佛山市顺德区美的洗涤电器制造有限公司
摘要：疲劳破坏属于机械结构破坏的主要表现形式，对机理所形成的伤害比较复杂，造成这一后果的主要因素也非常多。由于在损伤的形成与膨胀的过程中存在隐蔽性、瞬时性和疲劳断裂，会给机械结构及其可靠性及安全性带来较严重的影响，所以分析机械结构疲劳与抗疲劳及其结构可靠性是非常有意义的。
关键词：机械结构疲劳；抗疲劳；可靠性
引言
目前，机械设备的发展正走向大规模、复杂精准，随着服务环境日益激烈，以及随机因素不断增加的影响，可靠性是确保设备安全高效运行的重要指标，发挥其作用最大的价值，创造最大的经济效益。机械结构的主要故障模式是疲劳失效，由于其形成和膨胀过程中的裂纹具有很强的隐蔽性，以及疲劳断裂所具有的瞬时性，严重威胁机械设备的运行，安全可靠，一旦发生，将不可避免地导致灾难性后果，造成重大经济损失。所以对于机械寿命的准确预测和可靠性评估机制，可有效保证机械设备安全可靠的运行，发挥其实践意义和工程意义。本将对机械机构的抗疲劳性和可靠性进行分析。
1机械结构的疲劳与抗疲劳分析
1.1机械结构疲劳
据调查，在现实的工程操作中，机械构件中的疲劳损伤在产生故障的总体数量中占有50%到90%之间。而机械结构疲劳寿命的主要表现在于两个阶段过程：疲劳裂缝产生过程与疲劳裂缝延伸过程。与此同时，疲劳损伤的出现还会由很多因素造成，其中材料的应力能力与材料的抗疲劳性是其主要原因。高应力会使机械结构的疲劳寿命变短，反之低应力则使其疲劳寿命变长；另外，高韧性与高强度的材料在同一条件下还会延长机械的疲劳寿命，这不仅包括尺寸结构的影响，还包括负载能力等方面的影响。众所周知，疲劳操作并不是一蹴而就的，它是一个循序渐进的过程，但在产生伤害前，却并不会表现出较为突出的问题，因此一旦发生伤害，就显得比较突然，比较危险，所以在设计环节应该对此加以高度关注，在有效增加抗疲劳设计方法的前提下，不仅要使其达到静态安全强度，更要使其在合理的疲劳分析下进行抗疲劳设计，确保结构设计的合理性。目前，除了在选材方面工选择塑性好、韧性强势材料以外，还在工艺结构方面进行了改进，而且还通过采取表面强化与防护措施进一步提高其疲劳强度，而在设计中也在有效利用有限元软件的前提下，使其结构系统无论是对于外力负载应力，还是位置与温度变化等方面都能按照一定的结构设计要求加以正确的优化判断，由此确保其技术方面的安全性与稳定性。
1.2机械结构抗疲劳
疲劳断裂的发生极具危害性，而且还是存在于机械结构中的最主要破坏形式之一，现已被人们作为重点关注问题。疲劳裂纹的产生与连续的膨胀与结构疲劳的寿命在一些时候会相差很多，存在较大的分散性。很明显，通过预测方法来对机械结构的寿命实施全方位的评估并不是非常合理的。机械结构的疲劳损伤形成裂纹和裂纹的延伸，直至最终的破坏，这一过程，不但具有必然性还具有偶然性。疲劳变化的规律可以通过使用物理呈现来证明其存在的困果关系，而复杂不规律的随机情况不可用确定性的方法来给予呈现。所以对结构疲劳进行可靠性的分析是非常有现实性必要的。
2机械结构可靠性分析
2.1影响机械结构可靠性的原因
对机械结构部件来说，不管是在进行产品设计与生产过程中，还是在以后的使用维护方面，可靠性都属于其主要指标。
在以往的可靠性模型中，我们所了解与掌握的负载和强度都是静态状态下的，然而在现实的机械工程当中，尤其是在机械部件处于疲劳状态下之时，不仅会受到部件材料的特性影响，同时使用环境和时间长短，以及及负载的变化情况等都将都对其产生作用影响，那么机械部件的可靠性的指标与产品的使用性能，都将随着服务时间的延长而产生退化、衰弱，这一过程既是一个动态过程，同时也具有时变性特征。除此之外，很多机械结构部件所产生的故障模式存在一定的相关性，这主要是因为其故障模式不仅状态方程参数具有一定的相关性，而且其外部负载也存在着同源性。
