一次性机械零件设计方法综述

钱松涛

摘 要：一次性机械零件的设计方法是现代机械设计制造的一个重点，一次性机械零件设计理念对国防建设和高端机械技术发展具有一定作用。文章针对当前一次性机械零件设计方法的特点和应用状况，针对当前一次性机械零件研究在理论机械零件参数确定和试验设计中存在的若干问题，分析运用不同类型材料制造一次性零件时疲劳失效形式和特点不一的难点问题，并提出相关建议。

关键词：一次性；机械零件；设计

中图分类号：TH14 文献标识码：A

一次性机械零件指承受应力水平高，寿命周期短，在短时间内能承受高强度交变载荷的机械零件。一次性机械零件采用试验样机法源于国内某厂某次某型号箭用舵机减速装置的设计，在该设计中正式提出一次性机械零件。

常规机械零件的设计准则通常有强度、刚度、寿命、振动稳定性和可靠性等设计准则。考虑到实用性和耐久性，常规机械设备或零件通常长期承受交变循环载荷，其使用寿命甚至长达十几二十年。一次性机械零件由于使用周期短，承受短期交变载荷，甚至某机械运动过程不存在破坏即可，则其主要失效形式不再是简单的疲劳、磨损和腐蚀。

1.沿用常规零件设计方法

机械零件的常规设计方法主要有经验设计和模型实验设计。

经验设计是某一类型的零件已存在的通用设计方法，此类零件通过已有的成熟设计方案采用类比进行设计。

对于大型且结构复杂的零件，模型实验设计过程中，把初步设计的零部件或机器制成小模型或小尺寸样机，通过实验的手段对其各方面的特性进行检验，再根据实验结果对设计结果进行逐步修改，最终完成设计。

2.试验样机法

（1）试验样机法对一次性零件的设计源于国内某厂某次某型号箭用舵机减速装置的设计中，要求参数额定输出力矩不小于45N.m，堵转输出力矩不小于80N.m，质量不超过1200g。

这里介绍柔性翼小型无人飞行器试验样机研究。该样机使用三角翼单面柔性薄翼下v尾布局，通过该设计方案确定总体布局以及参数，后采用五种机翼外形进行风洞试验来确定某一样机的气动性能的优越性，得到合适机翼类型。确定一系列参数后，制作出试验样机，使用GPS导航系统进行一系列的飞行实验，最终得到合适样机以及研究参数。

其主要设计思想理论：对于一些大型复杂的结构零件，采用样机试验的办法，根据机械的设计目标，确定基本总体布局和参数，而后对一些复杂参数采用试验确定其特殊零件的设计，最终设计出样机，再不断实验，再设计样机以达到设计要求。这里的柔性翼小型无人飞行器的设计采用试验样机法。

该方法能成功研制出标准的高精度机械零件，但设计成本高，研制周期长，设计过程复杂烦琐，因此通常用于某种特殊零件的设计，无法适用大量类似机械零件的设计制造，无法满足大量生产及型号不同机械零件的设计要求。

3.基于静强度的临界平面理论设计

基于静强度的临界平面理论的一次性机械零件设计方法。设计思想：假设一次性机械零件不存在疲劳、磨损、腐蚀的失效形式，疲劳类型为低周疲劳或超低周疲劳，以静强度为零件设计准则，具体应用于一次性齿轮零件并获得成功。但缺乏其不存在疲劳、磨损、腐蚀的失效形式的证明和循环载荷作用次为一次性机械零件的区分界限的依据。

（1）线性疲劳累加法则。在材料力学的基础上，测定机械零件的S-N曲线，得到不同的幅值载荷情况下机械零件的疲劳损伤值，进行线性累加，当损伤值的和大于等于1时，该机械零件发生破坏，即采用Miner累加法则。该理论存在缺陷，一般损伤值在1左右时就会发生零件破坏，无法进行准确的判断。但相对其他考虑零件的真实复杂情况的计算太过复杂，故其应用范围较广。

（2）疲劳的临界平面理论。机械零件中，常常同时受到拉压、剪切、弯曲等多轴应力；而对于确定的多轴疲劳载荷，疲劳裂纹的方向总是沿着临界平面方向演化。而以临界平面为疲劳损伤的评价变量称之为临界平面法。临界平面法主要包括应力、应变、应力-应变三种常用模型理论方法。

4.总结与展望

一次性机械零件属于我国机械行业高科技领域产品，其在航天航空和军事武器方面的应用尤为广泛，故對其进行研究显得尤为必要，无论是航天和军事领域的发展，还是以后日常高科技发展中的应用，它都是不可或缺的材料。

参考文献：

[1]李跃峰.典型一次性机械零件设计及其应用研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2013.

[2]濮良贵，陈国定，吴立言.机械设计[M].北京：高等教育出版社，2013.