注意到在高溫條件下，蠕變發(fā)生的速度逐漸加速，直到零件失效。從圖表里的時(shí)間軸上(x軸)，我們可以描述在10年的時(shí)間里，這種產(chǎn)品的預(yù)期壽命。（）總結(jié) 機(jī)器設(shè)計(jì)者必須理解進(jìn)行抗拉的靜止強(qiáng)度的測(cè)試目的。這種試驗(yàn)可以確定被在設(shè)計(jì)方程式過(guò)程中使用的許多金屬的機(jī)械特性。像彈性模數(shù)，比例極限，屈服強(qiáng)度，彈性，以及延展性等等可以根據(jù)抗拉試驗(yàn)來(lái)決定它們的特性。 動(dòng)載荷是指那些，在大小和方向上發(fā)生變化并且可能需要對(duì)機(jī)器零件在抵抗失效能力上的研究。由于應(yīng)力的反復(fù)作用，允許使用的安全應(yīng)力是基于材料的持久極限而不是基于屈服強(qiáng)度或者是極限強(qiáng)度。 壓力集中在機(jī)器零件改變尺寸的位置發(fā)生，例如在一塊平的金屬板上的一個(gè)孔或者一塊平板、一個(gè)溝槽、一個(gè)圓軸上的皮帶在寬度方向上的突然變化。尤其是在一塊平板上或一塊條板上有一個(gè)孔的情況下，當(dāng)孔的大小減少時(shí)，最大應(yīng)力的值相對(duì)于平均