2.2刀具材料的抗疲劳技术
在机械加工中，根据工件材料的可加工性，将材料分为难加工材料和易加工材料。难加工材料，如钛合金（航空航天工业常用材料）、不锈钢（煤矿机械、石油工业机械、食品机械常用材料），已加工材料包括，铸铁、碳钢、铝合金、工程塑料等。根据相同或相近物质互溶的特性，加工刀具应选择材质与工件材质差异性较大的，尤其是物理特性，包括硬度、组成材料等。但兼顾刀具的制造成本问题，刀具基体一般根据材料的难易加工程度选择性价比适中的材料，但为提高刀具的抗疲劳特性，常采用在刀具基体上做涂层处理，涂层刀具具有表面硬度高、耐磨性好、化学性能稳定、耐热耐氧化、摩擦因数小和热导率低等特性，切削时可比未涂层刀具提高刀具寿命3-5倍以上，提高切削速度20%-70%，提高加工精度0.5～1级，降低刀具消耗费用20%～50%。常见涂层TiCN、TiAlN、TiAlN多元、超薄、超多层涂层与TiC、TiN、Al2O3等涂层的复合等。
2.3内冷却液刀具
机械加工过程，工件和刀具之间高速相对运动，产生大量热量——切削热。如果不及时分散切削热，刀具将产生红热变形或积屑瘤。直接影响刀具使用寿命和工件表面质量，特别在精加工过程中，影响程度更大。传统的冷却方式是用泵将冷却液喷淋在工件加工处。但由于喷淋角度和位置精度不易控制，导致散热效果不佳。为更好的解决此问题，刀具设计师把机床和刀具设计成带内冷却的系统。冷却液在高压作用下经刀具内部孔道精准的喷射到加工部位，使切削热散失效率得到大幅提升，从而提高刀具使用寿命2-3倍。
2.4机械结构疲劳时变可靠性
结构可靠性指的是在指定时间、规定条件下所执行的指定功能的能力。此项目的提出及发展存在很多的不确定性因素。这些因素来自于具体的工程、如结构规格形状的分散、材料性质的分散、生产安装调式所造成的分散、服务环境的不同、维护与维护间的差异，及各事故因素和环境因素间的相关因素。首先，不确定性一般可分为随机的不确定性和认知的不确定性，随机的不确定性在具体工程当中是客观性存在的，并且是原本就有的，没有办法清除掉。认知的不确定性是因为结构部件的数据缺失或信息不完整而引起的。将这部分不确定性的信息运用到具体的设计当中，同时在有限元建模和优化设计环节、可靠性分析过程中思考影响结构内的不确定性，以此更充分的呈现项目的实际情况，如此有利于提高机械结构的可靠性与安全性。
结语
综上所述，因为存在着材料与设计方面的原因，机械运行过程中不仅会对其结构产生疲劳损伤，而且还会影响其安全可靠性。本文就这一现象从疲劳的产生原因和材料抗疲劳的特性开始，对机械结构的疲劳和抗疲劳的方法进行了深入的分析，并同时对机械结构可靠性也进行了详细的分析，希望能够在掌握一定机械结构原理的情况下为材料选取、机械设计等各方面的工作提供可参考的内容。
参考文献：
[1]李翠玲，谢里阳.相关失效分析方法评述与探讨[J].机械设计与制造，2003（3）：1-3.
[2]左芳君.机械结构的疲劳寿命预测与可靠性方法研究[D].电子科技大学，2016.
[3]嵇应凤，姚卫星，夏天翔.线性疲劳累积损伤准则适用性评估[J].力学与实践，2015，37（6）：674-682.
[4]叶南海.机械疲劳寿命预测与可靠性设计关键技术研究[D].湖南大学，2012.